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public averti De l’idée à l’objet


De l’idée au prototype, la façon de la matérialiser avec des étudiants de génie mécanique.



From idea to prototype, how to materialize it with students of Mechanical Engineering.


Raphaël ULRICH


Notre monde moderne fourmille d’objets qui apparaissent à un rythme effréné. Le point de départ est un simple croquis ou une idée innovante. Les deux passages obligés de ce processus créatif sont le dessin et le prototype, objet unique réalisé sur mesure. Si les voitures de Formule 1 utilisent une organisation intégrée, une usine complète organisée autour de la réalisation de 2 bolides par saisons, ces méthodes de fabrication assistée par ordinateur se répandent dans le monde académique.

La conception

Point de départ de toute réalisation, il est nécessaire de cristalliser l’idée par une représentation. Aux classiques épures de Monge ont succédé des logiciels de dessin par ordinateur capable de modeler une argile numérique directement dans l’espace. La complexité apparente de ces logiciels cache des fonctions très utiles qui dépassent largement les méthodes antérieures. Les logiciels de dessin assisté par ordinateur transposent souvent les démarches utilisées avec la planche à dessin traditionnelle (le té et l’équerre). La modélisation d’un objet en volume se heurte avec sa représentation sur un écran plat. Uniquement des projections sont possibles. Une complexité supplémentaire apparait quand on désire mettre en relation les différents composants (l’assemblage). Finalement la mise en mouvement des pièces (la cinématique) demande l’entrée d’informations complémentaires. Souvent, ces 3 étapes dans la conception nécessitent des outils différents avec chaque fois un apprentissage spécifique.

Catia un logiciel aux nombreuses facettes

Ces besoins sont exacerbés dans la construction automobile ou aéronautique. Au lieu de superposer les couches d’outils, Catia intègre dès le départ des contraintes géométriques.
Cette idée simple permet la composition d’objet complexe à partir d’opération simple, l’assemblage et la cinématique ne sont que des contraintes supplémentaires.
Avec cette logique de fonctionnement, la recréation d’objets numériques complexes, intégrant de nombreux éléments est à la porté d’un étudiant de première année sans requérir un apprentissage excessif.
Depuis 2001 les salles d’enseignement de la faculté STI et les étudiants de génie mécanique disposent d’une version exhaustive de Catia (plus de 90 ateliers), chaque module représentant une facette de l’ingénierie. Les étudiants concentrent leur apprentissage autour de 3 d’entre eux : Conception mécanique, Usinage, Analyse et simulation....
Voici un exemple de réalisation modélisée à partir de l’original par des étudiants en Génie Mécanique de 1ère année dans le cadre du cours Introduction au génie mécanique de Daniel Kremer, Claude Ramseyer et Mathieu Benoit.

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Tronçonneuse Shindaiwa étudiants Romain Baud, Damien Benoit, Ryan Giroud et Damien Rebeix
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Détail de la chaîne de la tronçonneuse Shindaiwa, étudiants Romain Baud, Damien Benoit, Ryan Giroud et Damien Rebeix

Le chaînon manquant, l’usinage assisté par ordinateur

Leader mondial dans le domaine de la CFAO, Catia est un logiciel issu du constructeur d’avions Dassault qui s’est ensuite allié au géant IBM pour fournir des solutions globales à chaque industrie. La CFAO (Conception et Fabrication Assistée par Ordinateur) permet de gérer depuis son écran l’ensemble du processus.
Deux méthodes existent pour réaliser cette jonction : à l’intérieur logiciel de CAO ou en utilisant un module externe.
Logiquement, être capable d’usiner sa pièce directement depuis l’outil de conception évite des pertes de temps par l’utilisation de logiciels différents et la conversion des modèles numériques.



Ces modules ne représentent qu’un bref aperçu des multiples possibilités de ce logiciel, car il est capable de faire des opérations plus exotiques comme l’étude d’ergonomie avec des mannequins numériques standardisés au pliage et dépliage de tôles, y compris les déformations locales.

Un défi en pratique

Comme exemple de cette liaison entre recherche, innovation et fabrication assistée par ordinateur, voici le travail de doctorat de Jürg Schiffmann en 2008 dans le laboratoire d’énergétique industrielle (LENI) du Professeur Daniel Favrat.
Au centre de celui-ci, un compresseur de pompe à chaleur à très haute vitesse (jusqu’à 210’000 tr/min) directement lubrifié par le fluide caloporteur. Ce travail a été récompensé par le prix SwissElectric 2008.



Seule la rugosité du passage de la fraise de 0.6 mm différencie le modèle numérique modélisé dans Catia et la pièce finale. La complexité de celle-ci rend impossible une correction par un usinage manuel.

Grandeur d’échelle

La pièce est petite, 2.6 cm3 usinée par une fraiseuse 6 axes de 40 m3, 16 millions de fois plus volumineuse. Naturellement, il peut paraître insensé d’usiner cette micro turbine sur une machine incomparablement plus massive (0.003 kg versus 6’000 kg).



En réalité, la rigidité de la machine est l’élément crucial, qui couplé avec un contrôle fin des vibrations et du mode d’usinage permet d’arriver à des miracles sans nécessiter pour cela l’achat d’une nouvelle fraiseuse pour chaque échelle.

6 axes, des dimensions inconnues ?

Si les 3 axes d’un cube sont facilement identifiables, que représentent les 3 orientations supplémentaires ?
Sans tomber dans le monde supranaturel, ces axes sont simplement des rotations de l’axe de l’usinage (porte-outil) ou la double rotation de la table réceptacle de la pièce. Les mouvements s’effectuent selon ce schéma. Les axes linéaires sont X, Y et Z tandis que A et B sont des axes rotatifs (l’axe de rotation de la tête n’est pas représenté sur ce dessin).

Un usinage numérique

La visualisation des mécanismes dans leurs fonctionnements (cinématique) évite de ne plus pouvoir ouvrir la porte, car elle se trouve sous l’escalier. Pour vérifier le fonctionnement de l’usinage en numérique on procède en 3 étapes :

  • on modélise la pièce,
  • on réalise le programme d’usinage,
  • on réalise l’usinage de la pièce.

Le module simulation de machines CN de Catia permet de simuler le code d’usinage obtenu sur une machine-outil virtuelle et ainsi de visualiser les collisions sur machine réelle. Et on réunit le tout par le code généré pour l’usinage.
Telle une hydre se régénérant, il est possible d’observer l’usinage virtuel et de pouvoir contrôler son travail en évitant des erreurs grossières. Naturellement cette phase de virtualisation ne remplace pas la réalité de l’atelier, car les machines possèdent des limites qui n’apparaissent qu’à l’usage.

Retrouver le fil d’Ariane

L’usinage numérique est presque parfait :

  • il permet de suivre des formes complexes,
  • la visualisation du dépouillement successif est particulièrement impressionnante, car il tient compte de l’ensemble des paramètres comme le diamètre de la fraise, la vitesse de coupe et l’avance.

Le seul bémol est que dans les cas limites, comme cette micro turbine il faut intégrer des paramètres extérieurs :

  • vibrations,
  • porte à faux,
  • capacité de coupes locales.

Le premier essai de fraisage laissa à désirer, la forme générale était présente, mais les irrégularités d’usinage rendaient la pièce inutilisable (l’impossibilité de retoucher la pièce nécessite un résultat proche de la perfection dès le démontage).
Trois actions ont été entreprises pour résoudre ce problème :

  • changer le mode d’usinage,
  • rigidifier la liaison entre la pièce et la machine-outil (le posage),
  • rigidifier la prise de l’outil.
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Mouvement en spirale autour de l’ailette

Karim Collomb, mécanicien dans l’atelier AEM, a réalisé un nouveau posage qui a permis un gain conséquent en hauteur, limitant la course angulaire et assurant une liaison plus ferme avec le support en minimisant les vibrations.




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Diminution de la hauteur du posage par rapport à l’axe de rotation de B. APRES

Finalement, une technique de frettage des outils (emmanchement de la fraise à chaud à 600 °C) a permis de se passer de pince porte-outil. Un film met en évidence que la forme de l’outil (une fraise cylindrique de 0.6 mm) entraîne des vibrations parasites. L’emploi d’une fraise conique sur mesure évite ce problème.


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Du numérique
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au réel

Conclusions

Ce travail pluridisciplinaire rend compte des progrès accomplis de la conception à sa matérialisation, la qualité du résultat laisse pantois. Cette numérisation des processus ne remplace pas le savoir-faire. Des fraiseuses particulièrement précises qui possèdent une précision extrême, le micron (1/1000 de mm) sur une distance de 700 mm sont nommées machines mères. Elles servent à fabriquer les composants essentiels des autres machines-outils. Paradoxalement, la main de l’homme reste indispensable avec une méthode ancestrale, le grattage, que seuls des ouvriers exceptionnels possèdent.
C’est avec une sorte de spatule appliquée aux endroits adéquats qu’on déforme localement de manière imperceptible le bâti et offre ainsi des alignements et des perpendicularités que seul l’homme peut imaginer. Ces creux imperceptibles dans la matière (une profondeur de 1 micron) retiennent un peu d’huile et permettent un glissement sans accros.



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