Part consolidation (PC) is an effective design technique to reduce part count and simplify product architecture. Through PC, it brings numerous benefits such as reduced assembly operation, decreased supply chain management cost, and increased structural reliability. Consolidation of parts, however, may lead to increased manufacturing difficulty in terms of complex geometry and material composition. Constrained by the capability of conventional manufacturing methods (e.g. machining and casting), PC is only applicable to components having simple geometries, no relative motion, no material variance, and no blockage of assembly access of others. As additive manufacturing (AM) evolves into an end-of-use product fabricating method, such constraints of PC have been largely relaxed, and PC has become one of the primary motivations of using AM. However, the rules and methods for exploring such emerging PC potentials are obsolete, and the understanding of how to utilize these PC potentials in a general product redesign process is very limited.

To fill these gaps, three contributions are made in this thesis. First, a methodological framework enabling full exploitation of AM-enabled PC potentials in product redesign is proposed. The framework is highlighted by three design flows:​ core flow, complementary flow, and innovative flow. The core flow is dedicated to screening, consolidating, and refining parts that are highly feasible for consolidation. The complementary flow is supplementary to the core flow to further investigate the slight consolidation potential for parts that are rejected by the core flow. The innovative flow works in parallel with the prior flows. It aims at enlarging the design solution space by advocating design for function throughout the synthesis process of working principle, product layout, design space, material, and architecture. Amongst the three proposed flows, the core flow is the primary focus of this research and has been thoroughly investigated and implemented. Second, new candidacy rules, principles, strategies, and tools to support the systematic and automatic identification of PC candidates are developed. Third, a functional entity-based design method is proposed to aid the transition from the candidacy assembly design to the functionally-equivalent consolidated design. In the end, a computer-aided design tool is developed to implement the proposed core flow, which paves the way for better exploring and utilizing AM-enabled PC potentials in the redesign process of a complex product.

La consolidation de pièces (PC) est une technique de conception efficace pour réduire le nombre de pièces et simplifier l'architecture du produit. Grâce à la PC, de nombreux avantages sont apportés, notamment une réduction du nombre d’opérations assemblage, des coûts de gestion de la chaîne d'approvisionnement ainsi qu’une fiabilité structurelle accrue. Cependant, la consolidation de pièces peut entraîner une augmentation des difficultés de fabrication en termes de géométrie complexe et de choix de matériaux. Limitée par la capacité des méthodes de fabrication conventionnelles (par exemple usinage et moulage), la PC est uniquement applicable aux composants ayant des géométries simples, dont les pièces n’ont pas de mouvement relatif, pas de variance matérielle, et pas de blocage dans l’accès aux pièces pour l’assemblage. Comme la fabrication additive (AM) évolue vers une méthode de fabrication de produits finis, prêts à être employés, ces contraintes de PC ont été largement assouplies, et la PC est devenue l'une des principales motivations de l'utilisation de l’AM. Cependant, les règles et les méthodes pour explorer la PC, technique plutôt récente et émergente, sont obsolètes, et la compréhension de la façon d'utiliser les potentiels de la PC dans un processus général de reconception du produit est très limitée.

Pour combler ces lacunes, trois contributions sont apportées dans cette thèse. Tout d'abord, un cadre méthodologique permettant une exploitation complète des potentiels de la PC pour l’AM dans un processus général de reconception du produit est proposé. Le cadre est mis en évidence par trois flux de conception:​ flux de base, flux complémentaire et flux innovant. Le flux de base est dédié au criblage, à la consolidation et à l'affinage de pièces pour la consolidation. Le flux complémentaire permet étudier plus en détail le potentiel de consolidation des pièces rejetées par le flux de base. Le flux innovant travaille en parallèle des deux flux précédents. Il vise à élargir l'espace des solutions de conception en préconisant la conception fonctionnelle tout au long du processus de synthèse, à travers le principe de fonctionnement, la mise en plan du produit, l'espace de conception, le choix du matériau et l'architecture. Parmi les trois flux proposés précédemment, le flux de base est l'objectif principal de cette recherche et a été minutieusement étudié et mis en oeuvre. Deuxièmement, de nouvelles règles, principes, stratégies et outils pour soutenir l'identification systématique et automatique des PC potentielles ont également été développés. Troisièmement, une méthode de conception basée sur l'entité fonctionnelle est proposée pour faciliter la transition de l’assemblage à la pièce consolidée, fonctionnellement équivalente. Finalement, un outil de conception assistée par ordinateur est développé pour mettre en oeuvre le flux de base proposé, ouvrant la voie à une meilleure exploration et utilisation des potentiels de la PC pour l’AM dans un processus général de reconception du produit complexe.