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Cours d'infographie    Chapitre 4 : Fabrication assistée par ordinateur

I.S.I. Gramme   - Liège

Le but de ce chapitre n'est pas d’étudier en profondeur la F.A.O,
mais plutôt d'introduire le lien qu'elle présente avec
l'informatique graphique et les outils de prototypage rapide
qu'elle offre de plus en plus.

Intégration avec les machines-outils     Fabrication directe de prototypes

CIM ou Computer Integrated Manufacturing est devenu un terme à la mode dans les grandes entreprises du domaine mécanique. La construction automobile est un grand consommateur de robots et autres systèmes intégrés d'usinage. Il est normal de vouloir connecter un système de CAO à des machines de fabrication à commande numérique. Les deux systèmes sont commandés par un ordinateur et les deux doivent posséder une connaissance tridimensionnelle de la pièce à fabriquer.

Mais les choses ne sont pas si simples ! En effet, une machine-outil ne connaît pas la géométrie de la pièce à usiner, mais seulement les trajectoires d'outils qui dépendent bien sûr de la géométrie de l'objet à fabriquer, mais aussi de la géométrie de l'outil lui-même. Toutefois, laisser à un ordinateur le soin de convertir les informations d'un modèle dans l'autre diminue les risques d'erreurs et le temps de main d'œuvre à y consacrer.

Tous les gros logiciels de CAO sur stations de travail ou gros ordinateurs intègrent ce type de fonctions. On commence à les trouver aussi sur les 'petits' ordinateurs de type 'PC'. Par exemple, le programme CADDY, déjà cité, comprend en option un module CADDY-NC. Ce type de module comprend les modules de type 'fraiseuse', 'tour', et 'rectifieuse'. Pour effectuer une simulation d'usinage où les vitesses et les types d'outils sont corrects, le modèle construit dans le programme de CAO doit comprendre une définition de tous les matériaux utilisés. Ainsi, le module 'commande numérique' peut interroger une banque de données où se trouvent les paramètres d'usinage à utiliser.

On peut visualiser les trajectoires d'outils, imposer ou contrôler la profondeur de coupe et le choix de l'outil (type et diamètre d'une fraise ou d'une meule). Le temps d'usinage est calculé par le programme. On constate souvent un gain de temps entre une trajectoire d'outil exécutée à la main et mémorisée dans la machine-outil et une trajectoire optimisée par CAO. Ce dernier se sert de toutes les informations de sa base de données pour utiliser à fond (juste sous la limite tolérable) les capacités de l'outil. Des gains de plus de 50% ne sont pas anormaux.

Tout aussi évidemment, une modification de la géométrie d'une pièce est directement répercutée dans le programme destiné à la machine-outil.

Dans le domaine des logiciels sur PC , et donc d'un coût relativement abordable, on peut signaler l'existence de SmartCAM/Camand (de SDRC), un programme qui possède un interface complet avec AutoCAD (release 14 et suivants). SmartCAM lève la barrière quelque peu limitative des langages de programmation CN (commande numérique) en présentant à l'écran de façon interactive la simulation du processus de fabrication.

Le programme crée, tout au long du processus, une base de données qui contient un trajet d'outil en 3 axes (ou même parfois 5 axes), avec changements d'outil aux moments appropriés. Les fonctions de modification, insertion, effacement de tout ou partie de la trajectoire sont disponibles. On peut visualiser toute la trajectoire ou la faire parcourir par un modèle tridimensionnel de l'outil pour apprécier la justesse du processus.

Les calculs de profondeur de passe et de vitesse sont automatiques et ne nécessitent pas d'intervention de l'utilisateur du programme. Les mouvements d'engagement/dégagement sont automatiquement ajoutés (lead-in/lead-out). Les cycles de dégrossissage sont générés en automatique ou en semi-automatique à partir des trajectoires de la passe de finition, et ce, en fraisage, tournage intérieur, extérieur et filetage.

Comme en DAO avec AutoCAD ou l'un de ses concurrents, le programme de FAO utilise des blocs. Ainsi, les trajectoires pour une série d'alésages, de dents d'engrenage, etc. sont très vite décrites. On notera aussi que si chaque bloc suppose l'usage de deux outils différents, le programme généré effectuera d'abord la passe du premier outil sur tous les blocs avant de changer d'outil et de reprendre la seconde partie du travail (automatic tool sorting).

Evidemment, si on modifie en cours de travail le job plan, le nouveau type d'outil choisi est automatiquement utilisé tant à l'écran qu'en programmation NC.

Un avantage supplémentaire de ce type de programme (pas toujours offert, mais c'est le cas de SmartCAM) est la reprise en mode graphique de programmes d'usinage NC existants. Il est ainsi possible d'éditer et mettre à jour avec le nouveau système informatisé les anciennes bibliothèques de programmes NC que l'on possède déjà.

En fin de séquence, après génération du code programme NC, le logiciel de FAO fournit une indication du temps d'usinage, du temps d'arrêts pour changements d'outils et permet ainsi d'évaluer la productivité du processus.

La fabrication de modèles pas toujours fonctionnels, mais dimensionnellement corrects est très utilisée. Il existe de nombreuses méthodes possibles, mais la plus directe et la plus rapide est sans doute l'usinage direct. Une fraiseuse à commande numérique est directement connectée, comme un périphérique, à l'ordinateur de CAO. Ce dernier peut, à tout moment, demander une copie sur la fraiseuse du modèle 3D qu'il a en mémoire.

Un bloc de matière est directement usiné. Cette méthode très spectaculaire est utilisée dans l'industrie automobile pour obtenir des modèles réduits au 1/10 ou même à l'échelle 1 à partir de blocs de matière plastique, usuellement du polystyrène extrudé ou expansé. L'avantage de gain de temps par rapport aux méthodes manuelles est tout à fait considérable.

Pour les modèles réduits ou les prototypes de petite taille, jusqu'à environ 30 cm, il existe des petits portiques-fraiseuses à trois ou même cinq axes directement connectables à un simple PC par une liaison série RS-232. Vu la taille de ce type de machine, elles sont limitées à l'usinage de matériaux légers comme l'aluminium. Pour des prototypes non fonctionnels, ceci n'est pas une grave limitation.

Ce type de portique-fraiseuse est aussi très utilisé dans les écoles pour l'enseignement des principes de la commande numérique. Ils permettent l'apprentissage des langages de commande CNC pour une faible fraction du coût de véritables machines-outils.

Un nouveau type de périphérique informatique s'est fait jour ces dernières années, à l'initiative de la société 3D Systems de Valencia en Californie : les machines de coulée 3D. Il s'agit d'une machine qui réalise très rapidement un modèle grandeur nature d'un solide géométrique qui peut être fort complexe et même non usinable de façon traditionnelle. Ainsi, il permet de réaliser un modèle d'une turbine complète avec tous ses aubages, son axe creux, etc. en une seule passe.

Quel en est le principe ? Une cuve est pleine d'une résine époxy fort fluide qui polymérise en présence d'un rayonnement ultraviolet. Un plateau mobile est situé juste sous la surface du liquide. Il peut descendre doucement tout au long du processus. Un laser à rayonnement ultraviolet dessine sur la surface du liquide un balayage qui correspond à la 'tranche' inférieure de l'objet. La résine située entre le plateau et la surface durcit (sur une épaisseur d'une fraction de millimètre). Ensuite, le plateau descend légèrement et le processus recommence pour la tranche suivante de l'objet à modéliser. L'épaisseur d'une tranche varie de 5 à 30 millièmes de pouce, soit de 0.125 mm à 0.75 mm.

L'objet est ainsi construit par tranches horizontales successives. La pièce une fois complètement polymérisée, le liquide actif est remplacé par un solvant de nettoyage, puis durcie aux UV, car les pièces contiennent encore des bulles de liquide non polymérisé. La pièce est ensuite sortie du liquide et termine son durcissement à la chaleur dans un four à air chaud.

La précision du système est inférieure au millimètre et dépend de la vitesse de travail et de la forme de l'objet. Les formes plus massives sont plus précise, car le modèle reste plus rigide durant le processus.

Une limitation géométrique importante subsiste toutefois : il est interdit de créer dans une tranche (sauf dans la première) un îlot isolé de matière non relié au corps du modèle. Pour contourner la difficulté, on peut ajouter à l'objet des 'jambes' verticales depuis la première tranche pour supporter ces points bas. Les jambes en question seront enlevées au couteau par la suite.

Cette technique ne permet pas de réaliser des pièces fonctionnelles, mais elle donne rapidement des modèles d'objets de forme très complexes. Les systèmes actuels ont des cuves de 30 à 67 centimètres de côté environ (cuves de 35 à 300 litres). De tels systèmes coûtent environ 170.000 à 200.000 € pour le petit modèle SLA-250 et 450.000 € pour le gros modèle SLA-500. 3D Systems avoue avoir vendu un millier de machines (en date du 01/01/97). Les pièces obtenues peuvent atteindre une taille maximale de 50x50 cm de côté et une hauteur de 61 cm avec le SLA-500 et 25x25x25 cm avec le SLA-250. Les premiers acheteurs de ce type de machines ont été Apple pour les pièces de boîtiers d'ordinateurs et Martin Marietta qui fabrique des satellites et autres vaisseaux spatiaux.

Il existe des variantes à la méthode. Ainsi, la société DTM d'Austin dans le Texas, remplace le liquide par de la poudre, qui est polymérisée par la chaleur du faisceau laser. SLS ne vend pas ses machines, mais les loue pour 15.000$ par mois (15.000 €). Perception Systems de Easley en Caroline du sud, utilise le principe de l'imprimante à jet d'encre pour projeter un matériau gonflant sur le plateau où se forme la pièce. Le procédé est appelé BPM pour Ballistic Particle Manufacturing.

Stratasys utilise une tête thermique pour déposer un fil de cire ou de Nylon qui durcit au contact de l’air. La tête est pilotée en 3 axes par une commande numérique. Les résultats sont moins bons mais beaucoup moins chers qu’avec une SLA-500.

Les machines à base de fil de cire ou de nylon portent le nom de machines de sintérisation. On en trouve à partir de 25000 Euros.

On peut trouver en Belgique au moins deux machines de stéréolithographie SLA-250, au CRIF de Liège et au CRIF de Louvain ainsi que quelques machines moins chères (genre Stratasys).

Cette page est copyright B.Michel, 2009