Introduction aux logiciels de CAO

Table des matières

Le développement des technologies de l’information au cours des dernières décennies a considérablement modifié la conception et la fabrication des produits. La transformation numérique et l’automatisation des processus de fabrication ont conduit au développement d’outils permettant d’accompagner ces changements. L’une des solutions proposées est le logiciel de CAO, conception assistée par ordinateur, qui permet de modéliser et d’analyser avec précision ces conceptions techniques.Cet article décrit les origines, les fonctionnalités et les applications de ces logiciels de CAO, en détaillant leur rôle dans les secteurs de l’ingénierie, de l’architecture et de la technologie.

Histoire et définition de la CAO

Les origines des logiciels de CAO remontent aux années 1960, lorsque les premiers programmes ont été développés pour créer des dessins techniques sur des écrans d’ordinateur. Les premiers systèmes de CAO ont été mis au point pour répondre aux besoins des industries de la conception mécanique, architecturale et électronique, qui nécessitaient des méthodes plus précises dans le but de développer leur documentation technique. L’essor de la CAO a été étroitement lié aux progrès de l’infographie, à la puissance croissante des ordinateurs et à l’automatisation des processus d’ingénierie.

Mais avant cela, et dès les années 1950, des expériences de conception assistée par ordinateur avaient été menées. L’un des pionniers fut Patrick J. Hanratty, qui créa en 1957 le système PRONTO, le premier système de CAO commercial, destiné à l’élaboration de commandes numériques de machines. Ceci a servi de base aux programmes de CAO développés ultérieurement.

L’apparition du système Sketchpad d’Ivan Sutherland en 1963 a marqué un tournant décisif. Ce système permettait de créer des dessins sur écran d’ordinateur, à l’aide d’un stylet lumineux, une avancée majeure dans l’interaction homme-machine. Sketchpad a jeté les bases des futurs programmes de CAO et introduit des concepts tels que les structures hiérarchiques d’objets, les relations géométriques et les nœuds modifiables, qui sont à la base des outils actuels de CAO.

Les années 1970 et 1980 ont vu apparaître les premiers programmes de CAO commerciaux, tels que CATIA (1977) et AutoCAD (1982), qui ont révolutionné la conception dans de nombreux secteurs. CATIA a gagné en popularité dans les industries de l’aérospatiale et de l’automobile, tandis que AutoCAD est rapidement devenu la norme en architecture et en génie civil, en raison de son accessibilité et de sa facilité d’utilisation.

Aujourd’hui, nous pouvons définir les logiciels de CAO comme étant des outils informatiques utilisés pour la conception, la modélisation et la documentation des produits. Les systèmes de CAO actuels offrent diverses fonctionnalités, depuis la création de simples dessins en 2D, jusqu’à la modélisation de modèles tridimensionnels (3D) complexes. Grâce à des fonctions intégrées d’analyse et de simulation, cette CAO permet, par ailleurs, de tester une conception avant sa réalisation physique, ce qui réduit considérablement les coûts de production et accélère la mise sur le marché.

Fonctionnalités de base des logiciels de CAO

Modélisation géométrique

La CAO permet de créer des modèles 2D et 3D précis qui montrent la géométrie de l’objet conçu. La modélisation géométrique dans la conception assistée par ordinateur, permet de créer des représentations précises d’objets dans l’espace.

Les modèles 2D sont utilisés principalement pour des dessins techniques, des schémas et des plans de construction, permettant une représentation précise des détails, des dimensions et des descriptions techniques, le tout étant primordial en architecture et en mécanique.

Les modèles 3D, quant à eux, permettent une représentation réaliste des objets en trois dimensions. Ces modèles peuvent être pivotés, mis à l’échelle et analysés sous différents angles, ce qui facilite le test de leur fonctionnalité et de leur compatibilité. Cette modélisation 3D prend également en charge les processus de visualisation, permettant aux concepteurs de présenter des prototypes aux clients et aux investisseurs.

Les fonctionnalités avancées de modélisation géométrique comprennent…

Modélisation paramétrique : permet de définir les relations et les dépendances géométriques entre les éléments du modèle, ce qui facilite la modification des conceptions. Les modifications apportées à un élément mettent automatiquement à jour les parties associées, ce qui minimise les erreurs et permet de gagner du temps lors de la modification des conceptions.
Modélisation de surface : utilisée pour créer des formes complexes, telles que des surfaces courbes ou des formes organiques, difficiles à réaliser avec la modélisation solide traditionnelle. La modélisation de surface est souvent utilisée pour concevoir des produits aux formes irrégulières, tels que des carrosseries de véhicules ou des équipements électroniques.
Modélisation solide : permet de créer des objets tridimensionnels complets avec un volume défini. Les modèles solides sont utiles pour l’analyse de résistance, les simulations physiques et les processus de fabrication, alors que la masse et le centre de gravité sont importants.
Modélisation hybride : combine les caractéristiques de la modélisation solide et de la modélisation surfacique, offrant aux concepteurs une plus grande flexibilité dans la création de structures complexes. Celle-ci permet de modifier, à la fois, les solides et les surfaces, dans un environnement de conception unique.
Modélisation maillée : utilisée pour représenter des formes sous la forme d’une grille de polygones, elle est primordiale dans le cadre de la conception en vue d’une impression 3D, de l’aérodynamique et de l’analyse thermique.
Rendu et visualisation : fonctions permettant de créer des images et des animations photoréalistes de modèles, qui facilitent la communication avec les clients et la présentation des conceptions créées.

Analyse et simulation

Les programmes de CAO offrent des outils permettant de réaliser des analyses de résistance, cinématiques et dynamiques. Ces fonctions permettent d’évaluer en détail le comportement des objets conçus dans des conditions réalistes.

Les analyses de résistance incluent l’évaluation des contraintes, des déformations et des points critiques dans des structures mécaniques. Elles permettent d’optimiser les matériaux et les formes, augmentant ainsi la durabilité et la sécurité des produits. Ces outils sont nécessaires à la conception de composants soumis à des charges élevées, tels que les ponts, les fuselages d’avion et les composants de machines industrielles.

Les analyses cinématiques permettent d’étudier le mouvement des engrenages, des leviers et des mécanismes de charnières. Les simulations cinématiques aident les ingénieurs à évaluer les trajectoires de mouvement, les plages de rotation et les collisions entre les composants. Cela permet de concevoir des systèmes dont le mouvement est contrôlé avec une parfaite précision.

Les analyses dynamiques se concentrent sur l’étude des effets des forces variables dans le temps, telles que les vibrations et les chocs. Elles sont utilisées pour tester la résistance des conceptions aux charges dynamiques, ce qui est particulièrement important dans l’industrie automobile et l’aérospatiale. Ces analyses permettent en outre de concevoir des systèmes d’amortissement des vibrations et d’accroître la stabilité structurelle.

La CAO permet des simulations numériques détaillées, grâce à l’intégration de modules de méthode des éléments finis (MEF). Les analyses thermiques, fluidiques et électromagnétiques sont d’autres applications qui permettent d’examiner en profondeur les conceptions, avant leur mise en production.

Documentation technique, automatisation

La création de dessins techniques, de nomenclatures BOM, Bill of Materials, et de spécifications de fabrication est l’une des fonctions clés des logiciels de CAO, qui rationalisent les processus de fabrication et éliminent les erreurs résultant de toute documentation manuelle.

Les dessins techniques générés en CAO sont précis et conformes aux normes internationales (ISO, ANSI, etc.). Ils contiennent des informations détaillées sur les dimensions, les tolérances et les matériaux, ce qui permet de les utiliser directement dans les processus de production. Les programmes de CAO facilitent l’application rapide de corrections et de mises à jour automatiques des dessins, en fonction des modifications apportées aux modèles 3D.

Une nomenclature BOM répertorie tous les composants qui constituent un projet, en tenant compte des composants standard et non standard. Une telle nomenclature facilite évidemment la gestion de la chaîne d’approvisionnement, la planification de la production et le contrôle des coûts. Grâce à l’intégration avec les systèmes de planification des ressources de l’entreprise (ERP), ces données peuvent être directement transférées aux services des achats et de la logistique.

Les spécifications de fabrication comprennent des instructions détaillées pour les processus d’assemblage, d’usinage et d’inspection. Elles peuvent inclure des schémas d’assemblage, des paramètres d’outils CNC ainsi que des informations de contrôle qualité. L’automatisation des spécifications élimine le risque d’erreurs tout en réduisant le temps nécessaire à la mise en production d’un projet.

Grâce à ses fonctions d’automatisation de la documentation, la CAO accélère le travail des concepteurs, tout en facilitant grandement la communication entre les équipes d’ingénierie, de fabrication et d’inspection, garantissant ainsi la cohérence des données et la conformité avec l’intention de conception.

Visualisation

La capacité à générer des rendus réalistes et des animations facilite la présentation d’une création. La visualisation, dans les logiciels de CAO, joue un rôle d’intermédiaire de valeur dans le processus de conception, permettant la création d’images photoréalistes et d’animations dynamiques de modèles.

Le rendu photoréaliste permet de simuler l’apparence des matériaux, de l’éclairage et des ombres, afin que les concepteurs puissent créer des présentations qui représentent fidèlement le produit final, tel qu’il sera. Cette fonctionnalité est particulièrement utile dans les domaines de l’architecture, de la décoration d’intérieur ou de certains produits de consommation, pour lesquels l’impact visuel du produit final est primordial.

De telles animations permettent de montrer le fonctionnement des mécanismes et des processus d’assemblage, ce qui facilite la compréhension de la fonction d’une création. Les animations sont désormais largement utilisées pour montrer des mécanismes dynamiques tels que ceux des moteurs, des charnières et autres processus de ce type.

Les simulations visuelles soutiennent l’analyse de l’ergonomie et de l’interaction de l’utilisateur avec le design. Les simulations d’intérieurs de véhicules, de machines ou d’espaces de travail en sont des exemples parfaits, permettant d’évaluer le confort et la fonctionnalité des concepts proposés.

Les présentations interactives et la réalité virtuelle (RV) sont des extensions modernes des fonctions de visualisation, laissant aux designers et aux clients la possibilité d’explorer les modèles en temps réel. Avec la RV, il est possible de vérifier l’échelle, les proportions et la fonctionnalité des créations, dans l’espace virtuel, avant de passer à la phase de production.

Grâce à de tels outils de visualisation avancés, la CAO permet de créer des supports marketing percutants, des prototypes numériques ainsi que des démonstrations qui améliorent la communication et les décisions de conception.

Intégration avec la FAO

La combinaison de la CAO avec les logiciels de FAO, Fabrication Assistée par Ordinateur, permet d’automatiser les processus de fabrication. Les systèmes de FAO permettent de convertir les conceptions CAO en instructions de commande de machines CNC (commande numérique par ordinateur), ce qui élimine le besoin de programmation manuelle. Le processus de fabrication devient ainsi plus précis, reproductible et efficient.

L’intégration de la CAO/FAO permet une collaboration directe entre la conception et la fabrication, ce qui réduit le temps consacré au marketing. Les concepteurs peuvent tester et optimiser les modèles dans l’environnement CAO, puis les transférer directement vers les systèmes FAO, où ils sont alors convertis en code machine.

En outre, les logiciels FAO prennent en charge des opérations telles que le fraisage, le tournage, la découpe laser, la découpe au jet d’eau et l’impression 3D. Il est ainsi possible de produire avec une grande précision, aussi bien des composants simples que des structures complexes.

Les systèmes de CAO/FAO modernes prennent également en charge l’intégration avec les technologies de l’Industrie 4.0, permettant la surveillance, en temps réel, des processus de fabrication et l’ajustement automatique des paramètres des machines, en réponse aux modifications de conception ou aux exigences de qualité.

Modèle CAO et pièce usinée par commande numérique

Applications de CAO

Les logiciels de CAO sont utilisés dans de nombreux secteurs…

Ingénierie mécanique : conception de pièces de machines, d’outils et de mécanismes complexes tels que les transmissions, les engrenages et les dispositifs de précision. La CAO prend également en charge l’analyse des tolérances et de la résistance, afin d’optimiser les conceptions avant la production.
Construction et architecture : élaboration de plans de construction, conception d’intérieurs et analyse structurelle. La CAO prend également en charge la modélisation des données du bâtiment (BIM), ce qui permet l’intégration des données, à chaque étape du projet.
Industrie aérospatiale et automobile : modélisation aérodynamique, analyse de résistance et conception de prototypes. La CAO permet la simulation de la dynamique des fluides, le test de structures composites et l’optimisation des processus de fabrication.
Électronique : création de schémas de circuits imprimés (PCB) et de circuits électroniques. La CAO permet la conception de microcircuits et de circuits intégrés, ce qui permet de tester leur fonctionnement avant même la production physique.
Médecine : conception d’implants, de prothèses et d’instruments chirurgicaux. La CAO est utilisée pour modéliser les structures anatomiques des patients, à partir de données de tomodensitométrie, afin de créer des solutions médicales personnalisées.

Tendances futures de la CAO

L’avenir des logiciels de CAO est axé sur l’intégration des technologies modernes, notamment…

Intelligence artificielle (IA) – Automatisation des tâches de conception répétitives et analyse de l’optimisation de la conception. L’IA peut aider les concepteurs en suggérant des modifications, en prédisant les erreurs et en fournissant des solutions « toutes faites », basées sur l’analyse de données. Le développement d’algorithmes d’apprentissage automatique permet de détecter les problèmes de conception et d’optimiser les performances de conception.
Réalité augmentée (RA) et réalité virtuelle (RV) – Permettre l’exploration interactive de modèles dans des environnements virtuels. La RA et la RV permettent des visualisations précises des designs à l’échelle 1:1 pour faciliter la communication avec les clients, ainsi que de tester l’ergonomie des produits, avant leur mise en œuvre physique. La technologie de RV offre également des visites virtuelles de projets architecturaux, ce qui facilite l’évaluation des espaces.
Cloud computing – Faciliter la collaboration en temps réel entre des designers situés en différents lieux. Le stockage dans le cloud permet un accès rapide aux fichiers de conception, une édition collaborative ainsi qu’une gestion des différentes versions des documents. Il permet également l’intégration avec des outils d’analyse et des sauvegardes automatiques.
Impression 3D – Intégration étroite avec les technologies de fabrication additive, permettant un prototypage rapide. La CAO est un outil clé pour préparer les modèles destinés à des imprimantes 3D, réduire le temps de test des concepts et accélérer la mise sur le marché des produits. L’impression 3D permet aussi de produire des pièces aux géométries complexes, qui seraient difficiles à fabriquer avec les méthodes « traditionnelles ».
Industrie 4.0 – La combinaison de la CAO avec des systèmes de fabrication intelligents et l’IdO (Internet des objets) permet une automatisation complète des processus. La CAO prend en charge la création de jumeaux numériques (digital twins) pour surveiller et simuler les performances d’objets physiques, en temps réel. Cette intégration améliore la productivité, permet le suivi de données de production et la maintenance prédictive de machines.