Qu’est-ce que la CAO ?

Le scan d’Artec 3D capture des images avec une précision optimale pour les conceptions CAO complexes

La conception assistée par ordinateur est un outil d’itération des produits tellement répandu et à la pointe de la technologie qu’on pourrait croire que son invention est récente. Au contraire, le Dr Patrick Hanratty en a jeté les bases avec « PRONTO » le premier système de commande numérique commercial, dès 1957.

Six ans plus tard, Ivan Sutherland a franchi une nouvelle étape avec SketchPad, une machine révolutionnaire qui a permis les premières interactions entre l’homme et l’ordinateur. Si l’appareil de Sutherland ne permettait d’utiliser que des éléments de base tels que les arcs et les segments de droite, il offrait la possibilité de dessiner à l’écran des conceptions mécaniques comme jamais auparavant, ce qui en faisait un précurseur des futurs systèmes de CAO.

Peu de temps après, les entreprises ont commencé à lancer leurs propres programmes de CAO. Avec le code développé par le docteur Hanratty, McDonnell Douglas a lancé en 1967 un logiciel pour l’agencement et la géométrie des pièces. Même si la société a disparu depuis, suite à sa fusion avec Boeing, sa plateforme de CAO MicroGDS a connu un tel succès qu’elle est encore utilisée aujourd’hui.

Au fil des décennies, la CAO est restée un sujet de recherche incontournable. Chez Computervision, l’un des principaux acteurs de la première heure du secteur, le Dr Ken Versprille a mis au point le NURBS (nonuniform rational b-splines) en 1975. Devenue un pilier de la modélisation 3D, cette fonction permet de créer des modèles CAO complexes avec des surfaces courbes.

Depuis lors, des évolutions telles que la modélisation paramétrique, commercialisée pour la première fois par CREO, ont changé la façon dont la CAO est utilisée, en permettant d’ajuster les modèles en fonction de paramètres prédéfinis. Si certaines caractéristiques doivent être modifiées, par exemple, il suffit d’ajuster les paramètres d’un modèle dans les premières esquisses pour le recalculer et le remodeler entièrement.

Plus récemment, la technologie de la CAO s’est également rapprochée de l’impression 3D et du scan 3D, et de nouvelles fonctionnalités renforcent constamment la synergie entre les deux technologies.

D’une manière générale, les différents types de CAO peuvent être divisés en trois catégories : la modélisation solide, la modélisation filaire et la modélisation surfacique. Bien que d’autres approches méritent d’être mentionnées, la plupart d’entre elles entrent dans ces trois catégories.

La modélisation solide est idéale pour assembler des formes primitives telles que des lignes, des arcs, des sphères et des cubes en modèles complexes, tout en conservant un volume d’objet calculable. Cela permet aux concepteurs de valider constamment les constructions et de s’assurer qu’elles peuvent être fabriquées de manière viable.

En revanche, la modélisation filaire ne représente que les surfaces des bords et des coins d’un modèle, ce qui permet de les réaliser avec plus de précision. D’un point de vue technique, cela est possible en représentant les modèles comme des sommets reliés par des « faces », qui peuvent être modifiées pour changer leur position et créer des surfaces courbes sur l’extérieur d’un objet.

Les progrès de la technologie CAO dépassent sans cesse les limites de la conception

Enfin, avec la modélisation surfacique, les utilisateurs peuvent construire des modèles à l’aide d’une série de lignes directrices ou de points de contrôle. Ceux-ci sont ensuite reliés pour former des surfaces par les plateformes de CAO, qui calculent la manière la plus fluide de procéder. Comme vous pouvez l’imaginer, l’intérêt que cette méthode porte à la fluidité des surfaces la rend idéale pour la modélisation automobile et aérospatiale, où l’écoulement de l’air est essentiel.

D’autres approches, telles que la conception générative, menacent de supprimer complètement l’erreur humaine de l’équation. Les concepteurs peuvent désormais charger l’IA de résoudre les problèmes de conception, qu’ils soient liés au poids, au coût ou à la performance : l’IA leur proposera une solution. Il leur suffit d’entrer les paramètres à respecter pour que les algorithmes fassent le reste.

L’IA n’est pas la seule technologie de pointe à faire des vagues dans le domaine de la CAO. Avec le scan 3D, il est désormais possible non seulement d’automatiser les étapes de la conception, mais aussi d'en éliminer certaines en numérisant des produits existants et en les utilisant comme base pour de futurs prototypes concrets.

Voilà comment le scan 3D s’intègre dans la conception CAO 3D. Mais que se passe-t-il une fois que vous avez capturé les données dont vous avez besoin ? Pouvez-vous simplement commencer à éditer les scans sur un logiciel de CAO ?

Et bien, pas tout de suite. Les scans doivent d’abord être transformés en modèles 3D robustes, et ce processus est de plus en plus facile grâce aux progrès des programmes de scan vers CAO, qui servent de transition entre le maillage et le modèle.

Le passage du scan à la CAO se fait en quelques étapes, mais les résultats parlent d'eux-mêmes

Artec Studio est une excellente plateforme pour débuter ce workflow. Il rationalise la capture et le traitement des données de scan, et simplifie certaines étapes en les réduisant à un simple clic. Les algorithmes de suivi de la géométrie et de la texture permettent aux ingénieurs de capturer les pièces dans les moindres détails, tandis que la boîte à outils d’opérations booléennes de la plateforme peut être utilisée pour améliorer les maillages, par exemple en épaississant les surfaces susceptibles de casser.

Artec Studio vous offre tout ce dont vous avez besoin pour préparer votre maillage et effectuer les tâches essentielles de rétro-ingénierie. Sur la plateforme, vous pouvez déplacer et décaler des faces pour effectuer des modifications, ajouter du brillant avec les outils de chanfrein et de filet, et créer de nouvelles formes en ajoutant, soustrayant ou en recoupant des primitives avec d’autres modèles, le tout en un seul endroit.

Des programmes tels que Geomagic pour SOLIDWORKS accélèrent le processus de transformation de ce maillage hautement poli en modèle CAO. Directement intégré à votre espace de travail SOLIDWORKS, le module complémentaire vous offre les outils d’extraction de caractéristiques nécessaires pour créer des modèles robustes et modifiables à partir de données de scan. Si vous souhaitez corriger ou modifier rapidement, facilement et avec précision une conception existante dans une interface familière, ce programme est le compagnon idéal d’Artec Studio.

Pour une rétro-ingénierie intensive, le logiciel leader Geomagic Design X offre un ensemble d’outils de scan vers CAO plus complet. Avec le surfaçage exact, il est possible de reconstruire des formes libres complexes, puis de déployer la fonction de patching de la plateforme pour ajouter instantanément des éléments de surface qui suivent de près les contours et les courbes de l’objet.

Geomagic développe certaines des plateformes de scan vers CAO les plus performantes de l'industrie

Au niveau de l’esquisse 2D et 3D, Design X offre la base parfaite pour une ingénierie rapide fondée sur la numérisation. Auto Sketch peut être utilisé pour accélérer l’extraction de la géométrie et configuré pour adapter automatiquement les formes aux entités polylignes, en fonction des paramètres souhaités. D’autres outils tels que Loft et Sweep permettent également de fusionner facilement des sections en surfaces homogènes.

Plus généralement, il existe aujourd’hui un chevauchement important entre les programmes de CAO et de scan vers CAO, de nombreuses plateformes de conception traditionnelles intégrant des fonctionnalités adaptées au scan 3D. Découvrons quelques-uns des programmes les plus populaires, ce qu’ils offrent et où ils sont le mieux utilisés...

Conception de produit

Si l’itération est nécessaire pour garantir la qualité des produits dans un grand nombre d’industries, beaucoup de ces applications ont un point commun : le recours à la CAO.  Dans certains domaines, les conceptions initiales peuvent encore être tracées de manière traditionnelle, mais les longs processus d’esquisse itératifs qui retardaient les lancements de produits par le passé ont été largement mis de côté.

La conception CAO s'impose même dans le secteur automobile, où l’esquisse était habituellement très répandue

Au-delà de la vitesse de prototypage, le passage à la CAO a permis de résoudre les problèmes liés à l’interprétation erronée et au partage des schémas à l’échelle. La numérisation de la conception et l’omniprésence de la CAO ont également permis d’atteindre des niveaux d’automatisation et de collaboration jusque-là inimaginables.

L’arrivée de la CAO n'a pas seulement changé la manière de concevoir les produits, elle a aussi ouvert des perspectives inédites. Auparavant, la prévisualisation d’une première conception nécessitait la fabrication et l’expédition d’une maquette. Aujourd'hui, les entreprises comme Sherrill Furniture, spécialisée dans l’ameublement de luxe, peuvent numériser des meubles avec le scan 3D en quelques minutes, et utiliser ces données pour créer des dizaines d'articles de salon en images de synthèse chaque semaine afin de les personnaliser et de les visualiser en 3D.

Tout cela a été rendu possible grâce à la rapidité exceptionnelle de 35 millions de pts/s de l’Artec Leo. Grâce à sa fonctionnalité « cliquer pour scanner » et à ses capacités de scan 3D submillimétriques, Leo permet de capturer rapidement et facilement des objets complexes et riches en textures, tels que des meubles, dans des salles d’exposition bondées.

Ingénierie

C’est dans le domaine de l’IAO que la CAO s’avère particulièrement utile pour les ingénieurs en mécanique, car elle permet d’analyser les performances des pièces et des assemblages avant leur mise en production. À l’instar du prototypage de produits, cela évite aux fabricants d’avoir à réaliser des maquettes inutiles, puisqu’ils peuvent simuler leur fonctionnement.

Cependant, l’ingénierie nécessite un ensemble d’outils de simulation complètement différent. Autodesk l’a compris avec Inventor : une plateforme qui associe les éléments essentiels du dessin à la main à des outils d’analyse des contraintes statiques et modales permettant de tester si les produits peuvent résister à des charges déterminées.

Par ailleurs, Siemens propose Simcenter FLOEFD, un logiciel de mécanique des fluides numérique (CFD) intégré dans la CAO, qui permet aux ingénieurs de vérifier que les pièces et les assemblages satisfont aux exigences de leur application avant la phase de production. Grâce à la simulation CFD, il est possible de prédire comment les fluides tels que l’air et l’eau circuleront autour d’un modèle et, par extension, comment ils peuvent être canalisés pour le rendre plus aérodynamique. Ceci est particulièrement important dans des domaines tels que le cyclisme de compétition, où la minimisation de la résistance à l’air est essentielle pour arriver en tête.

En utilisant les données capturées avec Leo et l’Artec Space Spider ultra-précis, l’entreprise de simulation britannique Vorteq a porté cette approche à un niveau supérieur, en construisant le vélo de course le plus rapide au monde. Si la vitesse et la portabilité sans fil de Leo ont accéléré la capture pour l’analyse comparative, c’est le niveau de détail de la résolution de 0,1 mm du Space Spider qui a permis de modéliser les forces qui traversent le cadre du vélo à l’aide de la CFD.

Avec l’arrivée sur de nombreuses plateformes d’autres fonctionnalités telles que l’analyse dynamique multi-corps (pour étudier le comportement de corps connectés), l’ingénierie détaillée reste clairement l’un des domaines les plus passionnants de la conception assistée par ordinateur.

Automobile

Dans le domaine de l’automobile, l’art qui se cache derrière les dessins à la main reste bien vivant, mais la modélisation CAO lui a ouvert les portes du XXIe siècle. Le processus commence toujours par des croquis, mais les ingénieurs ont commencé à les convertir en conceptions virtuelles en les dessinant numériquement sur des plateformes de CAO, puis en utilisant les modèles obtenus pour créer des prototypes grandeur nature destinés aux essais.

De nombreuses entreprises de tuning capturent des modèles existants, puis conçoivent numériquement les améliorations souhaitées

La numérisation des dessins conceptuels ajoute de la précision au processus, permettant aux utilisateurs de vérifier qu’ils s'adaptent et fonctionnent comme prévu. Elle permet également d’obtenir des modèles qui peuvent être utilisés dans des simulations pour déterminer comment une pièce ou un assemblage se comportera sous l’effet d'une charge. Qu’il s’agisse d’une charge aérodynamique ou physique, les résultats peuvent être utilisés pour analyser la sécurité et les performances de la conception.

Grâce au scan 3D, il est désormais possible de faire de la rétro-ingénierie à partir d’objets réels, avec une rapidité et une précision telles qu’ils peuvent être utilisés pour l’itération des produits. Par le passé, l’équipe de SNAG Racing Rallye est parvenue à utiliser l’Artec Eva, une solution ultra-polyvalente et reconnue pour la numérisation de pièces texturées de taille moyenne, dans ce but précis.

Le passage de la modélisation papier au scan 3D pour la conception des améliorations des voitures de rallye leur a permis de gagner en résistance, en vitesse et en maniabilité tout en réduisant les coûts de production et les délais de mise en œuvre.

Architecture

Si la CAO est utilisée pour concevoir des architectures de toutes formes et de toutes tailles, elle est généralement réalisée à l’aide de logiciels spécialisés, plutôt qu’avec des logiciels grand public. Comme c’est le cas pour l’esquisse des produits, la numérisation de la conception des bâtiments et de la gestion des projets a permis d’apporter des modifications itératives (dans ce cas, celles demandées par le client), sans que les ingénieurs civils n’aient à tout reprendre depuis le début.

Plus souvent appelé modélisation des données du bâtiment (BIM) que CAO, le processus permet également aux architectes de prévisualiser l’aspect des plans de construction une fois réalisés. Des logiciels populaires comme ArchiCAD permettent même aux utilisateurs de générer des images photoréalistes bien avant le début des travaux, afin d’aider les architectes d’intérieur et de commercialiser des biens immobiliers à l’avance.

Le scan 3D à longue portée permet de numériser des installations et d'améliorer l'efficacité sur site

Compte tenu du grand nombre d’intervenants dans le secteur de la construction, la BIM est également un outil important pour la planification des chantiers. La modélisation BIM comporte essentiellement sept niveaux de collaboration, le premier étant celui des dessins 2D et le dernier celui de la transformation de ces dessins en modèle 3D et de leur partage avec toutes les parties concernées. La dernière étape est considérée comme la plus importante, car elle facilite la planification du chantier et l’établissement des coûts.

Dentaire et médical

La CAO est également en plein essor dans le secteur dentaire, même si elle est plus souvent utilisée pour la fabrication d’implants sur mesure que comme simple outil de conception. Grâce à la CFAO dentaire, les dents sont modélisées en 3D, à partir d’empreintes ou de scanners de la bouche des patients, et servent de base à la fabrication de prothèses.

Avant que la CFAO dentaire ne s’impose dans les années 1980, la création de couronnes, d’implants ou de prothèses dentaires spécifiques à un patient nécessitait plusieurs visites chez le dentiste, après quoi des moules étaient envoyés en fabrication. Aujourd'hui, les dentistes peuvent les fabriquer en interne, à l’aide du scan 3D pour capturer les sourires avec suffisamment de précision pour créer des implants dentaires parfaitement adaptés.

L’un de ces cabinets, le Center for Implant Dentistry, a découvert un moyen de combiner des scans du Space Spider en couleur très précis avec des scans intra-oraux, afin de créer des modèles de dents incroyablement réalistes. Cela a non seulement accéléré le processus de conception des implants, mais a également permis aux patients de visualiser leur nouveau sourire, et depuis, le taux de satisfaction du centre a grimpé en flèche.

Sans surprise, étant donné la facilité avec laquelle il est possible de transformer les données de CAO en fichiers STL, l’impression 3D devient également une alternative populaire à l’externalisation, et il existe un potentiel énorme à associer ces deux technologies pour obtenir des résultats dentaires plus précis.

L’impression 3D commence à se développer dans le secteur médical également, où les efforts se poursuivent pour intégrer la CAO dans le format standard de données cliniques « DICOM ». On s’attend à ce que l’adoption de la CAO dans ce domaine facilite la personnalisation des moulages et des prothèses, et fasse progresser la planification chirurgicale et la conception des médicaments grâce à la modélisation biologique.