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Rapidité et légèreté en ligne de mire

Mirel Scherer
- Pas de révolution, mais des améliorations ponctuelles grâce aux moteurs linéaires et à l'association du 5 axes. L'usinage robotisé : un outsider redoutable.

De quoi auront l'air les machines d'usinage à grande vitesse dans quelques années ? Eh bien, selon les spécialistes, les configurations ne changeront pas si rapidement. Ce qui ne veut pas dire que les performances resteront les mêmes. « Il y a quinze ans, quand on parlait de broches à haute vitesse, les utilisateurs nous regardaient comme des extraterrestres », se rappelle Philippe Ledoux, à l'époque ingénieur chez le constructeur de broches Ibag, aujourd'hui consultant en UGV. « Actuellement les broches qui tournent à plus de 10 000 tours équipent la plupart de machines et les 18 000-24 000 tr/min se généralisent à... grande vitesse. » Autant dire que le progrès technologique dans le domaine de l'usinage se fait... lentement, mais sûrement.

L'évolution ne sera pas isotrope : « La structure des machines dépend énormément du secteur d'application », souligne Alain Auffret, directeur technique de Precise France, fin connaisseur de l'UGV.

La vis à billes résiste

Ainsi, les ateliers confrontés à la finition des moules chercheront une machine rapide, avec des éléments mobiles (axes, broche, etc.) les plus légers possibles. Et ici, comme dans beaucoup de domaines d'application, le moteur linéaire devient roi. La vis à billes résiste cependant, comme le démontrent Rexroth et Umbra Cuscinetti. Ce dernier dévoilait, au salon AMB 2004, une solution hybride qui autorisait une vitesse de 180 m/min. Des constructeurs tels que Röders, Huron, Mikron ou DMG, adoptent néanmoins le moteur linéaire. Non seulement ils installent des moteurs linéaires mais ils ajoutent l'usinage en 5 axes simultanés à l'UGV. Ce qui permet de terminer une pièce complexe en deux fixations.

Reconnu pour son savoir-faire dans l'UGV, Realmeca annonce aussi sa première machine à moteurs linéaires. Idem chez Huron. Le spécialiste de la haute précision propose la KXG 45, une fraiseuse haute vitesse dotée de tels moteurs. « Le choix technologique de l'architecture de la machine dépend d'un certain nombre de paramètres comme le volume des pièces à usiner, les accélérations et la précision d'usinage voire le volume de copeaux à réaliser. Cela impose parfois le recours aux moteurs linéaires. Mais ils ne sont pas la panacée », tempère Gilbert Fischer, PDG d'Huron. En effet, à côté d'avantages indéniables, ces moteurs posent de nombreux défis aux concepteurs de machines : depuis les problèmes d'inertie jusqu'à ceux thermiques en passant par les structures sur lesquelles on les installe. En revanche, les moteurs couple s'imposent pour les axes rotatifs comme le démontre la KX50 qu'Huron dévoilera à Euromold en décembre.

Finition à 100 000 tours/minute

Les constructeurs de machines pour les moulistes adoptent la structure portique ou à traverse haute, très utile pour assurer une haute rigidité. « La rigidité est une condition sine qua non pour pouvoir associer différentes opérations sur la même machine », indique François Cathala, responsable de la société de conseil UGV Process. Exemple : la fraiseuse à portique RHP 600/800 de Röders qui ajoute au fraisage grande vitesse des opérations de rectification. Climatisée, la machine dispose en plus de guidages hydrostatiques (les mouvements nécessitent ainsi de très petits efforts), de moteurs linéaires et peut être dotée de broches de 36 000, 42 000 ou 69 000 tr/min.

Même approche pour Mikron avec la XSM 400U qui dispose de broches StepTec dont la vitesse de rotation atteint les 60 000 tr/min. La machine offre une vitesse d'axe de 80 m/min, des axes rotatifs de 165 et 250 tr/min, et une accélération de 25 m/s2.

Enfin, dans la finition de petits moules comme ceux pour téléphones portables, les machines disposent maintenant de broches avec palier à air (et d'outils de très petit diamètre), Fischer par exemple, qui atteignent des vitesses supérieures à 100 000 tr/min. Des constructeurs tels Kern ou Sodick proposent ces bolides qui produisent des pièces dont la qualité d'usinage est proche du polissage.

Changement de décor avec l'aéronautique, industrie pionnière de cette techno-logie d'usinage. Là, des fournisseurs comme Forest-Liné ou Makino proposent des machines portiques ou à architecture spéciale très rigides et productives qui affichent des vitesses de broche de 18 000 à 30 000 tr/min et de fortes puissances (60-100 kW).

Avec l'industrie automobile, la problématique change encore. Il s'agit cette fois de produire en grande série des pièces identiques. Les machines UGV, fournies par les experts du domaine comme PCI, Comau Systèmes ou Grob, sont plus lourdes, avec des magasins d'outils conséquents et très performants pour réduire les temps de cycle. Elles adoptent, elles aussi, les moteurs linéaires, comme la famille Urane de Comau, la première à utiliser cette technologie dans ce domaine. Ce sont généralement des machines dédiées à des opérations d'une même famille (perçage, alésage, etc.) sur un type de pièces bien précis, comme la culasse par exemple. À signaler aussi la machine d'Anger qui met plusieurs broches UGV en ligne, la pièce se déplaçant horizontalement de l'une à l'autre.

L'architecture parallèle fait timidement son entrée dans les usines automobiles avec des machines hybrides comme la Vision de Chiron qui utilise un mécanisme parallèle pour le mouvement des axes X et Y. Celles de DMG ou PCI intègrent un robot parallèle SMT Tricept dans une structure classique de machines-outils. La Tripteor de PCI (qui propose aussi une machine à moteurs linéaires à forte dynamique, la Météor ML) est une machine 5 axes installée à plus de trente exemplaires chez PSA et chez BMW. Il s'agit cependant d'une solution dédiée : chez le premier, elle usine en grande série des pièces comme la traverse arrière, chez le second, il s'agit d'usinage à sec des trains avant et arrière de la série 5.

Des constructeurs comme DS Technologie ou CMW proposent une autre configuration : une tête à cinématique parallèle qui s'installe sur une machine classique. PME vosgienne, CMW annonce ainsi, après plusieurs années de développement acharné, la première référence pour sa tête UGV hexapode. Et le client n'est pas n'importe qui puisqu'il s'agit d'Airbus.

Reste que, selon Claude Fioroni, responsable R&D de Comau, « il faudra une véritable rupture technologique pour que l'UGV passe à la vitesse supérieure dans le domaine automobile ».

Éliminer les changements d'outils

Comau expérimente de telles solutions grâce à sa machine à cinématique parallèle Urane SX dédiée à un seul type d'opérations (perçage en l'occurrence). Objectif : éliminer les changements d'outils qui consomment la moitié du temps de cycle. « Les résultats d'une récente campagne d'essais de perçage confirment le bien-fondé de cette approche nouvelle », indique Claude Fioroni. Les tests ont été effectués avec une Urane SX à architecture parallèle, équipée de moteurs linéaires et d'une broche à palier magnétique S2M atteignant 80 000 tr/min pour une puissance de 12 kW.

Cette solution réduit les masses en mouvement d'un facteur 6 (à 120 kg). Et le temps d'usinage d'une forme complexe est divisé par deux par rapport à une machine dotée de vis à billes. La masse de la broche a été diminuée à 25 kg et elle est refroidie par un circuit intégré au stator. Pour Philippe Ledoux d'UGV Technologies, cette approche s'imposera dans certaines applications, mais, juge-t-il, « elle est encore en avance sur le marché ». Comme d'ailleurs la machine Skymill d'André Greffioz, qui inverse la broche et la table pour pouvoir usiner de l'aluminium à sec et qui attend toujours son industrialisation.

Une solution à 60 000 euros

Autre point important : la broche. « C'est le point faible des machines UGV », juge Philippe Ledoux. Il faut intégrer dans le prix de la machine le changement de la broche qui intervient après deux ans d'utilisation. Et cela coûte cher : 20 000 voire 30 000 euros. L'utilisation de broches à palier magnétique ou hydrostatiques éliminerait cet inconvénient.

Un autre projet porteur d'avenir est celui mené par l'institut allemand PTW de Darmstadt, en collaboration avec Harmonic Drive (les moteurs), Mapal (les outils et les outillages), Precise (la broche), Reis (le robot). Objectif : démontrer la possibilité d'usiner une pièce complexe en aluminium ou en composite avec un robot polyarticulé. Lancé en 2003 sur trois ans, ce projet vise un usinage de précision (50 µm), mais avec un dispositif qui réduit d'une manière drastique les investissements. Une installation de ce type ne dépasse pas, selon Matthias Weigold, chercheur au PTW, les 60 000 euros. Reste cependant à améliorer le couple. Une bagatelle comparé au prix d'une fraiseuse UGV.

Utopie ou réalité industrielle ? Plus que deux ans à attendre pour connaître la réponse...

LES DÉFIS

- Diminuer le poids des masses en mouvement - Améliorer la fiabilité des composants et surtout celle de la broche - Éliminer les vibrations - Augmenter la flexibilité des machines

RIGIDITÉ À TOUTE ÉPREUVE

- La structure portique en béton polymère et acier de la KX 50 d'Huron est très stable.

LÉGÈRE ET TRÈS VÉLOCE

- L'Urane SX de Comau réduit sensiblement les masses en mouvement.

FLEXIBILITÉ ET RÉDUCTION DES COÛTS

Le robot Reis RV130, doté d'une broche Precise, permet l'usinage de pièces complexes.

ALLIANCE DE L'UGV ET DE L'USINAGE 5 AXES CONTINU.

- Dotée d'une structure brevetée (en O), la XSM 400U de Mikron dispose d'une table circulaire pivotante extrêmement rapide.

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