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Dix solutions exemplaires

Mirel Scherer
De nombreux procédés de fabrication peuvent être sources de profits considérables. Certains sont déjà à la disposition des utilisateurs, d'autres le seront bientôt. Nous en avons sélectionnés dix, particulièrement prometteurs.

1. l'usinage à cinq axes et à grande vitesse Pour usiner plus vite des formes complexes

Les deux approches, souvent combinées, se démocratisent. Elles offrent une forte réduction du temps de cycle. Très efficaces pour usiner des pièces complexes, les machines à cinq axes de dernière génération affichent une dynamique et une précision adaptées aux usinages rapides de matériaux les plus difficiles (Téflon, Inconel et autres superalliages). Elles disposent de tables rotatives pour des mouvements d'accélération/décélération à grande vitesse, de facilités de programmation pour usiner des prototypes, ainsi que d'un poste de travail ergonomique, d'usinages d'ébauche plus courts et d'un contrôle thermique drastique. Les broches d'usinage sont plus puissantes et certaines solutions affichent une puissance de 100 kW à 25 000 tr/min. Résultat : une capacité d'enlèvement de copeaux en aluminium de 10 000 cm3/min, soit deux à cinq fois plus que les machines UGV classiques. La configuration bi-broche est elle aussi une source de réduction des coûts, à condition de bien contrôler les deux broches : trois à cinq changements d'outils suffisent et le mandrin de serrage permet un chargement/déchargement accéléré des pièces à usiner. Le temps de mise au point baisse d'environ 50 %.

2. le formage incrémental Pour s'affranchir de l'outillage dans la tôlerie

Lancé le 1er septembre 2006 pour une durée de trois ans, le projet européen Flexform vise la mise en oeuvre de techniques de fabrication rapide dans le domaine du formage. Doté d'un budget de 3,3 millions d'euros, il regroupe 19 partenaires dont le Cetim. Baptisée ISF (Incremental sheet forming), la technologie apportera une réduction du temps de développement de nouveaux produits de plus de 60 % et diminuera le temps de fabrication de 50 %, avec des capacités de production qui s'accroissent du même pourcen- tage. Inventé par le constructeur japonais Amino, le procédé initial met en oeuvre un outil qui donne la forme de la pièce en se déplaçant sur des axes X et Y et en effectuant une pression sur celle-ci. « La pièce est formée grâce aux petites modifications successives ap-pliquées à des endroits bien localisés de la tôle », explique Nathalie Mansuy, la responsable de ce projet au Cetim. Le procédé est adapté au prototypage rapide en réduisant les coûts et les délais. Les équipes qui participent au programme se sont attaquées aux inconvénients ou limites du système proposé par le constructeur japonais (matériaux, formes géométriques, CAO, etc.).

3. la fabrication rapide Pour traiter des formes complexes

Fabriquer des pièces unitaires ou en petite série, en plastique ou en métal, avec une ma- chine de prototypage rapide assure des gains importants car on élimine l'outillage nécessaire. Autre avantage : la réalisation de formes géométriques difficiles, voire im-possibles à traiter avec les moyens classiques. Les assemblages complexes sont supprimés et remplacés par la fabrication d'une seule pièce. Certaines industries comme l'aéronautique ou l'automobile utilisent déjà cette ap-proche. L'industrie médicale l'a adoptée pour la réalisation d'implants ou de prothèses. Plusieurs constructeurs, tels MCP, Phenix Systems, 3D Systems, EOS, etc., proposent de telles solutions. Le suédois Arcam fournit le procédé par bombardement d'électrons pour fabriquer les implants et les prothèses en titane ou en cobalt-chrome. Prix de sa machine : 680 000 euros (1 kg de poudre de titane coûte 225 euros). Pour le spécialiste du prototypage rapide au Cetim, Benoît Verquin, « la fabrication par fusion laser sur une Phenix PM100 d'un support arrière pour un lance-grenades démontre l'intérêt de l'approche ». La production d'un lot de trois pièces en cobalt-chrome n'a nécessité qu'une semaine. Avec une réduction de 40 % du coût par rapport à la filière classique...

4. l'usinage multifonction Pour usiner de A à Z

Il s'agit d'associer sur une même machine des opérations de tournage, de fraisage et de rectification. Cette solution, adoptée par Index et Nodier Emag, est une source évidente de productivité. Elle consiste à multiplier le nombre d'axes d'usinage (sept pour le RM7H de Realmeca) de façon à raccourcir considérablement les temps de fabrication et éviter les transferts, toujours pénalisants, d'un équipement à l'autre. Véritables couteaux suisses, ces machines terminent une pièce en un seul montage et l'usinent sur toutes ses facettes grâce à une broche oscillante et une table rotative. Proposer un équipement qui regroupe deux machines, un tour et un centre d'usinage, c'est bien. Encore faut-il offrir, pour chacun de ces éléments, des performances optimales, ce que fait Mazak, le pionnier de cette approche. Son Integrex e-650HS II illustre cette tendance, avec ses broches principales et secondaires de 45 kW et sa broche de fraisage de 37 kW : trois machines de ce type peuvent remplacer jusqu'à une vingtaine d'appareils classiques. L'Integrex divise le cycle de fabrication par deux tout en réduisant fortement l'investissement.

5. le forage vibratoire à grande vitesse Pour usiner à sec des trous profonds

L'amélioration des procédés d'usinage reste l'un des objectifs majeurs des ateliers de mécanique. Pour Ugo Masciantonio, expert usinage au Cetim, « le perçage, qui est l'une des opérations les plus utilisées par certaines industries comme l'automobile, fait l'objet de recherches in-tensives ». Objectif : réussir le forage profond à grande vitesse. Réalisés entre 2003 et 2008, deux projets baptisés Foropt (1 et 2) ont démontré l'intérêt d'un procédé original, le forage vibratoire à grande vitesse. Premier résultat : une industrialisation de cette technologie sur un centre d'usinage. Mais aussi la conception de porte-outils pour ce type de procédé. Les essais effectués sur des aciers ont été probants avec un temps de cycle divisé par trois et la maîtrise des outils de coupe. Un kit industriel comportant le porte-outils, le foret et le logiciel de simulation du procédé sera disponible d'ici à 2010.

6. l'usinage robotisé Pour allier réduction des coûts et flexibilité

Sans avoir la prétention de remplacer la machine-outil, le robot s'avère une solution séduisante pour assurer certaines opérations d'usinage. Une évolution qui s'explique par ses avantages techniques et financiers : investissement trois à quatre fois moindre que celui que nécessiterait une machine-outil équivalente, flexibilité et facilité d'installation (élimi-nation des travaux de génie civil). Les constructeurs de robots ABB, Kuka et Reis, ainsi que des éditeurs de FAO comme Delcam ou OpenMind, ont mis au point de telles solutions capables d'assurer des opérations d'ébavurage ou de fraisage des piè- ces en plastique ou en alu-minium avec un robot. Le Cetim a lancé lui aussi un projet d'usinage robotisé en collaboration avec plusieurs partenaires : Stäubli a adapté son robot RX 170, Arck Ingénierie (Segula Technologies) a construit la cellule, extrêmement rigide, et a intégré le robot, Precise France a fourni la broche d'usinage à grande vitesse (puissance de 17 kW et vitesse de 42 000 tr/min), Delcam a travaillé sur la génération de la trajectoire en cinq axes et Alma a pris en charge la simulation et le post-processing. La cellule installée au Cetim est utilisée pour les tests d'usinage réalisés sur différents matériaux : Inox, Inconel, aluminium, composite, résine... avec ou sans lubri-fication. Une solution flexi- ble, facile à installer et mobile qui devrait intéresser de nombreux utilisateurs. Le coût de la mise en place dépendra de la configuration choisie par l'utilisateur, mais l'ensemble de la cellule ne devrait cependant pas dépasser, dans sa configuration actuelle, les 250 000 à 360 000 euros.

7. le soudage à distance Pour améliorer la productivité

Le soudage robotisé avec des sources laser solides est devenu un grand classique sur les lignes d'assemblage d'automobiles. Cependant, de nouvelles technologies arrivent, comme le contrôle par scanner des mouvements effectués par le bras du robot. Ce qui améliore la dynamique de positionnement du laser. Le principal avantage de cette démarche repose sur l'amélioration sensible de la productivité. Le temps nécessaire pour le placement du robot est réduit au minimum grâce aux mouvements rapides des miroirs de la tête scanner. Comparé au soudage par résistance qui autorise 0,5 point de soudure par seconde, le soudage à distance permet trois ou quatre points par seconde. À l'amélioration de la productivité s'ajoute la diminution du coût d'exploitation, la consommation d'énergie étant de 25 % inférieure à celle des systèmes laser classiques. La surface occupée par le procédé est elle aussi inférieure, tout comme celle de l'installation de refroidissement.

8. Les lignes transfert flexibles Pour travailler sans relâche

Les cellules flexibles de dernière génération marient productivité et souplesse de production. Ces solutions, qui intègrent le plus souvent un robot, traitent des pièces différentes et dans un ordre aléatoire. Une installation dotée d'un centre d'usinage à trois axes et d'une fraiseuse à cinq axes, avec un robot pour le chargement de palettes, peut travailler plus de cent-vingt heures par semaine. Autre configuration : plusieurs machines disposées en ligne et alimentées par un robot qui se déplace sur un rail devant elles. « Ces nouvelles cellules ou lignes flexibles utilisées dans nos usines au Japon font appel à des robots multiaxes et des caméras qui reconnaissent la forme et la position de la pièce, précise Yves Roche, le PDG de Mazak France. Des lasers de mesure détectent le décalage des origines pièce/main du robot et des tours de stockage de palettes pour les pièces s'y ajoutent. » Les opérations s'enchaînent ainsi automatiquement : les pièces sont disposées sur des palettes, le robot les identifie et les positionne grâce à sa caméra sur le système de fixation. Il peut aussi actionner le mécanisme de bridage. Ces solutions affichent un taux d'utilisation de plus de 700 heures par mois.

9. l'usinage à sec Pour réduire la pollution

L'usinage à sec de certains alliages, par exemple l'aluminium, est utilisé dans des domaines industriels précis comme l'aéronautique, un des secteurs où le sujet de la réduction de la pollution est brû- lant. Développé depuis plu- sieurs années par EADS en collaboration avec le Cetim, Mecachrome et le laboratoire LPPM de l'université de Metz, le projet US3A, financé par l'Agence de l'environnement et de la maîtrise de l'énergie, vise cet objectif. L'enjeu économique est im- portant. « Quelque 3 000 tonnes d'huile de coupe sont consommées chaque année en France pour l'usinage des pièces en aluminium , expli-que Delphine Allehaux, ingénieur de recherche chez EADS. Ce qui implique des coûts importants pour le lubrifiant, son recyclage, la valorisation des copeaux... » Le projet, qui se terminera fin 2009, comporte plusieurs étapes : développement de l'usinage à sec, validation industrielle, évaluation des risques que présente l'élimination du lubrifiant, généralisation du procédé dans les tissus industriels... Avec des objectifs ambitieux : une réduction des coûts de 20 à 30 %. Les recherches, menées par le laboratoire de l'université de Metz sur un banc de test comportant un tour Ramo et le système de contrôle de la puissance consommée WattPilote de Digital Way, ont mis en évidence le rôle crucial du contrôle de la température.

10. la mesure intégrée et la FAO adaptative Pour diminuer les rebuts

Les systèmes capables de contrôler les pièces sur la machine (M&H, Renishaw...) sont de plus en plus demandés. L'usinage adaptatif (spécialité de Delcam) fait également son entrée dans les ateliers. Destiné à l'usinage cinq axes de précision, il permet de modifier le modèle CAO d'une pièce en fonction de ses caractéristiques réelles, mesurées directement sur la machine. Ce qui diminue sensiblement le nombre de pièces rebutées. Le système d'autocalibration de Siemens s'inscrit dans la même quête de productivité. Ce dernier assure la calibration automatique de la transformation cinématique des fraiseuses à cinq axes. Intégré à la commande numérique Sinume-rik 840D, il détermine les paramètres de la transformation cinématique grâce à un palpeur de pièce 3D et une sphère calibrée. Le système, qui accélère les opérations de première mise en service d'une machine, peut aussi être utilisé pour un contrôle régulier

USINAGE PLUS ÉCONOMIQUE DES PIÈCES AÉRONAUTIQUES

- Mené par un consortium qui associe des industriels - Airbus, Dassault Aviation, Dufieux Industrie, EADS, Europe Technologies, Forest-Liné, PCI , Precise France, S2M - à des instituts de recherche universitaires - l'Irccyn et Synervia -, le projet Usinae s'attaque aux goulets d'étranglement technologiques de l'usinage à grande vitesse (UGV). Il se penche notamment sur la faible durée de vie des broches UGV et la surveillance de l'usinage. « Selon les utilisateurs de machines UGV, la maintenance des broches pèse de 20 à 30 % des coûts d'exploitation totaux », indiquent Christelle Boutolleau d'Europe Technologies et Benoît Furet, professeur à l'Irccyn (Institut de recherche en communications et en cybernétique de Nantes), respectivement coordonnatrice et responsable scientifique du projet. « Il faut compter deux à cinq broches par machine et par an, avec des coûts de l'ordre de 10 000 à 35 000 euros par réparation de broche. Des solutions comme les broches à paliers électromagnétiques ou l'amélioration des broches à roulements sont donc à l'étude. D'ici à l'année prochaine, d'autres prototypes devraient être mis au point.

L'UNION FAIT LA FORCE

Renforcer la R&D en fabrication est certainement un élément crucial en temps de crise. L'Union européenne a voulu être à la hauteur de l'enjeu et a pour cela mis en place la plate-forme Manufuture (www.manufuture.org). L'édition 2008 de la conférence du même nom a fait le point sur l'avancement de ses projets dans des domaines aussi sensibles que l'implication croissante des régions européennes dans le soutien à la R&D industrielle, l'indispensable participation des PME à ces travaux ou encore le défi d'une organisation en réseau à tous les niveaux (laboratoires, entreprises, régions...). « Etabli en 2004, Manufuture a permis de choisir 80 thématiques R&D différentes et à divers degrés de priorité : la R&D en mécatronique, les nouveaux business modèles (par exemple le lean manufacturing), la machine-outil (conception multidisciplinaire)... », explique Andrea Gentili, le coordonnateur de la plate-forme auprès de la Commission européenne.

Olivier Verot Directeur d'UF1, société de conseil en usinageIL FAUT DÉTECTER LES GISEMENTS DE PROFITS À TOUTES LES ÉTAPES

Industrie et Technologies. Comment affronter, technologiquement parlant, cette crise qui frappe si durement l'industrie ? Olivier Verot. Les responsables de production peuvent jouer sur deux leviers. Premièrement, en améliorant les techniques de fabrication actuelles. Ensuite, en exploitant au maximum la capacité de leur parc de machines. Avoir une machine à cinq axes à grande vitesse c'est bien, encore faut-il utiliser tout son potentiel ! L'investissement en formation est aussi important. D'autres approches, comme le travail partagé, apportent des gains sensibles. C'est le cas de notre plate-forme d'ingénierie collaborative PI3C. Bien sûr, le problème n'est souvent pas dans les outils ou les technologies mais dans notre façon de travailler et notre difficulté à changer nos habitudes. I. T. Que peut-on espérer de ces diverses initiatives ? O. V. Les sources de profit sont partout. Sur un de nos centres d'usinage équipé d'une commande numérique Fanuc, le paramétrage optimal du mode UGV a apporté un gain de 35 % sur le temps d'usinage. Et cela sans aucun changement. Sur une machine Hermle à cinq axes, nous avons multiplié par quatre la vitesse d'avance. La puissance de calcul des CN de nouvelle génération est impressionnante ! Cela dit, il faut aussi peaufiner la préparation du travail hors machine : réduire les temps morts, utiliser les nouvelles fonctions des FAO ou les plates-formes collaboratives métiers. I. T. Comment aborder, dans ce contexte, la question d'autres postes de coût si sensibles comme les outils de coupe et l'arrosage ? O. V. On peut faire des arbitrages et choisir des solutions moins coûteuses. Dans le cas de l'usinage des pièces aéronautiques, les outils en acier rapide sont, dans certains cas, plus productifs que les outils carbure ; comme dans l'usinage dur, où les outils carbure remplacent les très coûteux CBN (nitrure de bore cubique). Quant à l'arrosage, si l'usinage à sec reste souvent un voeu pieux, des développements intéressants apparaissent comme le forage à grande vitesse vibratoire. Quoi qu'il en soit, il faut à chaque fois analyser l'application d'usinage dans son ensemble et détecter les gisements de profits à toutes les étapes.

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