Fabrication par usinage

7/25/2019 Fabrication par usinage

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Sous la direction deMichel Colombi

Jean-Pierre Cordebois et coll.

FABRICATIONPAR USINAGE

2edition


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Nouvelle prsentation 2013 Dunod, Paris, 2003, 2008

ISBN 978-2-10-059861-8

Photo de couverture : Maurizio Targhetta Fotolia.com


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III

TABLE DES MATIRES

Avant-propos V

Liste des collaborateurs VII

1 La production mcanique 11.1 Place de la production dans le cycle de vie du produit 1

1.2 Intgration produit-processus 13

2 Le prototypage rapide 252.1 Introduction 25

2.2 Quest-ce quun prototype ? 28

2.3 Moyens conventionnels de prototypage 29

2.4 Procds de distribution de matire ou prototypage rapide 332.5 Duplication de pices 43

2.6 Conclusions 48

3 La mise en uvre des bruts 493.1 Techniques de moulage 49

3.2 Techniques de forge 81

3.3 Emboutissage des mtaux 95

3.4 Techniques de soudage 106

4 CAO et FAO 1374.1 Introduction et concepts 137

4.2 Gnration de trajectoires, concept de base 143

4.3 Modlisation des surfaces complexes 147

4.4 Stratgies et techniques dusinage 167

5 La coupe des matriaux 181

5.1 Formation des copeaux 1815.2 Modlisation de la coupe 189

5.3 Matrise et prdtermination des tats de surface 216


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IV

5.4 Contraintes rsiduelles dans les surfaces usines 227

5.5 Usinabilit des matriaux 234

6 Les outils de coupe et leur mise en uvre 2476.1 Description des matriaux de coupe 247

6.2 Gomtrie des outils de coupe 270

6.3 Fluides de coupe 273

6.4 Usure des outils 282

6.5 Matrise des copeaux en production 299

6.6 Prdtermination et matrise des oprations dusinage 304

7 Les machines-outils 311

7.1 Cellule lmentaire dusinage 3117.2 Modlisation de la machine 320

7.3 Mise en uvre 330

8 La prparation du travail 3498.1 Introduction 349

8.2 Concept dentit 353

8.3 Conception logique de la gamme 361

8.4 Procdures mtier pour formaliser les processus dusinage 393

8.5 Isostatisme 402

8.6 Validation dune gamme par simulation : cotation de fabrication 413

8.7 Rglage dune fabrication dans la cellule lmentaire dusinage 432

9 Qualit et mtrologie 4439.1 Systme de management de la qualit 443

9.2 Matrise de la production 448

9.3 Spcification et vrification de la gomtrie des produits 471

9.4 Contrle des formes gauches 490

10 Techniques dobtention spcifiques 50510.1 Rectification 505

10.2 Tournage dur 517

10.3 Usinage par lectrorosion 524

10.4 Usinage lectrochimique 533

10.5 Dcoupage 542

Bibliographie 571

Index 579


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unodLaphotocopienonautoriseestundlit.

AVANT-PROPOS

Ce livre est le fruit dun travail collectif. Les diffrents auteurs enseignent au Conser-vatoire des Arts et Mtiers dans la filire Production automatise , Paris ou enprovince. En consquence son contenu est fortement influenc par les programmes

des enseignements dispenss dans cette formation.Cet ouvrage na pas la prtention de faire un point exhaustif sur lensemble des pro-blmes relatifs lusinage, par contre, il aborde certains sujets qui nous ont paruopportuns. Certes ce ne sont pas les seuls, mais il a fallu se limiter et donc faire deschoix.Nous avons galement tenu aborder, souvent de faon rapide, des technologies quiont une incidence sur les oprations dusinage, ainsi des chapitres sont consacrs ausoudage, la fonderie, la forge et lemboutissage. Des techniques complmen-taires lusinage sont galement voques.Les publics concerns sont constitus de professionnels travaillant en entreprise

dans les secteurs de la production des pices mcaniques, denseignants et dtu-diants. Le niveau vis couvre les comptences du technicien et de lingnieur.Comme tout ouvrage collectif, des problmes darticulation et dharmonisationdes contributions se sont poss. Ils ont t rsolus au mieux ; si certains subsistent,ils ne devraient pas altrer la comprhension du propos.Pour terminer je souhaite remercier tous les auteurs, qui ont t sollicits dans uncontexte surcharg. Que Benot Furet, Pierre Franois et Olivier De Smet trouventici lexpression de ma gratitude, pour le travail de relecture et le soutien informa-tique de lentreprise.

Jean-Pierre Cordebois


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VII

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LISTE DES COLLABORATEURS

Michel Chambe, ENI de Saint-tienne. Alain dAcunto, ENSAM de Metz. Michel Dursapt, ENI de Saint-tienne.

Pierre Franois, CNAM Paris. Benot Furet, IUT de Nantes. Jean-Franois Gunal, IUT de Limoges. Jean-Michel Le Meur, Rectorat de Crteil. Patrick Martin, ENSAM de Metz. Luc Mathieu, CNAM Paris. Franois Mollet, Lyce de Nogent-sur-Oise. Yves Pouzaint, IUT de Nantes.

Jol Rech, ENI de Saint-tienne.


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1 LA PRODUCTION MCANIQUE1

1.1 Place de la production dans le cycle de vie du produit

1.1.1 Le systme entreprise/fonction industrielle

m Le contexte

Lentreprise constitue un systme complexe dont les activits rpondent la fois des objectifs techniques, conomiques, humains, sociaux Il est trs difficile denavoir une image complte suivant le niveau danalyse (global, local approfondi, court terme ou prospectif), le point de vue (management, financier, commercial,technique), lobjectif recherch (analyse de flux, de lorganisation, de la struc-ture). Nous allons prciser les objectifs gnraux, les contraintes, les diffrentsaspects afin dune part de situer les activits de conception et de fabrication et

dautre part didentifier les connaissances, les informations, les traitements mobi-liser pour rpondre aux objectifs de lentreprise.Nous nous plaons dans le cadre de la production mcanique qui a pour fonctionla ralisation densembles mcaniques commercialiss comme les produits finisobtenus par transformation de produits bruts et rpondant aux spcificationstechniques et aux fonctions de service. Les systmes mcaniques comportent unensemble de pices en trois dimensions dont certaines sont en mouvement les unespar rapport aux autres ou bien assembles dune faon permanente (soudage, collage,rivetage) ou non (boulonnage) et soumises des efforts ou des contraintes. Lesmatriaux utiliss sont essentiellement mtalliques, la mise en uvre dautres

matriaux comme les matriaux plastique, les composites, les matriaux base debois relvent galement de la mme problmatique. Une contrainte forte dansla ralisation de pices mcaniques est la ncessit dobtenir des pices de hautequalit (dimensions, tat de surface gomtrique et technologique) afin derpondre aux spcifications de tenue dans le temps et aux diffrentes sollicitations(efforts, temprature), par des processus irrversibles sujets alas mettant enuvre des procds et des moyens de fabrication ayant une prcision limite etdun cot lev. Cette exigence de qualit, associe la diminution des cotscomme des dlais se place dans un processus damlioration permanente. Aussiest-il ncessaire davoir une connaissance la fois suffisamment approfondie et

synthtique de la fabrication mcanique afin de matriser la mise en uvre de la

1. Par Patrick Martin.


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1.1 Place de la productiondans le cycle de vie du produit

1 La production mcanique

production dans un contexte de conception et de fabrication intgres. Cetteconnaissance se formalise par des dmarches, modles, mthodes et outils dontles principaux sont prsents dans cet ouvrage.

m Le systme entrepriseRappelons tout dabord la dfinition dun systme afin de situer le contexte de laproduction mcanique, avant de prciser les types dorganisation et les diffrentsflux qui traversent lentreprise.Un systme est un objet qui, dans un environnement, dot de finalit, exerce uneactivit et voit sa structure interne voluer au fil du temps, sans quil perde pourtantson identit unique (Le Moigne, 1994). Il est constitu de sous-systmes possdantleurs fonctions ayant des objectifs partiels mais des corrlateurs entre eux. Chaquesous-systme est caractris par des flux dinformations (achats, produits, valeur,

quantit) quil gnre et qui permettent de prendre des dcisions (piloter la pro-duction) diffrents niveaux par un systme de boucles de retour permettantdassurer les objectifs globaux de lentreprise.Le systme entreprise se caractrise par :

les flux ;

les paramtres ;

la structure ;

lorganisation ;

les vues : physique, organisationnelle, logistique.M Les flux

La figure 1.1 base sur un formalisme du type IDEFO (ou SADT) (IGL, 1989)permet de mettre en vidence les principaux sous systmes qui caractrisent le sys-tme entreprise (Roboam, 1988), elle met en vidence les flux qui traversentlentreprise. Les flux physiques (en gras) des pices, de la matire premire auproduit fini, subissent des transformations (mise en forme, usinage, assemblage,traitement thermique) qui leur apportent leur valeur ajoute ; ils constituentles flux les plus voyants. Mais lensemble des actions est command par des flux

de dcisions (planification, ordres de fabrication, du trs court terme au longterme) prises partir des donnes (commerciales, de production, stock, gammes,temps, personnels) et ceci diffrents niveaux. Bien videmment les flux finan-ciers (achat, ventes, rmunrations, impts) constituent un flux sous-jacentpermanent.

M Les paramtres

Les paramtres dfinissent les critres principaux permettant didentifier et de classerles entreprises :

activits : extraction, agriculture, production, distribution, service ; produits : matires premires, produits industriels, produits de consommation,

biens dquipement ;


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production : grandes sries, petites et moyennes sries, process, sur devis ;

personnel : haut niveau, trs qualifi, peu qualifi ;

investissements : trs lourds, importants, lgers, quasi nuls ;

recherche et dveloppement : innovation, mode, moyen, nul ;

clientle : grand public, industriels, administrations, artisans, agriculteurs, distri-bution directe, dtaillants, grossistes, dpts, concessionnaires, grande distribu-tion, par correspondance ;

structure industrielle : usine unique, plusieurs usines nationales, plusieurs usi-nes internationales.

M Lorganisation

La structure de lentreprise est dfinie par son organigramme, lequel dpend de lataille de lentreprise, du type de produits fabriqus, de son historique. Dans lesgrandes entreprises, les fonctions sont mieux dfinies, alors que dans les PMI, plu-sieurs fonctions peuvent tre assures par la mme personne. Lvolution technolo-gique, la rponse rapide au march, la mondialisation des changes conduisent denouvelles structures, lorganisation matricielle couplant les fonctions techniques au

niveau dun mme produit. Lorganisation en plateau projet, le concept dentreprisetendue associant plus troitement donneur dordre et co-traitant sont autant desystmes organisationnels apparus ces dernires annes.

systmecommercial

environnement stratgie dveloppement entreprise

systme stratgique

systme deproduction

systme dedistribution

systme administratif

flux matire

fluxfinancier

politiquecommerciale

politiquede production

politiquede distribution

ressources financires

besoinsclients

possibilitsentreprise

performances

commandes produitsvendus

Figure 1.1 Le systme entreprise.


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M Le sous-systme production

On peut trouver diffrentes dfinitions concernant lactivit production, lvolutionen terme dintgration conduit lui donner un sens large (Pourcel, 1986). La direc-tion de la production exerce des fonctions techniques, conomiques et humaines enassurant les activits suivantes : concevoir : recherche, dveloppement, dimensionnement, industrialisation ;

approvisionner : acheter, transporter, emmagasiner ;

fabriquer : prparer, transformer, assembler, transfrer ;

piloter : grer, planifier, contrler (qualit, suivi de production), exploiter (main-tenir, former).

Ces activits sont lies, ce qui en fait la richesse mais aussi la complexit. Le sous-systme production comprend des services oprationnels et des services fonc-tionnels.

Les services oprationnels

Fabrication : sa mission est de fabriquer dans les conditions de quantit, qualit,dlais, les produits suivant les ordres de fabrication labors par le service lance-ment ordonnancement.

Rception-expdition.

Outillage.

Maintenance. Manutention.

Les services fonctionnels

Lapprovisionnement a pour but de pourvoir lentreprise de lensemble desfournitures et des services ncessaires la ralisation de ses activits dans lesquantits, qualit, dlais ncessaires aux meilleures conditions de prix.

La fonction tudes effectue partir des spcifications client ltude de faisabilit,

les notices de calculs, lestimation des cots, les nomenclatures, les dessins dedfinition.

La fonction mthodes (ou industrialisation) est charge de la prparation tech-nique du travail, cest--dire de dfinir les moyens ncessaires pour la ralisationoptimale du produit. court terme, il sagit dlaborer le dossier de fabrication :gamme de fabrication, choix des machines, dfinition des montages dusinageset des outils, dessins de fabrication, partir des dessins de dfinition des pices raliser, des quantits raliser et connaissant les capacits et capabilit desquipements, des possibilits de sous-traitance. moyen terme, il sagit dlabo-rer les devis, damliorer les moyens de fabrication, dtudier les postes de travail

et les implantations des machines. long terme, il sagit de rechercher de nou-veaux moyens de fabrication, de nouveaux procds, de participer aux choix denouveaux quipements.


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La fonction lancement-ordonnancement assure le pilotage de la production moyen terme et court terme partir des besoins commerciaux (quantits, dlais)et des disponibilits des ressources de production.

1.1.2 Place de la production dans le cycle de vie du produitLa ncessit de rpondre la fois aux directives lgislatives et conomiques imposedavoir une approche globale sur lensemble du cycle de vie du produit. Il est nces-saire de prendre en compte ds la conception la fois les contraintes (techniques,conomiques, logistiques) dfinies par les fonctions de service, mais aussi celles defabrication (usinage, moulage, mise en forme, assemblage) comme de dmant-lement. Le produit se place ainsi dans un cycle (figure 1.2) et les donnes associesdoivent assurer la cohrence des informations, leur traabilit, dans le cadre de laconception et fabrication intgres.

1.1.3 Pilotage de la production

La gestion de la production a pour but la synchronisation de lensemble des actionsde production agissant sur les flux de matire qui traversent lentreprise, en tenantcompte des contraintes et des critres de performance, partir de ressources physi-ques, humaines et financires (Courtois, 1995).

m Les ressources

Physiques : machines, outillages, matriels de manutention, emplacements

Humaines : nombre, comptences Financires : trsorerie, emprunts

m Les contraintes internes

Techniques : performances et disponibilits des ressources, quantit dinforma-tions, fiabilit, alas

Organisationnelles : structures et objectifs des services.

Financires.

Humaines et sociologiques : horaires, ergonomie, scurit

m Les contraintes externes

March.

Lois et rglements

m Les critres

Ils sont en gnral contradictoires :

rpondre la demande en dlai, en diversit des produits, en qualit ; minimiser les cots ;

assurer le maximum de productivit, de production ;


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tudedesatisfactiondesutilisa

teurs

stratgiecommerciale

suivi

commerci

al

contraintes

deproduction

contraintesdefabrication

protectionde

lenvironnement

leproduittelquilest

con

ception

industrialisation

recyclage

descriptiondu

produit

commentfabriquerleproduit

faisabilit

production

leproduitexploit

produitspcifi

produitralis

analysedubesoin

commercialisation

suivitechniqueetcommercial

besoinidentifi

produitlivr

identif

icationdubesoin

utilisationd

uproduit

Figure1.2Lecycledevieduproduit.


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diminuer les stocks et en-cours ; rduire le cycle de production.

1.1.4 Horizons de dcision

Grer cest prvoir, il est donc important de bien avoir lesprit la notion dhorizonde dcision, les actions associes et leurs objectifs. On distingue classiquement troisniveaux : stratgique, tactique et oprationnel auquel on peut ajouter le pilotagedatelier trs court terme. Chaque niveau est dfini par son horizon H de dcisionet par la priode P daffinement de celui-ci.Le niveau stratgique ou long terme ( 5 ans, 1 an) tablitle plan dactivit, cest--dire le potentiel productif, sa localisation, les gros quipe-ments, la diversification de lactivit de lentrepriseLe niveau tactique moyen terme ( 6 mois, 3 mois) tablit le

plan industriel et commercial, cest--dire le programme de production sur lesfamilles de produits, il formalise le cap que suivra lentreprise dans les mois veniret assure le lissage des charges globales. Pour effectuer ces traitements, il est nces-saire de disposer des macrogammes qui fournissent la charge globale ncessaire parcentre de charge pour identifier les postes goulets, les matires premires et articlesstratgiques.Le niveau oprationnel court terme ( 1 mois, 1 semaine) tablit le plan directeur de production, cest--dire les approvisionne-ments, les besoins en matires et composants, la rpartition des charges. Il assurela traduction du programme de production (ventes et estimations commerciales)en un plan exprim par un chancier de produits fabriquer en sappuyant surles gammes opratoires. Celles-ci fournissent, partir des gammes de fabrication,les lments indispensables ltablissement du plan directeur de production ;il sagit de la liste ordonne des postes ncessaires, les ressources ncessaires et lestemps (prparation, manutention, fabrication) prvus. Afin de pouvoir assurerladaptation de la production ses objectifs en temps rel et aux disponibilits desmoyens de production, la fonction mthodes devra fournir des variantes de gam-mes. En effet ltablissement des gammes peut se faire plusieurs mois avant laralisation des pices sans que lon connaisse la disponibilit des quipements oula taille de la srie.Le niveau oprationnel trs court terme ( 1 semaine, P en tempsrel) assure la gestion datelier en temps rel (rpartition des charges, des personnels)en sappuyant sur le planning datelier ou la simulation connaissant les gammes defabrication exactes et les capabilits des moyens de production.

1.1.5 Typologies de production

Compte tenu des typologies de production, des produits fabriquer, des horizons dedcision, on trouvera diffrentes mthodes de gestion et la prcision des dcisions(dure alloue, poste de charge). On distingue classiquement les typologies

suivantes (Pourcel, 1986).

H 3= P 6 mois=

H 4= P 2=

H 3 jours= P 1 jour=

H 1 jour=


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m Les typologies de production suivant la vue rptitivit

M Fabrication continue (process shop)

Elle traite des quantits importantes de produits peu diffrencis, utilise des lignes

de production constitues de machines vocation particulire ; les produits circu-lent trs vite grce des systmes de manutention automatiques (tuyaux, pompes,convoyeurs). On produit sur stocks tablis de manire prvisionnelle, il y a peudordres de fabrication et les stocks den-cours sont trs faibles. Lobjectif estdquilibrer au maximum les postes dune part et dviter tout arrt imprvu delinstallation (entretien prventif). Les oprateurs sont peu qualifis et assurent lasurveillance. La phase tude, conception de linstallation, choix du process est trslongue et importante. Lindustrie agroalimentaire ou chimique correspond cetype de production.

M Fabrication linaire en grande srie (flow shop)On fabrique en grande srie des pices appartenant une mme famille sur unensemble de machines ddies relies par un systme de manutention automatique.La production se fait sur stock avec un stock important de matire premire et peuden-cours. Les caractristiques de ce type de production sont comparables au

process shop, la conception du produit, comme des moyens de production, est longueet coteuse afin dassurer loptimisation des flux et des conditions opratoires, larduction des temps et des cots de production. La fabrication automobile ou debiens dquipement se situe dans cette catgorie.

M Production discontinue (job shop)

Il sagit dateliers vocation polyvalente disposant de machines commande num-rique (centres dusinage, tours) et de machines conventionnelles. Les charges desdiffrents postes ne sont pas quilibres et les en-cours restent nombreux ; on a unesurcapacit de production pour les machines courantes et quelques postes gouletsdtranglement. Les ateliers comportent des machines-outils conventionnelles et deplus en plus de machines commande numrique. Les ordres de fabrication sonttrs nombreux, lobjectif est dassurer les dlais et le plein emploi des personnels(gestion par la charge). Ceux-ci sont polyvalents et assurent une partie de la prpa-

ration du travail. Lactivit de sous-traitance ou de ralisation de prototype se classedans cette catgorie. La rduction des dlais de fabrication peut se raliser par uneautomatisation des manutentions (chargement-dchargement en temps masqu surles machines quipes dune double palette, robot de chargement, lots automatissde fabrication pouvant travailler de nuit sans oprateur) dune part, dautre part parune rduction des temps de fabrication (usinage grande vitesse). Ce type de fabrica-tion correspond aux petites et moyennes sries, souvent de sous-traitance. Lentre-prise travaille sur cahier des charges ou spcifications dfinies par le client.Dans certains cas, ces ateliers peuvent tre ddis aux pices unitaires (maintenance,prototype, pices spcifiques) ou de trs petites sries. Des quipements spci-

fiques de prototypage rapide permettent la ralisation de pices de prsentation entrois dimensions, des outillages de prsrie, des pices dessais par des procdsnouveaux permettant dobtenir des formes trs rapidement par rapport aux moyens


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dusinage conventionnels. Lentreprise est matresse de son savoir-faire et de sa capa-cit de production, les ouvriers sont trs qualifis.

M Fabrication la commande (job order) ou par projet

Il sagit de grands projets : grands travaux, construction navale Lentreprise a tchoisie pour son savoir-faire et sa capacit de production, les personnels sont trsqualifis, la manutention est importante. La gestion devra matriser les dlaisdtude et de ralisation, les cots de ralisation ; elle sappuiera sur les mthodesde gestion de projet et lutilisation de la mthode PERT.

m Les typologies de production suivant la vue produit/process

On dfinit les configurations de base : divergente (dbit), linaire (transformationde pices), convergente (assemblage de pices pour raliser des sous-ensembles et des

produits). Il existe galement des combinaisons possibles de ces configurations.m Les typologies de production (AFGI)

LAssociation franaise de gestion industrielle (AFGI) a propos (figure 1.3) unregroupement des points de vue prcdents auquel sont ajoutes la rponse lacommande et la nature de la valeur ajoute dfinissant ainsi diffrents types deproduction pour lesquels les mthodes utilises, ou les donnes utiles, doivent treddies pour assurer le pilotage.

4edimension :nature de la valeur ajoute transformation physique savoir-faire d'tude savoir-faire technique

service

PRODUCTION CONTINUE

GRANDES SRIES

PETITES et MOYENNESSRIES

UNITAIRE

RPTITIVIT

STRUCTUREPRODUITPROCESS

RPONSE DU MARCH

livrsur

stockconu la

commande

fini la

commande

fabriqu la

commande

Figure 1.3 Les typologies de production (AFGI).


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1.1.6 Les aspects conomiques

m Notion de srie conomique

Ce calcul thorique permet dapprhender cette notion ; par contre lutilisation de

la formule de Wilson devra se faire avec prcaution et souvent tre interprte aucas par cas.Il sagit de dterminer la quantit optimale lancer qui assure le meilleur com-promis entre le cot de lancement (/s) dune srie correspondant la prpara-tion de la machine et la prise de connaissance du dossier de fabrication dune partet le cot de possession dun article fabriqu (/a/p) pendant une priodep(1 an par exemple), somme du cot de stockage et du cot de dprciation. Onsuppose que la consommation est une fonction linaire du temps et que la priodede fabrication de la srie de pices est constante (figure 1.4a).

Le cot total de fabrication pendant la priode considre (1 an par exemple)est la somme du cot de lancement dun lot, du cot de possession et du cot defabrication.Soit Dla demande pendant la priodepconsidre, Qla quantit lancer chaquelot (le nombre de lots par priode est donc ), le stock de scurit : le stockmoyen vaut donc .

La drivation par rapport Qpermet de calculer le lot conomique (figure 1.4b)et le nombre de commandes pour la priode (formule de Wilson) :

et (1.1)

Remarque

Le minimum de la courbe est relativement plat ; si Qvarie de 20 % autour de , le cot totalne varie que de 5 % environ. La quantit lancer varie comme la racine carre du besoin annuel,donc si celui-ci varie de 50 % la quantit lancer ne sera augmente que de 22 %. Ce modle cor-

respond une production stabilise ; dautre part la formule est mise en dfaut ds lors que les lotspassent sur diffrentes machines pour lesquelles nest pas identique, ou bien lors de lassemblagele nombre de sous-ensembles devra tre identique afin dviter davoir des pices restantes ; il seradonc ncessaire davoir un raisonnement global.

Q

Cl

Cp

Q

T temps

SS

Ct

QQ*(a)

Figure 1.4 Srie conomique.(a) volution de la quantit en stock en fonction du temps. (b) Quantit optimale.

(b)

Ct

D Q SsSs Q 2+

QN

Q2 Cl D

Cp---------------------= N

D

Q------

Cp D

2 Cl---------------= =

Q Ct

Q


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m Cot de fabrication et choix des conditions opratoires

La prcision dans le choix des conditions opratoires, donc les temps que lonalloue pour cette dtermination, dpend des gains de temps esprs, des gains deproductivit en grande srie ou des risques pris.Par exemple, calculons le cot dusinage dune longueur L en tournage avec uncot de changement doutil et un cot de pnalit associ la probabilit Pde bris prmatur doutil (Martin, 1980) :

(1.2)

avec : le cot total de lusinage ; le cot dutilisation de la machine par unit de temps ;

le cot de changement dun outil ; T la dure de vie moyenne de loutil : ; le temps dusinage : ; V la vitesse de coupe et la vitesse de coupe optimale sans pnalit :

; le nombre de changements doutils ; P la probabilit de bris doutil,la loi de distribution de la dure de vie par rapport la valeur moyenne est consi-

dre comme normale (dcart type ) dans le systme de coordonnes ,:

et (1.3)

Lorsque augmente, les courbes , paramtres en , passent par unminimum (figure 1.5) qui correspond une vitesse de coupe Vde plus en plusfaible, et sont de moins en moins vases. Ainsi plus le risque est grand, plus lavitesse de coupe devra tre faible et choisie avec prcision.

m Estimation du temps indirect optimal

Le temps de prparation ou le temps mis pour tablir un devis peut tre plus oumoins long suivant la difficult de fabrication, la connaissance que lon a du proces-sus de fabrication, la taille de la srie et le gain de cot (de temps) espr. Aussi aura-t-on toujours un compromis entre le cot indirect de prparation qui se rpartit surla quantit produite et le gain financier. Illustrons par un exemple ce compromisentre le gain de production espr et le cot ncessaire lobtention de ces meilleuresconditions, en dterminant le temps (li directement au cot) indirect optimal(Halevi, 1995).

Soit , le temps indirect . Dans cette relation est fixe, cest letemps pass pour laborer un premier processus de fabrication, est variable,cest le temps pass pour gnrer des alternatives et obtenir loptimum.

Cp

Cu Ch tu Cs+ T tu Cp+ P=

CuCh

CsV Tn constante=

tu tu D L V vf =V

V C Ch n Cs 1 n( )( )( )n

=

T tu

x Vlog=y Tlog=

VTn

Cn= P1

2----------- eu

22du

=

Cp CuV V( ) Cp

Ti Tif Tiv+= Ti fTiv


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est le temps de fabrication direct, variant de tel que :

Le cot total de prparation et de fabrication est donn par :

avec le temps de prparation, le cot horaire de prparation du poste de travail,le cot horaire direct, le cot horaire indirect, Qla quantit fabrique.

La drivation du cot Cpar rapport donne :

Application numrique

Avec et , , une premire estimation en un tempsdonne , la dure dusinage optimale vaut 0,42 min, donc le

temps de rflexion conomique est de 16,4 min.

00 0,5 1 1,5

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

CP= 10

CP= 100

CP= 1 000

CP= 10 000

V / V*

Cottotal

Figure 1.5 volution du cot dusinagecompte tenu dun cot de pnalit pour bris doutil prmatur.

Td Tdmax Tdmin

Td Tdmin Tif Tdmax Tdmin

( ) Ti+=

C Q Chd Td Chi+ Ti cs Ts+=

Ts csChd Chi

Ti

Ti2

Q Tdmax Tdmin

( )Tif

Chd

Chi--------=

Chd 40 /h= Chi 20 /h= Q 100 pices=Tif 3 min= Td 1,1 min= Tdmin

Tiv


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1.2 Intgration produit-processus

13

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1.2.1 Introduction

Aujourdhui, lobjectif commun aux entreprises, tre comptitif en terme decot, de ractivit et de qualit dans un contexte de diversification et de fluctua-tion du march, de mondialisation, de comptitivit accrue , a conduit au dve-loppement du concurrent engineering (Sohlenius, 1992 ; Tollenaere, 1998) et lentreprise tendue, cest--dire une modification complte de la chane concep-tion industrialisation. Parmi les facteurs principaux influents on peut citer :

la mondialisation du march et des sites de production (e-business, e-manu-facturing) ;

les nouvelles relations client/fournisseur, laugmentation du nombre de parte-

naires et le dcloisonnement des services ; la rduction de la taille des sries et des dlais de conception comme de rali-

sation ;

le cot dun produit, engag 80 % au niveau de la conception ;

le dveloppement de la simulation numrique et de lintgration des donnes etdes informations (usine numrique) ;

le dveloppement de lintgration des fonctions marketing, conception, fabri-cation, logistique, planification.

Dans ce cadre, au niveau des techniques de production mcanique, une rponseconsiste dans la conception et la fabrication intgres (ingnierie intgre, concou-rante, simultane, ingnierie de processus, intgration produit-processus). Parprocessus, nous entendons la fois les procds (forge, fonderie, emboutissage,usinage, assemblage, prototypage rapide), les moyens de production (machines,outillages), les conditions de mise en uvre (mise et maintien en position, condi-tions opratoires), lordonnancement des oprations et la structure de linstalla-tion. Les contraintes de fabrication (procd, capabilit, formes ralisables,prcision) doivent tre prises en compte, simultanment aux contraintes cono-miques (cots), logistiques (dlais, ractivit, taille des sries) ou lgislatives

(recyclage, scurit), le plus tt possible dans la conception des produits et dessystmes de production. Les sous-traitants devenus quipementiers, partir desspcifications gomtriques et technologiques dfinies par le client, sont amens concevoir la pice en fonction de leurs comptences et ressources (systme de pro-duction). Le concepteur a un rle de dfinition fonctionnelle des constituants, dedimensionnement compte tenu des sollicitations subies par le produit. La dfi-nition dtaille des pices est ralise par le fabricant qui mobilise ses comptenceset son exprience. Laugmentation de la qualit, la diminution des dlais et descots conduisent introduire de nouvelles technologiques, par exemple lusinagegrande vitesse. Ainsi, la rduction du nombre de phases dans la fabrication dun

produit est un des nouveaux lments prendre en compte dans la conception duproduit et du processus de fabrication.


22/47

14

1.2 Intgration produit-processus1 La production mcanique

Ainsi il est ncessaire de structurer, formaliser, reprsenter (donnes et traitements)les connaissances et contraintes en sappuyant sur les donnes exprimentales(procds et moyens) et sur les modles reprsentatifs des conditions industriellesafin de raliser une intgration cohrente des connaissances des diffrents mtiers

utilisant les modles, mthodes et outils appropris de faon rpondre auxobjectifs doptimisation de la production. Ce concept est illustr figure 1.6 (Martin,novembre 2002). Un des objectifs de cet ouvrage est de prsenter ces connais-sances de production mcanique (modles, mthodes, outils) qui sinscrivent dansce contexte de la conception et fabrication intgres. Nous allons illustrer par deuxexemples cette intgration ( 1.2.3 et 1.2.4).

1.2.2 Les diffrents tats des modles utiliss

Depuis les spcifications fonctionnelles jusqu la ralisation du produit, des modles

plus ou moins prcis sont utiliss, lis aux hypothses faites sur la prise en comptedes contraintes de fabrication, aux performances des supports utiliss (logiciels,traitements, commande numrique). Ceci est dautant plus crucial que les sur-

Procd :Usinage, rectification,forge, emboutissage

Contexte : Entreprise tendue, conception et fabrication intgres,nouvelles relations donneurs dordre co-traitants.

Objectifs : Traabilit technologique, prcision, optimisationglobale.

Contraintes : Pertinence, prcision, compltude des modlesconomiques, ractivit, lgislatives, scurit

Processus de fabricationquipements de fabricationPices fabricablesProcessus de qualification

Modles, mthodes, outils :

Modlisation, reprsentation, simulation,exprimentation

Produit :Fonctions, structure,

matriau,forme et surface

Ressources :Machines, outillage

Figure 1.6 Schma de rfrence de la dmarche dintgration produit/process.


23/47


15

D



faces sont complexes et que lusinage est ralis grande vitesse (Duc, 2001). Ainsiune perte dinformations, associes aux connaissances sur les fonctions du produitou sur les hypothses relatives au procd et au processus de fabrication, a lieu toutau long de la chane numrique. Cette perte est compense par les utilisateurs qui

doivent rester vigilants et possder une bonne connaissance des performances etlimites des outils utiliss ainsi quune vue globale de lensemble du processus deconception-fabrication. Les diffrents tats du produit, les hypothses ou lescontraintes associes sont prsents dans le tableau 1.1, nous allons les illustrerpar quelques exemples. Ce tableau permet de montrer la traabilit technologiqueentre les diffrents modles utiliss.En usinage de formes complexes, la FAO a pour objectif dlaborer le programmede commande numrique permettant de raliser la surface laide dune fraisesphrique ou torique, une prcision donne. Ceci ncessite, partir du modlegomtrique CAO, le calcul du balayage de la surface qui respecte un pas longitu-dinal et un pas transversal donns, dtermins par une position tangente de loutilsur la surface. Les programmes de commande numrique gnrs sont souvent cons-titus dune suite de petits segments de droite raliss par interpolation linaire. Afindviter certaines sollicitations sur la chane cinmatique, le directeur de commandenumrique limite les acclrations. Ainsi toute transformation mathmatique lie audcoupage des fonctionnalits de chaque support introduit des erreurs. On peut,pour certaines surfaces (Bauchat, 1999), gnrer directement la trajectoire du centrede loutil en interpolation circulaire. Il est donc ncessaire, en particulier en usinagegrande vitesse, de construire directement la trajectoire qui respecte les contraintes

fonctionnelles afin dobtenir de meilleures prcisions (Duc, 2001).Le contrle final de la pice se fait par comparaison avec un modle gomtriqueintermdiaire thorique dans lequel la fonction de la pice a dj t interprte engnral pour faciliter la lecture ou la mesure compte tenu des moyens disponibles un certain moment (moyens de mesure, algorithmes de calcul). Ceci conduit une augmentation du temps de ralisation et de contrle, et une augmentation dunombre de pices rebutes. Ainsi on a pu montrer que la procdure de contrle despignons (choix des points mesurs et algorithmes de traitement) peut tre amlioreen cherchant mieux sapprocher de leur fonctionnalit (cinmatique ou gom-trique) (Baudouin, 2001).

1.2.3 Conception dun systme de fabrication ddi la grande srie

Nous nous intressons ici au dveloppement dun systme de fabrication (Martin,octobre 2001), qui constitue un produit particulier, mais unique. Ce systme devrapermettre de fabriquer des produits en grande srie appartenant une mmefamille et devra pouvoir voluer en fonction de lvolution technologique ou de lademande du march. Ainsi la conception du systme de production est directementlie la conception du produit. Larchitecture retenue devra rpondre (figure 1.7)aux exigences la fois technologiques, conomiques et logistiques, dans une

approche cohrente sappuyant sur une mthodologie, des modles et des outils.Les diffrentes phases de la dmarche et les outils ou les mthodes associs sontprsentes tableau 1.2.


24/47

16


Tablea

u1.1Lesdiffrentstatsdesm

odlesutilissenfabricationm

canique.

ta

tsduproduit

Actions

R

sultatsdesactions

Limitations

Donnesinitialesclient

Dfinirleproduit

FonctionsSpcifications

Schm

asdeprincipe

Nuagedepoints

Imp

rcision,incertitude,

donnesin

compltes

Modle

gomtrique

Reprsent

erleproduit

Mod

legomtriqueCAO

ModeleurCAO,reprsentationutilise

Arb

redeconstruction

Hyp

othsessurleprocddefabric

ation

Vue

fonctionnelleduproduit

Modle

technologique

Choixdes

caractristiques

technolog

iques

Donnestechnologiques

desca

ractristiquesduproduit

Util

isationdebasesdedonnestechnologiques

Exp

ertise

Modle

lmentsfinis

Calculdedimensionnement

duproduit

Mod

leCAOlmentsfinis

Modlelmentsfinis

Lois

decomportementutilises

Modle

FAOpice

PassagedumodleCAO

aumodle

FAOpice

Mod

leFAOdelapice

Modlisationlieunprocddobtention

(usinage,

forge,

fonderie,injection

)

Procduresdecalculdetrajectoire

Modlefacettis

Modle

FAOoutillage

PassagedumodleCAO

aumodle

FAOoutillage

Mod

leFAOdeloutillage

Passagedelapiceloutillage

Procduresdecalculdetrajectoire

Modlefacettis

Modle

technologique

opratoire

Choixdes

conditionsopratoires

etduproc

essusdefabrication

Donnestechnologiques

desco

nditionsopratoires

Modlisationdelinteraction

pice/outil/machine

Don

nesexprimentales

Exp

ertise


25/47

17


D


ta

tsduproduit

Actions

R

sultatsdesactions

Limitations

Modle

commande

numriq

ue

Ralisationduprogramme

commandenumrique

Programmecommande

num

rique

Procduresdecalculdestrajectoires

Fon

ctionsdinterpolation

Typedemachine(3ou5axes)

Modle

asservissement

Pilotaged

esmouvements

desmachines

Partie

commande

Performancesdesinterpolateurs

etd

elapartiecommande

Produitphysique

Ralisationdeloutillage

Pice

outillage

Prcisiondefabrication

Cap

abilitdesmoyensdeproductio

n

Produitphysique

Ralisationduproduit

Pice

finie

Prcisiondefabricationlieauprocd

Cap

abilitdesmoyensdeproductio

n

Produitqualifi

Contrle(

dimension,

qualit)duproduit

Comparaisonavec

lesspcifications

Donnesduproduitqualifi

Procduredepalpage

Cap

abilitdesmoyensdecontrle

Algorithmesdetraitement

Modlesdespcificationgomtriq

ue

outechnologique


26/47

18


Tableau 1.2 Dmarche de conception dun systme de fabrication.

Composantes de la dmarche Outils et mthodes

Phase 1 : Analyser la pice

Dfinir le posage de la pice (pens au momentde la conception)

Dessin de dfinitionIdentification de la surface dappui

Analyse des tolrances Mettre la pice en position isostatique

Analyse des contraintes de productivit

Phase 2 : Identifier les entits dusinage

Identifier les types dentits ExpertiseDcrire les relations gomtriques Analyse des caractristiques intrinsques de

lentit

Dfinir les relations topologiques Connaissance des 7 grandes relations

Localiser les entits Matrices en coordonnes homognes

Dfinir les listes ou les squences Relations dantriorits ou de simultanitdfinies par logique temporelle

Phase 3 : Choisir les types de dplacement par entit

Identifier les directions daccessibilit Polydre caractristique

Problmes de visibilit Sphre de Gauss

Dfinition du type de mouvement par entit Paraxial/positionnement/fixe/contournage/demi-axe

Phase 4 : Choisir larchitecture de la machine

Estimer des temps de dplacement etopratoires

Calcul de la dure de coupe, chronomtrage

Proposer larchitecture Logique temporelle, rseau de Ptri

Dtermination de configuration Mthode dHelgeson et Birnie, simulationde flux

Phase 5 : Choisir les quipements

Choix dquipements de la partie oprative Base de donnes quipements

Choix des actionneurs et de la partiecommande

Base de donnes, technoguide (ADEPA, 1989)


27/47


19

D



Afin de rpondre simultanment aux exigences de conception et de fabrication,remarquons que lutilisation du concept dentit constitue un lien fort entre ladfinition de la pice et la conception du systme de production associ. Ce concept,initi en France par le groupe GAMA (GAMA, 1990 et 1999, Tollenaere 1998),

permet la formalisation de lexpertise, la capitalisation du savoir-faire, et de disposertrs tt, en phase de conception, dinformations lies aux activits de ralisation.Dune faon gnrale, lentit est un groupement smantique (atome de modli-sation), caractris par un ensemble de paramtres, utilis pour dcrire un objetindcomposable utilis dans le raisonnement relatif une ou plusieurs activitslies la conception et lutilisation des produits et des systmes de production.La comparaison (tableau 1.3) entre les architectures de lignes pressenties pourassurer un compromis satisfaisant productivit/flexibilit/cot :

ligne transfert linaire, dite classique, compose de machines spciales(solution A) ;

ligne transfert linaire compose de machines lments modulaires(solution B) ;

ligne transfert linaire compose de centres dusinage CNC grande vitesse(solution C) ;

peut tre ralise par la mthode danalyse multicritres ADEQUA (aide la dci-sion de qualit).Elle sappuie sur la notion de critres destructif et slectif. Le premier liminerademble une solution possible si cette dernire ne rpond pas lexigence du critre.Le critre slectif saccompagne dune pondration dtermine dun commun accord

au sein du groupe de travail.

Tableau 1.2 (Suite) Dmarche de conception dun systme de fabrication.

Composantes de la dmarche Outils et mthodes

valuer les cots dinvestissement

Estimer les cots de production

Comparaison des solutions techniques possibles Mthodes ADEQUA

Phase 6 : Estimer la qualit des pices obtenues (prcisions, etc.)

Prise en compte de la gomtrie relle desmachines,

Torseur des petits dplacements, simulationnumrique

Prise en compte des dfauts de mise en position Torseur des petits dplacements, simulationnumrique

Contrler les accessibilits Simulation numrique


28/47

20


dessin de dfinitionspcifications techniques

gomtriedimensions

matriauappui

bridageaccessibilit

formetopologie

relations entre entitsprcision

puissancecouple

capabilitparamtres limites

capacit de production

type doprationmatriau usin

constitutiondimension

cotstaille srie

rptitivittemps

procdsressources

antrioritsdtermination

des surfaces dappui

comportement des picescomportement des outils

modle des procdscalcul d'optimisation

ENTITS

MACHINE

OUTILLAGE

PICE

contraintes

conomiques et logistiques

laborationdun process

de fabricationde pices

contraintestechniques

critresdvaluation

processusde fabrication

moyens

de fabrication

connaissances

modlesoutils

Figure 1.7 Les lments de base de la conception du systme de fabrication.


29/47


21

D



1.2.4 Interaction gamme de fabrication/gestion de la production

Traditionnellement la gamme de fabrication en petites et moyennes sries est ralisepar le bureau des mthodes qui labore lensemble des documents techniques pourlatelier et la gamme opratoire (liste ordonne des phases, ressources et temps asso-cis) connaissant les capabilits des moyens de production. La gamme opratoire

est directement utilise par la gestion de la production pour assurer la planificationet les ordres de fabrication. Cependant le dlai entre llaboration de la gamme et laralisation de la srie est plus ou moins long, les contraintes de production ne sont

Tableau 1.3 Tests sur critres destructifs et slectifs.

Confrontation PO PRO*

Critres destructifs A B C

Cots de production < 0,70 M oui oui oui

Puissance broche 7,5 kW oui oui oui

Capacits dimensionnelles > 600 mm3 oui oui oui

Confrontation PRO PROU*

Critres slectifs Pondration N NP N NP N NP

Flexibilit la plus grande possible 12 2 24 9 108 7 84

Vitesse et couple broche le plus possible 13 7 91 5 65 10 130

Nombre daccessibilits le plus importantpossible

11 6 66 6 66 8 88

Rigidit la plus grande possible 9 9 81 7 63 7 63

Vitesse de dplacement des axes la plus 12 7 84 7 84 10 120

Courses les plus grandes possibles 8 8 64 9 72 6 48

Prcision de guidage la plus grande possible 9 7 63 7 63 7 63

Prcision de positionnement des axesla plus grande possible

10 6 60 8 80 8 80

Fiabilit/robustesse la plus grande possible 9 8 72 6 54 7 63

Entretien le plus simple possible 7 6 42 9 63 6 42

Totaux 647 718 781

* PO : possible. PRO : probable. PROU : prouv.


30/47

22


pas directement prises en compte. La quantit de pices peut tre diffrente de celleinitialement prvue, les ressources prvues peuvent tre indisponibles ou satures(postes goulets), les cots dutilisation des ressources sont variables. En gnral, lebureau des mthodes privilgie la machine la plus productive, qui nest pas la moins

chre, et qui risque de devenir un poste goulet, aussi doit-il proposer des variantes degammes technologiquement possibles, la gestion de la production assurant le choixde la gamme opratoire en fonction de ses propres critres (cot, dlai, charge),des cots annexes (transferts, prparation des machines, rglages, montages picesou outillages), et de la disponibilit des moyens de production lors du lance-ment. Afin dobtenir les meilleures alternatives de gammes, par rapport diffrentscritres doptimisation, une approche par programmation dynamique (Bellmann,1957), utilise en recherche oprationnelle, peut savrer utile.

titre dexemple les tableaux 1.4 et 1.5 fournissent pour une pice simple, usineen 8 oprations (perage et fraisage), les temps de fabrication et les diffrentes

gammes possibles tries suivant les critres (daprs Halevi, 1995) : cot de fabrication ; temps de fabrication ; cot dinvestissement des ressources utilises.

Ainsi pour une pice unique ou une trs petite srie on choisira une machine uniquepour raliser toute la pice : machine 3, dure : 11,1 min, cot : 15,54 . Par contresi on veut privilgier les dlais, on choisira lalternative 5 : gamme : machines 1 et 6,dure : 5,87 min, cot : 20,4 .

Tableau 1.4 Donnes initiales : gamme, temps opratoires, antriorits.

Temps technologique rel (min) Cots de chaque opration ()

Opration Antriorit M 1 M 2 M 3 M 4 M 5 M 6 M 1 M 2 M 3 M 4 M 5 M 6

10 0 0,40 0,45 1,35 - 1,69 1,24 1,60 1,35 1,89 - 1,69 2,48

20 10 0,32 0,37 0,88 - 1,22 0,54 1,28 1,11 1,23 - 1,22 1,08

30 20 1,21 1,26 1,77 - - 1,36 4,84 3,78 2,48 - - 2,72

40 20 0,70 0,75 1,26 - - 0,85 2,80 2,25 1,76 - - 1,70

50 10 0,29 0,34 1,14 - 2,58 4,70 1,16 1,02 1,60 - 2,58 9,40

60 10 0,94 0,99 1,50 1,50 1,84 1,09 3,76 2,97 2,10 1,50 1,84 2,18

70 50 0,62 0,67 1,18 - 1,52 1,62 2,48 2,01 1,65 - 1,52 3,24

80 50 1,46 1,51 2,02 - 2,36 1,09 5,84 4,53 2,83 - 2,36 2,18


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23


D

unodLaphotocopienonautoriseestundlit. T

ableau1.5Classementdesalternativesdegammesuivantdiffrent

scritres.

Machine1

Machine2

Machin

e3

Machine4

Machine5

M

achine6

Centre

dusinage

Fraiseuse

CNC

Fraiseu

se

manue

lle

Petite

pereuse

Fraiseuse

ancienne

Petite

fraiseuseCNC

cot

machine

()

400000

300000

7000

0

5000

20000

10000

taux

machine

(/min)

4

3

1,4

1

1

2

gammes

Alternative

Cot

total

()

Dure

totale

(min)

Cotdes

ressources

utilises

()

10

20

30

40

50

60

70

80

Classeme

ntdesgammesparrapportaucotdefabrication

22

14,3

10,77

395000

1,16

3,03

1,5

3,88

2

2

3

3

2

4

5

5

20

14,34

10,81

390000

1,16

3,03

5,72

2

2

3

3

2

5

5

5

21

14,53

9,26

470000

0,72

6,85

1,09

2

2

3

3

3

3

3

6

19

14,9

10,09

375000

1,16

6,23

1,5

2

2

3

3

2

4

5

5

17

14,94

12,38

95000

6,4

1,5

3,88

3

3

3

3

3

4

5

5

13

14,98

12,42

90000

6,4

5,72

3

3

3

3

3

5

5

5


32/47

24


Tableau1

.5(Suite)Classementdesalter

nativesdegammesuivantdiffrentscritres.

Classeme

ntdesgammesparrapportautempsdefabrication

5

20,4

5,87

500000

4,48

1,09

1

1

1

1

1

1

1

6

1

23,76

5,94

400000

5,94

1

1

1

1

1

1

1

1

9

16,97

6,22

400000

4,83

1,09

2

2

2

2

2

2

2

6

2

19,02

6,34

300000

6,34

2

2

2

2

2

2

2

2

7

22,1

6,5

405000

5

1,5

1

1

1

1

1

4

1

1

8

19,57

6,59

700000

0,4

5,89

1

2

2

2

2

2

2

2

Classeme

ntdesgammesparrapportaucotdesressourcesengages

3

15,54

11,1

70000

11,1

3

3

3

3

3

3

3

3

13

14,98

12,42

90000

6,4

5,72

3

3

3

3

3

5

5

5

17

14,94

12,38

95000

6,4

1,5

3,88

3

3

3

3

3

4

5

5

4

24,98

12,49

100000

12,49

6

6

6

6

6

6

6

6

15

24,9

13,5

105000

1,5

11,4

6

6

6

6

6

4

6

6

16

16,09

13,34

120000

9,99

2,75

5

6

6

6

5

5

5

5


33/47

25

D


2 LE PROTOTYPAGE RAPIDE1

2.1 Introduction

Lindustrie doit aujourdhui rpondre de plus en plus vite aux demandes des

consommateurs ; de plus les nouveaux produits sont trs vite concurrencs, leurcycle de vie devient plus court.Il faut donc rduire les temps de conception des produits nouveaux, par exemplecertains constructeurs dlectromnager renouvellent leurs produits tous les 6 mois.Il est impratif de concevoir vite et bien du premier coup. Depuis lintroduction delinformatique adapte la conception, la CAO, il est possible de dessiner, desimuler les nouveaux produits avec une rapidit et une prcision toujours plusgrandes. Depuis quelques annes on parle de plus en plus de rduire le nombre deprototypes utiliss dans le cycle de conception. Ces prototypes servent valider leschoix de conception ou vrifier le bien-fond des simulations ou des calculs de

rsistance par exemple.Des grands groupes industriels cherchent tendre vers le zro prototype : aprsltude informatique, on passe directement lindustrialisation. Est-ce une utopie ?Les raisons qui ont impos ces choix sont surtout dordre conomique, la rali-sation dun prototype cotant beaucoup dargent tant en matriel quen temps deralisation.Quelles sont alors les solutions pour rduire le temps dtude, de pr-industria-lisation, et dindustrialisation ? Il existe plusieurs voies : tre capable de raliser un maximum de validations avant la ralisation du pro-

totype, cest--dire reculer sa ralisation (un projet, un prototype, une srie) ; tre capable de raliser des prototypes rapidement ; adapter la fabrication du prototype la validation recherche (formelle, structu-

relle, dimensionnelle, faisabilit) ;

tre capable de raliser des microsries avec des moyens rapides et flexibles.

Il existe pour chacune de ces voies des solutions qui se mettent en place petit petitdans lindustrie. Le point commun de tous les procds est le modle numrique autravers de loutil informatique.

1. Par Jean-Franois Gunal.


34/47

26

2.1 Introduction2 Le prototypage rapide

2.1.1 Du plan papier au modle virtuel

Lensemble des maillons du prototypage est constitu par tous les outils et techni-ques qui contribuent au raccourcissement du temps de fabrication du prototype et

la rduction des cots de dveloppement : CAO, reverse engineering, UGVDepuis les premires thories apparues vers la fin des annes 1960, jusquaujourdhui, la conception assiste par ordinateur, a fait des progrs considrables.En 1970, les outils informatiques permettaient de coller un modle mathma-tique sur une surface assez simple avec une prcision moyenne.En 1997, il est possible de crer un modle virtuel trs prcis par rapport au modlerel (figure 2.1). Ce modle est un volume, qui peut tre utilis dans de nombreuxcalculs de simulation (rsistance des matriaux, coulement de matire, dtermi-nation de paramtres mcaniques, etc.).La production de plans nest plus une finalit mais une opration accessoire car en

aval le modle numrique peut continuer tre exploit.

2.1.2 Du modle virtuel au prototype

Aprs la CAO, la FAO permet dexploiter les donnes numriques du modlevirtuel, pour raliser la pice. Linformatique a remplac le plan et lusinage tradi-tionnel pour substituer des donnes numriques et des machines commandenumrique. Depuis 15 ans, les machines traditionnelles, numriques ou pas, sontconcurrences par des nouveaux procds plus rapides et plus souples (figure 2.2).Ces nouveaux processus sont rendus plus rapides par lautomatisation ou la sup-pression des tapes intermdiaires entre le plan et la pice prototype.

2.1.3 Du prototype la srie

La rapidit et la prcision des nouveaux procds de prototypage rapide permettent

denvisager la ralisation de minisries. Le prototype est transform en une srie deprototypes.

Figure 2.1Simulation dun accident (doc. Mercedes Benz).


35/47

2.1 Introduction

27

D


2 Le prototypage rapide

Les constructeurs automobiles investissent dans des microchanes de productionpour valider par la suite les processus dfinitifs de ralisation. Linformatique estbien sr un outil aujourdhui irremplaable pour la simulation de processus com-plexes de fabrication (figure 2.3).

Figure 2.2 Prototype (doc. Perkins).

Figure 2.3 Simulation de processus.


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2.2 Quest-ce quun prototype ?2 Le prototypage rapide

2.2 Quest-ce quun prototype ?

2.2.1 Dfinition

Modle original ou premier exemplaire construit dun ensemble mcanique,dun appareil, dune machine, destin en exprimenter les qualits en vue de laconstruction en srie. Cette dfinition, tire du Larousse, permet de saisir le sensglobal du terme, mais de manire plus prcise, lindustrie utilise des prototypes quine sont pas forcment toujours et seulement le premier exemplaire dune srie.

2.2.2 Classement des prototypes

m Le prototype formel

On parle plutt de maquette, laquelle est destine vrifier le volume, les formes

et lquilibre dun dessin qui nest quune reprsentation plane. La maquette estralise un facteur dchelle qui nest pas obligatoirement la dimension relle(figure 2.4).Dans de nombreux domaines surtout lis au design, elle est primordiale et loin dedisparatre. Lautomobile, llectromnager, toutes les industries de lobjet travaillentavec la maquette, qui sert dailleurs de base pour la numrisation, cest--direlexploitation informatique. Cest le relev de points.Il faut noter que la maquette est toujours ralise avec des matires mallables(pltre, pte modeler, rsine spciale).

m Le prototype dimensionnel

Ce prototype est utilis pour vrifier si les dimensions de la pice sont compatiblesavec son montage dans lenvironnement du systme. Cette application est en voie de

disparition car la CAO est capable aujourdhui de traiter limplantation complte demcanismes. Le prototype dimensionnel peut devenir un modle pour la ralisationde pices de fonderie. Le modle est souvent ralis en rsine ou en bois.

(a) (b)

Figure 2.4 (a) Excution de la maquette et (b) mesure tridimensionnelle des points.


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2.3 Moyens conventionnels de prototypage

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m Le prototype dessai

Il est destin tre test, notamment du point de vue rsistance. Il est donc ralisdans la matire dfinitive du systme, en respectant les cotes du bureau dtude.

m Le prototype fonctionnelIl a pour but de vrifier le bon fonctionnement dun systme. Le terme prototype esttrop restrictif car en fait il sagit dun systme prototype comportant de nombreusespices. En gnral, les matires sont celles envisages en srie, les moyens de produc-tion sont spcifiques au prototype.

2.2.3 Conclusions

Tous ces prototypes peuvent tre utiliss pendant ltude dun projet. Ils se compl-tent et se suivent dans lordre chronologique de ltude.

Ils font tous appel des procds dobtention assez loigns des moyens utiliss pourla srie.


2.3.1 Les outils traditionnels

Ces outils ne font pas appel linformatisation, mais un personnel trs qualifiet des moyens dusinages traditionnels : fraisage, tournage, perage, soudage, ajus-

tage Ces moyens sont encore employs pour la ralisation de moules de picesinjectes de formes simples. Les temps dexcution sont longs, il faut compter ensemaines en gnral. Il faut noter que les machines traditionnelles sont souventcompltes par des MOCN (machine-outil commande numrique).

2.3.2 CFAO + MOCN = gain de temps

Lorsque le modle numrique existe, on fait appel la CFAO pour le traiter etextraire des parcours doutils qui sont ensuite excuts sur des machines com-mande numrique (figure 2.5).Il existe un march de machines spcifiques pour cette application, elles sont carac-trises par : un nombre daxes pilots simultanment : aprs avoir commenc par des

machines 3 axes, extrapoles de machines de production, le nombre daxes aug-mente, aujourdhui, il nest pas rare de trouver des machines 5 axes. Une machine5 axes permet de matriser le positionnement de la broche par rapport lanormale la surface travaille ;

les courses de ces machines sont importantes (2 m en moyenne sur les axes hori-zontaux), leur conception spcifique (nombre daxes, courses, broches) estadapte de grandes vitesses de dplacement avec des efforts de coupe limits,

les vitesses davance atteignent 8 000 mm/min voire plus ; une broche de 2 15 kW avec des vitesses de rotation trs importantes, 20 000

50 000 tr/min ;


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2.3 Moyens conventionnels de prototypage2 Le prototypage rapide

un calculateur rapide et puissant, capable de traiter un grand nombre de pointsavec un asservissement prcis en vitesse et dplacement. En effet, en phase definition, on impose un critre de hauteur de crte entre les traces de passage deloutil. Il est courant de pratiquer une hauteur maximale de 0,01 mm.

m Les machines 5 axes structure portique

Ces machines possdent en gnral de grandes courses avec une rigidit moyenne(figure 2.5).

m Les machines avec plateau rotatif

Ces machines reposent sur une structure plus conventionnelle. Les axes suppl-mentaires sont obtenus par la combinaison de deux rotations sur le plateau, et unesur la broche (figure 2.7).

Axe Z

Axe X

Axe B

Axe A

Axe Y

broche

portique

table

Figure 2.5 Machine 5 axes structure portique.


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Figure 2.6 Ralisation chez Renault dune maquette chelle 1 de R19.Cette maquette, excute rapidement comparativement une maquette pltre,permet de valider le style dfinitif. Les retouches sont rapides raliser.

plateau :2 axes rotatifs

broche :1 axe rotatif

Figure 2.7 Centre de fraisage 6 axes de structure RRTTTR.


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2.3 Moyens conventionnels de prototypage2 Le prototypage rapide

m Les machines non conventionnelles morphologie parallle

La conception de ces machines trs rcentes limine les axes en translation pour lesremplacer par 6 axes numriques monts sur rotule et relis au berceau porteur de labroche. Contrairement aux machines conventionnelles qui utilisent une cinma-tique avec des liaisons en srie, les machines non conventionnelles ont une morpho-logie avec des liaisons en parallle. Lallongement ou la rduction de la longueur deces axes permet dobtenir un dplacement de la broche (figure 2.8).

2.3.3 Conclusions

Tous ces procds ont pour point commun lenlvement de matire. On part dunbloc dont la taille est adapte au volume de la maquette pour ensuite, par enlve-ment de matire laide doutils coupants, obtenir la pice finale.Le ratio volume copeau sur volume pice finale est toujours en faveur du premierdans des proportions importantes. Cela sajoute aux cots de main-duvre qua-lifie, ainsi qu ceux des machines spcialises qui restent importants.Les procds les plus rcents mettent en uvre un principe diffrent : la distributionde matire.

rotule d'articulation des axes

axe numrique

broche

table fixe

Figure 2.8 Machine hexapode.


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2.4 Procds de distribution de matireou prototypage rapide

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Seul le terme de prototypage rapide est employ pour caractriser ces procds.2.4.1 Principe

Au lieu de retirer de la matire, on va la distribuer l o elle est utile, cest--diredans la pice. Il faut tout de suite noter que ces procds ne fonctionnent quenrelation avec la CAO, et donc avec un modle numrique.Ce modle est dcoup virtuellement en strates de trs faibles paisseurs ; on peutrsumer cela en parlant dintersection entre un plan (la strate) et un volume. Linter-section des deux dtermine les zones o il faut distribuer la matire.

2.4.2 Points cls de la stratification

m Gnration de couches

Il faut sparer les procds utilisant des couches prfabriques (feuille plastique oupapier, fil) des procds utilisant des rsines liquides ou des poudres. Dans le secondcas, lpaisseur des couches est plus difficile raliser, or elle conditionne pour unegrande part la prcision de la pice. Le savoir des fabricants de machines rside, entreautres, dans les techniques de ralisation de couches.

m Surplus ou manque de matireLassemblage des tranches composant le volume gnre une erreur de forme quidpend de la variation de la gomtrie dans laxe dassemblage des couches.Il importe de bien orienter la pice par rapport laxe de stratification, pourrduire les surplus de matire qui doivent tre limins par la suite (figure 2.9).

axe dassemblagedes couches

paisseurde la couche

matire supplmentaire liminer

rotation de 90

Figure 2.9 Surplus de matire.


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m Appuis temporaires

Certains procds distribuent la matire l o elle est ncessaire pour composer levolume. En faisant une analogie avec la construction dun btiment, on commenceen prototypage par les couches en contact avec le plateau qui correspondent auxfondations, puis les murs sont monts. Reste le plancher qui doit tre tay pendantsa fabrication, le prototypage par couche reprend ce principe en ajoutant de lamatire pour soutenir les formes en porte--faux ; ce sont les supports.Les fabricants de machines ont dvelopp des stratgies aidant dterminer lenombre et la disposition des appuis pour viter leffondrement de la pice. Dans cecas, en plus de la pice, certains composants de la machine peuvent tre dtriors.Lorsque la pice est termine, ces appuis sont limins par voie chimique ou defaon manuelle selon les procds.

2.4.3 Quelques chiffresLe prototypage rapide reprsentait en 1997 environ 2 250 machines, dont 52 % auxtats-Unis, 18,6 % au Japon, devant lAllemagne, la France, la Grande-Bretagne,lItalie et la Core. En 1996, il a t vendu 723 units nouvelles, soit 46 % daug-mentation par rapport 1995.Dun point de vue matriel et services lis, on estime la valeur du march actuel 421 millions de dollars, comparer aux 295 millions de 1995. Le deuxime march,cest--dire les outillages, les pices dupliques en plastique, les pices de fonderie,a augment de 63 % pour atteindre 286 millions de dollars. Le march est estim

1,1 milliard de dollars en 1999.Il faut bien comprendre que ce march suit un taux de croissance moyen de 50 %par an, les machines se dmocratisent grce lapparition de nouveaux procdsmoins coteux, mme si les performances sont diminues. Des tudes montrentquavec larrive de machines vendues environ 20 000 , 50 % des bureauxdtude seront quips.

2.4.4 Les techniques

Si ces procds reposent sur plusieurs technologies diffrentes, elles ont toutes un

point en commun, un principe de base, construire un volume complexe partirde couches ou de strates, superposes les unes sur les autres.La plus ancienne est la strolithographie : un faisceau laser polymrise une rsinephotopolymrisable par balayage, couche aprs couche.Concurrent direct, on remplace le laser par une lumire ultraviolette qui polymrisela rsine travers un masque dont le dessin est excut automatiquement.Ce procd toujours trs pris est concurrenc par le procd LOM : un laserdcoupe dans une feuille de papier autocollant la forme de la couche. La superpo-sition de ces couches forme la pice finale.Toujours partir dun laser, on trouve le procd de polymrisation de sable + liant

photopolymrisable. Ce procd permet la ralisation de moules de fonderie.En augmentant la puissance du laser (500 W minimum), on pratique le frittage :le laser parcourt une poudre mtallique tale en fine couche, en fonction du dessin


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de la pice. La chaleur trs localise du laser provoque une fusion de la poudre quiforme aprs refroidissement un agglomrat solide.Les procds les plus rcents font appel un dpt de matire plastique grce une tte dimpression quipe de buses trs fines. Cette technique, sinspirant de la

technologie dimpression du jet dencre a donn le nom dimprimantes 3D cesmachines.Dernier procd en lice, dvelopp par le MIT, on construit un modle partir depoudre, et la pice est transforme en solide grce lapplication dun adhsif.Lintrt majeur de ce procd est sa rapidit jusqu 20 fois suprieure par rapport celles des autres procds.

m Strolithographie par laser

M Principe

Il faut utiliser une rsine photopolymrisable qui, sous leffet de la lumire du laser,va se durcir de manire irrversible. Le faisceau laser se focalise sur un rayon faible(0,2 mm). On travaille sur des couches successives dont lpaisseur varie de 0,05 0,2 mm (figure 2.10).

M Ralisation

La pice est conue en CAO sous forme dun modle volumique. Ce type demodlisation est important car il permet de dterminer o se trouve la matire. Ilfaut ensuite traiter le modle numrique pour dterminer les diffrents parcours dulaser.On recherche lintersection entre un plan dont laltitude varie et le volume. Lalti-tude varie de manire incrmentale, on obtient des tranches qui sont en fait le

parcours du laser une position du plan donne. Lincrment est compris entre0,05 et 0,2 mm. Les parcours du faisceau sont excuts sur la machine. Ces zonessont polymrises, donc durcies.

Rsine

Le faisceau laser balaiela surface du bac de rsineaux endroits solidifier

La plate-forme s'abaissed'un pas suivant l'axe Zet la rsine liquide recouvrela partie dj solidifiesur toute sa surface

Le laser polymrise la couchesuivante

Plate-forme

1

Maquette

Laser

2Z

3

Figure 2.10 Principe de la strolithographie par laser.


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M Applications

Elles sont multiples et couvrent tous les secteurs industriels, aronautique, automo-bile, quipements domestiques.

Figure 2.11 Pice ralise sur machine 3D systems :prototype de forme de la carrosserie dun aspirateur.

Figure 2.12 Prototype de jante en alliage daluminiumet conduit dadmission moteur pour BMW.


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m Strolithographie par masquage (Cubital)

M Principe

On utilise toujours une rsine photopolymrisable, mais le laser est remplac parune lumire ultraviolette qui va clairer la rsine au travers dun masque dont lemotif est fonction de la forme obtenir.Comme dans le principe prcdent, on travaille par couches successives, il y a

donc autant de masques que de couches. En ralit les masques sont des plaquesde verres traites sur lesquelles on dpose un toner opaque (figure 2.14).On peut considrer quil y a deux machines en une : une pour la ralisation des masques ; lautre pour la polymrisation.

Figure 2.13 Pices de prcision pour ralisation en matire plastique.

Figure 2.14 Principe de la strolithographie par masquage.


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M Applications

La prcision du procd permet de raliser des mcanismes complexes avec int-gration de liaisons (figure 2.15).

m Laser + poudres

M Poudres plastiques

La poudre plastique est dpose en une fine couche par un distributeur (figure 2.16).

Le laser dont le faisceau est dirig par un miroir se dplace pour fondre et donc lier lapoudre de plastique. Une fois la couche termine, le plateau descend dune paisseur,et le cycle recommence.

Les matires utilises sont principalement le polystyrne et le polyamide (Nylon).Dans les exemples de prototypes raliss, il faut dgager la poudre non durcie pourobtenir la pice (figure 2.17).

Figure 2.15 Ralisation dun prototype de compteur deau.

Figure 2.16 Principe du procd laser + poudres.


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ocopienonautoriseestundlit.


M Frittage laser

La poudre plastique est remplace par de la poudre mtallique, alliage base dalu-

minium, de cuivre ou dacier (figure 2.18).

Figure 2.17 Circuit hydraulique de commande de bote de vitesses automatiquepour automobile.

Fabrication par usinage

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