Limites technico-économiques de l’usinage grande vitesse et des procédés par ajout de matière

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L’outillage modulaire hybride

En conclusion, nous définissons l‟outillage modulaire hybride comme un outillage pour lequel les applications des points de vue modulaire et hybride exposés ci-dessus permettent de concevoir et fabriquer un outillage dont les caractéristiques en termes de coût – délai – qualité – flexibilité sont améliorées par rapport à une conception monobloc. À ce stade de la définition de la situation générale de l‟étude, nous laissons volontairement de côté la cinquième contrainte précédemment définie (impact environnemental), mais des analyses de consommation énergétique et de matière première des différents procédés de fabrication rapide, visant à définir leur impact environnemental ont été menées au sein de notre équipe de recherche par D. Le Picart [LEP03] [MOG06a] [MOG05b].
Nos travaux visent donc à mettre en place une méthodologie de conception d‟outillages modulaires hybrides, cette méthode est présentée dans le paragraphe suivant.

Méthodologie de conception d’outillages modulaires hybrides

L‟objectif général de la méthode est donc de connaître les caractéristiques coût – délai – qualité – flexibilité de l‟outillage monobloc, puis de proposer un découpage modulaire hybride permettant d‟améliorer significativement ces caractéristiques. Nous verrons par la suite que nous nous focalisons sur les trois premières composantes, que nous regroupons sous l‟appellation générique de complexité de fabrication.
Nous avons donc développée une méthodologie en 6 étapes, présentée sur la Figure 11 [KER09b]. Le point de départ de la méthodologie est le modèle CAO de l‟outillage à analyser, dans sa forme monobloc traditionnelle (étape 1). À partir de ce fichier CAO, une première analyse de la complexité de fabrication est effectuée (étape 2). Puis l‟application simultanée des points de vue modulaires et hybrides (étape 3) permet la création d‟un modèle CAO de l‟outillage modulaire hybride (étape 4). Sur ce nouveau modèle CAO est effectuée une analyse de complexité de fabrication (étape 5) en utilisant les mêmes procédures qu‟à l‟étape 2. Puis la dernière étape concerne la comparaison des deux analyses de complexités de fabrication dans le but de quantifier le gain apporté par la conception modulaire hybride, représenté par la réduction de la complexité de fabrication.

Synthèse sur la situation générale de l’étude et plan du manuscrit

Dans ce chapitre, nous avons cherché à placer nos travaux dans un contexte global, lié à l‟évolution conjointe des industries de produits manufacturés et des technologies de fabrication. Il en résulte que les contraintes à respecter pour qu‟un produit soit compétitif sont de cinq ordres :
 Une minimisation des coûts ;
 Une réduction des délais de développement et de fabrication ;
 Un haut niveau de qualité ;
 Une flexibilité accrue pour satisfaire les objectifs de personnalisation ;
 Une maîtrise de l‟impact environnemental.
Les progrès des procédés de fabrication par ajout de matière permettent aujourd‟hui d‟entrevoir les techniques additives comme capables de réaliser des pièces métalliques de formes complexes, constituant ainsi une alternative attirante à l‟usinage grande vitesse. Il est alors intéressant de combiner ces technologies de manière raisonnée afin de proposer des produits répondant aux contraintes précisées ci-dessus.
Notre champ d‟investigation concerne la fabrication d‟outillages. Cela est justifié par le fait que la production de moules et de matrices constitue un domaine dans lequel l‟application de la combinaison des procédés par ajout et enlèvement de matière présente un intérêt certain.
Forts de ces constats, nous proposons une nouvelle méthodologie de conception d‟outillages, en intégrant les aspects modulaires et hybrides. Nous allons développer et justifier les différents points de cette méthodologie dans les chapitres suivants.
Ainsi, le deuxième chapitre traitera de l‟état de l‟art en matière de conception d‟outillages, d‟intégration des contraintes de fabrication dans la phase de conception, et fournira des éléments clés pour le développement des aspects modulaires et hybrides. Ce chapitre nous permettra donc de mettre en avant la nécessité de développer une nouvelle méthode de conception d‟outillages. Ensuite, dans le troisième chapitre, nous développerons concrètement l‟analyse de fabricabilité des outillages, qui est la pierre angulaire de notre méthode. Nous verrons l‟importance de bien définir les données d‟entrée de cette analyse, et définirons concrètement les indices de fabricabilité qui permettent de faire des choix entre les différents procédés.
Le quatrième chapitre sera constitué par la mise en place du formalisme de la méthodologie, grâce au développement d‟un modèle de données et d‟une maquette informatique implémentée directement dans le logiciel de CAO SolidWorks. Cela permettra de tester la méthode sur différentes pièces-test simples afin de mettre en avant ses multiples possibilités d‟utilisation. Nous en présenterons également ses limites, et les pistes d‟évolutions.
Cette méthodologie a été appliquée dans un contexte industriel. En effet, l‟implication de notre équipe de recherche dans le projet EMOA (Excellence dans la Maîtrise de l‟Ouvrant Automobile), porté par PSA Peugeot-Citroën et labellisé par le pôle de compétitivité IDforCAR, nous a permis d‟appliquer notre méthode de conception d‟outillages modulaires hybrides dans le cadre de la réalisation d‟une matrice et d‟un poinçon d‟emboutissage. Nous avons également utilisé notre approche à un autre type d‟outillage industriel, un noyau pour un moule d‟injection plastique, en partenariat avec la société Afoplast, une PME spécialisée dans la conception – fabrication de moules d‟injection. Les résultats de ces études sont présentés dans le cinquième chapitre.
Enfin, le sixième chapitre présente les conclusions de l‟ensemble de ces travaux, et les perspectives qui en découlent.

État de l’art et problématique

Ce chapitre a pour objectif d’exposer la problématique de nos travaux de thèse. Nous avons déjà mis en avant, au cours du chapitre précédent, l’importance de fabriquer des outillages intégrant au mieux les différents procédés de fabrication disponibles sur le marché et permettant d’avoir un haut niveau de flexibilité. Nous devons désormais analyser ce qui existe déjà dans le domaine de la conception d’outillages et dans l’application des points de vue modulaires et hybrides afin de comprendre les verrous qu’il reste à lever.
Ainsi nous allons présenter dans une première partie une analyse des systèmes d’aide à la conception d’outillages. Nous verrons qu’une très large majorité de ces systèmes est liée à l’analyse du comportement de celui-ci pendant la phase de mise en forme des pièces, mais que très peu intègrent des contraintes liées à la fabrication de l’outillage proprement dit.
En revanche, le développement du Design For Manufacturing permet de prendre en compte dès la phase de conception un certain nombre de contraintes de fabrication, mais les applications au domaine de l’outillage restent très marginales. C’est ce que nous exposerons dans la seconde partie.
La troisième partie est consacrée à l’approche modulaire. Notre analyse portera sur la connaissance des avantages et des limites d’une telle approche, et mettra en avant la possibilité d’intégration de cette approche dans une optique de conception d’outillages.
Dans la quatrième partie, nous ferons le point sur les approches hybrides, c’est-à-dire la combinaison des procédés par ajout et enlèvement de matière.
La cinquième partie présentera la méthodologie de conception et de fabrication d’outillages précédemment proposée par notre équipe de recherche au travers du concept MCP (Multi-Component Prototype). Nous en révélerons quelques limites dans sa mise en œuvre, afin de définir clairement dans la sixième partie la problématique auquel le présent travail de thèse se propose de répondre.

Méthode de conception d’outillages

Rapide historique

L‟une des tâches parmi les plus complexes dans le développement de produits est sans nul doute la conception des outillages. C‟est pourquoi de nombreuses méthodes d‟aide ont été fournies aux concepteurs d‟outillages afin que ceux-ci puissent réaliser des moules et des matrices à moindre coût et permettant de réaliser des pièces avec une qualité accrue. B.T. Cheok a rédigé une classification des méthodes d‟automatisation de la conception d‟outillages pour le forgeage [CHE98]. Nous en reprenons quelques éléments dans le paragraphe suivant afin de dresser un rapide historique des méthodes de conception d‟outillages.
Le développement de ces méthodes a été considérable au Japon, dès le milieu des années 1970, en liaison avec l‟explosion du nombre de systèmes électroniques et leurs boîtiers emboutis. Ainsi des sociétés comme Hitachi ou Nippon Electric ont développé leurs propres systèmes de conception et de fabrication assistées par ordinateur pour leurs outillages de presse. L‟objectif était alors de réduire le temps de conception d‟une matrice de 20 à 5 jours. Puis, dans le milieu des années 1980, la multiplication des systèmes de CFAO, associés à des langages de programmation tel Fortran, a permis d‟intégrer des calculs d‟efforts, de déformation et de faciliter ainsi le choix des dimensions des composants des outillages. À la fin des années 1980 et au début des années 1990, un nouvel élan est fourni à ces systèmes de conception automatique d‟outillages grâce à l‟application des techniques d‟intelligence artificielle. De façon générale, les systèmes d‟aides à la conception modélisent les connaissances empiriques des experts et dépendent donc fortement du domaine considéré. Ainsi, les systèmes diffèrent qu‟il s‟agisse par exemple de matriçage [JOL03], d‟emboutissage de pièces de révolution [ESC96] ou d‟extrusion [GOR07].

À quoi servent les différentes méthodes d’aide à la conception d’outillages ?

Si les méthodes d‟aide à la conception d‟outillages sont différentes suivant le domaine d‟utilisation, elles ont toutes globalement le même objectif : fournir au concepteur des pistes pour que les outillages soient performants lors de la mise en forme de pièces.
Par exemple, T. Pepelnjak propose un système d‟optimisation de géométrie pour des outillages réalisés par assemblages de couches de différentes épaisseurs (de façon similaire à de la Stratoconception) en étudiant la déformation des couches lors de l‟emboutissage profond de cuvettes [PEP98]. C. Hindman propose quant à lui d‟optimiser la géométrie de l‟outillage au regard des écarts dimensionnels entre la pièce emboutie et celle désirée par une boucle d‟asservissement [HIN00]. Toujours pour ce qui concerne l‟emboutissage, nous pouvons citer le système Pro_Deep [PAR98], développé par la l‟université de Pusan, en République de Corée. Le point de départ est un fichier numérique de la pièce à obtenir par emboutissage. La première étape consiste à décomposer la pièce en entités reconnaissables, la seconde étape concerne l‟application de règles de conception de l‟outillage implémentées dans le système. Ces règles vont permettre de définir des rayons de poinçon et de matrice pour éviter le déchirement de la tôle. Notons que là encore, cette méthode n‟est valable que pour un domaine précis puisque la banque de données des entités utiles à la décomposition de la pièce n‟est composée que d‟entités d‟emboutissage. W. Sosnowski cherche à optimiser la forme des outillages d‟emboutissage grâce à une analyse de sensibilité sur les paramètres de conception [SOS02]. Dans le domaine du matriçage de cuivre, M. Jolgaf développe des simulations numériques des contraintes et déplacements lors de la mise en forme afin de concevoir l‟outillage avec le minimum de matière tout en résistant aux efforts lors du forgeage [JOL03]. Dernier exemple, dans le domaine de l‟extrusion, W.A. Gordon se base sur des calculs de champs de vitesse de déformation plastique afin d‟adapter la forme de la matrice pour minimiser les déformations [GOR07].
Les exemples pourraient être plus nombreux. Ce que nous en retenons, c‟est que, dans tous les cas, les méthodes ont pour objectif l‟optimisation de l‟outillage vis-à-vis de son comportement pendant la phase d‟utilisation (c‟est-à-dire la mise en forme de pièces). Or la tendance est à la prise en compte du cycle de vie complet d‟un produit dès la conception, c‟est-à-dire qu‟il ne suffit pas de concevoir un produit pour qu‟il réponde à des besoins d‟utilisation, mais il devient nécessaire d‟intégrer dès la conception des contraintes liées à la fabrication, l‟assemblage, la maintenance, la fin de vie [MA08].

Prise en compte de la fabrication de l’outillage dans la conception de produit

Nous avons montré dans le premier chapitre l‟importance de la part prise par la fabrication d‟un outillage dans le coût total de celui-ci (Figure 6). Nous savons également que 70 % du coût d‟un produit sont définis par les choix des acteurs de la conception [SHE01]. Dès lors, il devient primordial que la fabrication soit optimisée dès la conception. Cela implique une très bonne connaissance des différentes technologies de fabrication de la part des concepteurs. Or une étude a montré, à partir d‟une enquête réalisée en Grande-Bretagne, le degré de connaissances moyen des concepteurs en ce qui concerne les procédés de fabrication [HOW03] (Figure 12).
Bien sûr, il serait délicat d‟en tirer des conclusions générales, d‟autant plus que l‟étude date d‟une quinzaine d‟années, mais cela souligne bien l‟attente des concepteurs vis-à-vis de modélisation des connaissances des technologies de fabrication.
D‟autres études témoignent de l‟insuffisante prise en compte de la fabrication dans la phase de développement d‟un outillage. Citons notamment les analyses du GERPISA (Groupe d‟Études et de Recherches Permanent sur l‟Industrie et les Salariés de l‟Automobile) qui montrent que les ateliers d‟usinage des moules influencent très peu les phases amont de spécification et conception des moules, alors que leurs interventions déterminent le délai de fabrication des moules [URS03]. Il devient alors nécessaire de mieux prendre en compte la fabrication de l‟outillage dès sa phase de conception.
Il n‟existe pas, à notre connaissance, de méthodes d‟aide à la conception d‟outillages qui prennent en compte non pas le comportement des outillages dans leur phase d‟utilisation (la mise en forme de pièces), mais leur facilité à être fabriqués. On peut en revanche trouver dans la littérature des systèmes permettant d‟optimiser la fabrication d‟un moule ou d‟une matrice. C‟est le cas, par exemple, d‟un système expert de définition de parcours d‟outils et de conditions de coupe optimisés [CAK05]. Les données d‟entrée sont le matériau, le type d‟application (ébauche, semi-finition, finition), le matériau de l‟outil ainsi que la typologie des surfaces à usiner (planes, cylindriques, courbes). Un ensemble de règles « Si… Alors… » permet de définir des recommandations concernant le type d‟outils de coupe, la stratégie d‟usinage, la direction d‟avance, etc. R.S. Lee propose une représentation par objets des différentes entités composant un moule et une structuration des connaissances nécessaires à l‟obtention d‟une gamme de fabrication complète [LEE98]. Bien que ces études soient intéressantes pour définir automatiquement des conditions de fabrication optimisées pour réaliser des outillages, elles ne paraissent pas réellement adaptées aux spécificités du domaine. En effet, elles nécessitent comme point de départ une définition en entités de l‟outillage, or ces entités sont de type relativement simples (planes, cylindriques, etc.) et ne reflètent que modestement l‟étendue des formes complexes couramment utilisées dans la définition d‟outillages de mise en forme. Ainsi, nous considérons que ces études ne sont qu‟une première approche dans l‟intégration de contraintes de fabrication dans la conception d‟outillages.
Une autre contrainte de la fabrication d‟outillages concerne la maîtrise de l‟état de surface, puisque la rugosité des outillages a une répercussion directe sur la qualité des pièces produites et sur les temps de finition et de mise au point. Dans ce domaine, les travaux mettent l‟accent sur le choix de stratégies d‟usinage dans le but d‟obtenir une qualité de surface excellente pour des durées de programmation et de fabrication restreintes [SCH06]. Les recherches sont principalement empiriques, basées sur des usinages de pièces-test et des mesures d‟état de surface afin d‟en dégager des modèles [VIV04]. Le problème est qu‟il n‟y a pas de retour possible vis-à-vis de la conception, celle-ci étant figée.
Pour étudier des systèmes d‟aide à la conception d‟outillages qui intègrent des contraintes liées à leur fabrication, il est nécessaire d‟élargir un peu le champ d‟investigation et d‟analyser le domaine du Design For Manufacturing, dans lequel nous allons trouver différentes méthodes de prise en compte des difficultés de fabrication lors de la phase de conception des produits.

Design For Manufacturing

Définition et historique

Les méthodologies de Design For Manufacturing (DFM) ont pour but de considérer simultanément des objectifs de conception et des contraintes de fabrication. Il s‟agit d‟identifier et d‟éviter des problèmes de fabrication pendant la phase de conception du produit, afin de réduire le délai de développement et d‟améliorer la qualité des produits [GUP97].
Les racines du DFM remontent à la seconde guerre mondiale, lorsque la pression politique sur la mise au point rapide d‟armes a imposé une intégration forte entre conception et fabrication. Puis l‟ère de prospérité industrielle a de nouveau séparé les départements de conception et de fabrication, le résultat fut un environnement de développement de produits séquentiel, d‟où peu d‟attention pour le concept du DFM. À la fin des années 1970, l‟essor de la compétition internationale et l‟objectif de réduction des délais ont fait resurgir le DFM, avec l‟intégration d‟ingénieurs de la fabrication dans l‟équipe de conception. Sont alors apparues des règles de conception pour améliorer la fabricabilité. Enfin, avec l‟avènement de la CAO, les méthodologies actuelles de DFM consistent à intégrer des modules d‟estimation des coûts, des délais et de la qualité de fabrication des produits lors de leur phase de conception.
Ainsi, nous allons étudier de plus près les principales méthodes de DFM afin d‟en analyser les grandes lignes et d‟en comprendre les caractéristiques.

Analyses des méthodes de DFM

En nous appuyant sur les travaux de S.K. Gupta [GUP95] [DAS96] [GUP97] [HUA03] [PRI04] et  ceux de C. Roberts [STA99] [ROB97] [WAN07], nous classifions les différentes méthodes de DFM selon trois aspects : le type d‟approche, la mesure de la fabricabilité et l‟interaction concepteur / système.

Le type d’approche

On distingue classiquement deux types d‟approche : directe et indirecte.
Dans le cas de l‟approche directe, des règles sont appliquées pour identifier les paramètres de conception qui vont générer des portions de pièces réputées impossibles ou trop difficiles à fabriquer. Pour cela, il est nécessaire de se baser sur une définition géométrique précise de la pièce à étudier. Dans les travaux de L. Sabourin, les règles sont exprimées sous forme de « cartes de savoir-faire métier » élaborées à partir de plans d‟expériences [SAB02].
En ce qui concerne l‟approche indirecte, l‟idée est de définir une gamme de fabrication, puis d‟en modifier une partie dans le but de réduire le coût ou le temps de fabrication [GUP95]. Cette approche est plus simple à mettre en œuvre, mais elle comporte un désagrément majeur, induit par le fait qu‟il faille, au préalable, proposer une gamme de fabrication, ce qui devient alors peu enthousiasmant lorsqu‟on s‟intéresse au développement d‟une méthodologie appuyée principalement sur la conception.

La mesure de la fabricabilité

Il existe plusieurs échelles de mesure pour évaluer la fabricabilité. Elles sont parfois combinées entre elles dans les systèmes de DFM.
La mesure binaire est l‟échelle de mesure la plus simple. Cela revient à discriminer les conceptions qui sont technico-économiquement trop difficiles à fabriquer. Cette mesure peut s‟effectuer en appliquant des règles de non-validité d‟un procédé, qui sont souvent des limites de possibilités en termes de géométrie, de dimensions, de qualité, etc qui s‟appliquent aux différentes entités composant la pièce à analyser [SAN97] [MOL08].
La mesure qualitative consiste à associer aux conceptions des adjectifs caractérisant la fabricabilité, du type : « difficile », « moyennement difficile », « moyennement facile », « facile », etc (good, bad ou marginal dans le livre de J.J. Shah [SHA95]). Ces mesures sont souvent complexes à interpréter, et il devient quasiment impossible de comparer et de combiner différentes mesures élaborées pour différents types de pièces.
La mesure quantitative permet d‟évaluer une conception en calculant une valeur numérique de fabricabilité. Ce type d‟échelle quantitative comprend également les inconvénients de l‟échelle qualitative (complexité de mise en œuvre, difficulté de combinaison) mais dans le cas où l‟échelle de valeurs est normée avec, par exemple, des valeurs entre 0 et 1 comme c‟est le cas dans les travaux de S.K. Ong [ONG03], la comparaison devient plus aisée.
La mesure directe revient à associer à une conception une évaluation du temps ou du coût de fabrication. Ces mesures ont été allègrement employées car elles ont l‟avantage de fournir au concepteur une image directe des difficultés de fabrication, il est alors possible de modifier la conception dans le but d‟atteindre un objectif chiffré (par exemple, réduction de 15 % du coût de fabrication). En revanche, le problème posé devient l‟évaluation des temps de fabrication, qui est particulièrement complexe compte tenu des écarts observés entre une durée de fabrication fournie par un modèle et la durée réellement nécessaire à la réalisation. Ces écarts ont été mis en évidence dans plusieurs travaux ([HEO06] [MAR00a] [SCH06], ou les études de C.A. Rodriguez [SIL06] [MON03]). Les modèles d‟estimation des coûts de fabrication d‟un outillage par enlèvement de matière se sont multipliés [KAM96] [GAY99] [BOU04] [CHA03a] [CHE99], mais il subsiste des difficultés relatives à la quantité de coûts à intégrer et à calculer (coûts directs et indirects, coûts de la matière et de la main d‟œuvre, frais généraux, etc) [HMI06] [SHE01] [GEI96] [FEN96a].

L’interaction utilisateur / système

Cette dernière caractéristique précise l‟interaction entre le concepteur et le système, c‟est-à-dire le genre d‟informations composant les données d‟entrée renseignées par l‟utilisateur et les données de sortie fournies en retour.
Pour ce qui est des données d‟entrée, nous remarquons que, dans certains cas, le concepteur doit fournir une représentation par entités de la pièce, basée sur une banque de données d‟entités. Des systèmes plus sophistiqués acceptent directement une définition numérique de la pièce, et si nécessaire, la représentation par entités est générée automatiquement. Il peut subsister des ambiguïtés entre la pièce conçue avec un logiciel de CAO et sa représentation en entités utilisée par le système, car les formats d‟échange dits « neutres » (iges, step, etc) fournissent parfois des représentations de la pièce qui ne sont pas exemptes de défauts, notamment pour ce qui est des surfaces complexes. Dans ce cas, il peut être intéressant de développer le système directement dans le logiciel de CAO pour assurer une parfaite compatibilité [CUL07]. Il existe également des études dans lesquelles les données d‟entrée peuvent être un simple nuage de points, obtenu par le balayage de la pièce par un laser ou des mesures sur machines à mesurer tridimensionnelles [CHA01]. Enfin, d‟autres travaux moins nombreux utilisent comme données d‟entrée des représentations par graphes de la pièce [MUK97].
En ce qui concerne les types d‟informations fournies en retour, la plupart des systèmes d‟analyse de fabricabilité donnent une évaluation de la fabricabilité dépendant de la mesure effectuée (et définie au paragraphe précédent). Il s‟agit dans ces cas-là d‟analyses globales de la pièce. De plus, certains systèmes vont décomposer la pièce (par exemple en entités) et renvoyer différentes valeurs de fabricabilité pour les différentes zones de la pièce. On parle alors d‟analyses locales. Dans ce cas, une représentation par cartographie de distribution des valeurs devient un outil visuel intéressant. C‟est ce qui a été utilisé dans les travaux de L. Tapie concernant l‟étude des difficultés d‟usinage d‟outillages de forge [TAP07a] [TAP08] [TAP07b], ainsi que dans des analyses de surfaces complexes à usiner [BAL00] [SUN01]. Quelques systèmes vont même jusqu‟à fournir des suggestions de reconception, en proposant des modifications des paramètres de conception pour améliorer la fabricabilité, par exemple une entité par une entité similaire dans le but de minimiser le nombre de posages [DAS96].

Quelles caractéristiques choisir pour une application au domaine de l’outillage ?

Nous avons vu qu‟il n‟existait pas de méthodes de DFM spécifiquement adaptées au domaine de l‟outillage. Il convient alors de définir les caractéristiques de la méthodologie que nous souhaitons mettre en place, au regard de la classification précédente.

Le type d’approche : direct

Dès lors que nous désirons développer une méthode d‟analyse de la fabricabilité applicable lors de la phase de conception, il semble délicat d‟utiliser une approche indirecte. En effet, ce type d‟approche oblige à définir une première gamme de fabrication et cette opération nécessite des connaissances pointues dans les technologies de fabrication (choix des procédés, des stratégies d‟usinage, etc). Nous avons vu que ces connaissances ne font pas partie du cœur de métier des concepteurs. En conséquence, notre approche sera directe, avec comme point d‟entrée la définition numérique de l‟outillage, et un ensemble de règles y seront appliquées afin d‟en évaluer son degré de difficulté de fabrication.

La mesure de la fabricabilité : évaluation quantitative de la complexité de fabrication

En termes d‟évaluation de la fabricabilité, nous souhaitons disposer de mesures plus performantes qu‟une simple estimation qualitative. En effet, il va s‟agir de comparer différents procédés de fabrication, ceux par ajout de matière et ceux par enlèvement de matière, il est alors indispensable de s‟appuyer sur une mesure quantitative de la complexité de fabrication la plus précise possible. Les évaluations des temps et des coûts de fabrication sembleraient appropriées, cependant, elles ne sont pas aisées à mettre en place dès la phase de conception car leurs mesures sont fortement contraintes par la gamme de fabrication choisie. Pour prendre le cas de l‟usinage, la durée de fabrication est directement liée à la stratégie et aux parcours choisis, ainsi qu‟aux conditions de coupe désirées, et nous avons vus que des choix raisonnés ne pouvaient être faits que par des spécialistes de la FAO. De plus, si nous nous orientons vers une fabrication par ajout de matière, le coût de réalisation va englober toutes les phases de production, y compris les post-traitements (grenaillage dans le but d‟assurer une qualité et un état de surface appropriés), ce qui ne n‟est pas évident à chiffrer en phase de conception.
Ainsi, nous allons nous orienter vers des calculs d‟indices de fabricabilité, c‟est-à-dire l‟association aux outillages, ou à des parties d‟outillages, de valeurs de complexité de fabrication adimensionnelles et normées. Ces indices seront directement calculables à partir des modèles CAO des outillages. Ils ne permettront pas de donner une valeur concrète du temps de fabrication, mais faciliteront les comparaisons entre différentes conceptions (notamment entre une définition monobloc de l‟outillage et une conception modulaire hybride). La définition de ces indices et l‟analyse de complexité de fabrication sont au centre du chapitre trois.

L’interaction utilisateur / système : données d’entrée = modèle CAO, données de sorties = valeur des indices et cartographies

Notre méthodologie présente comme point de départ caractéristique la volonté de s‟écarter d‟une représentation par entités de l‟outillage. Nous justifierons et développerons cet aspect ultérieurement (au chapitre suivant), en faisant une analyse fine des moyens de représentation de la morphologie des pièces.
En ce qui concerne les informations disponibles en retour, nous disposerons bien évidemment des valeurs des indices de fabricabilité, définissant ainsi le degré de difficulté de fabrication d‟un outillage. En outre, nous proposons également une représentation par cartographie de la distribution de cette difficulté de fabrication. L‟objectif est de fournir au concepteur un maximum de données sur la fabricabilité, c‟est pourquoi nous utiliserons ce concept de cartographie lorsque les valeurs d‟indices de fabricabilité seront calculées localement et varieront d‟une zone de l‟outillage à une autre. À partir de ces informations sur un outillage monobloc, un outillage modulaire hybride est défini, et la CAO des modules devient le point d‟entrée d‟une nouvelle analyse de fabricabilité afin d‟observer la diminution des difficultés de fabrication induite par l‟application des points de vue modulaires et hybrides.

Table des matières

ABLE DES ILLUSTRATIONS
GLOSSAIRE
CHAPITRE 1 : CONTEXTE GÉNÉRAL DE L’ÉTUDE
1. CONTEXTE GÉNÉRAL
1.1. Évolution de l’industrie des produits manufacturés
1.2. Les procédés de fabrication par ajout de matière
1.2.1. Définition
1.2.2. Évolutions des techniques de fabrication par ajout de matière
1.2.3. Applications des procédés par ajout de matière
1.2.4. Des procédés qui arrivent à maturité
1.2.5. Synthèse
2. LA FABRICATION D’OUTILLAGES
2.1. Qu’entendons-nous par « outillages » ?
2.2. La maîtrise de la fabrication des outillages
2.3. Les spécificités de la fabrication d’outillages et les procédés associés
2.3.1. Quelques caractéristiques spécifiques à la réalisation d‟outillage
2.3.2. L‟usinage grande vitesse et l‟électroérosion
2.3.3. Utilisation de procédés par ajout de matière pour réaliser des outillages
2.4. Conclusion : de l’utilisation raisonnée et réfléchie des différents procédés de fabrication
3. LES OUTILLAGES MODULAIRES HYBRIDES ET LEUR MÉTHODE DE CONCEPTION
3.1. Définition du concept d’outillages modulaires hybrides
3.1.1. Introduction
3.1.2. Aspect modulaire
3.1.3. Aspect hybride
3.1.4. L‟outillage modulaire hybride
3.2. Méthodologie de conception d’outillages modulaires hybrides
4. SYNTHÈSE SUR LA SITUATION GÉNÉRALE DE L’ÉTUDE ET PLAN DU MANUSCRIT
CHAPITRE 2 : ÉTAT DE L’ART ET PROBLÉMATIQUE
1. MÉTHODE DE CONCEPTION D’OUTILLAGES
1.1. Rapide historique
1.2. À quoi servent les différentes méthodes d’aide à la conception d’outillages ?
1.3. Prise en compte de la fabrication de l’outillage dans la conception de produit
2. DESIGN FOR MANUFACTURING
2.1. Définition et historique
2.2. Analyses des méthodes de DFM
2.2.1. Le type d‟approche
2.2.2. La mesure de la fabricabilité
2.2.3. L‟interaction utilisateur / système
2.3. Quelles caractéristiques choisir pour une application au domaine de l’outillage ?
2.3.1. Le type d‟approche : direct
2.3.2. La mesure de la fabricabilité : évaluation quantitative de la complexité de fabrication
2.3.3. L‟interaction utilisateur / système : données d‟entrée = modèle CAO, données de sorties = valeur des indices et cartographies
2.3.4. Remarque et synthèse
3. L’APPROCHE MODULAIRE
3.1. Introduction
3.2. La modularité pour améliorer la flexibilité
3.3. La modularité pour améliorer la fabricabilité
3.3.1. Travaux initiaux en usinage
3.3.2. Exemple industriel
3.3.3. Domaine de la fabrication par ajout de matière
3.3.4. Contraintes liées au nombre de modules
3.4. Conclusion sur l’aspect modulaire
4. L’APPROCHE HYBRIDE
4.1. Introduction
4.2. Méthodes de comparaisons de procédés
4.3. Limites technico-économiques de l’usinage grande vitesse et des procédés par ajout de matière
4.3.1. Caractéristiques dimensionnelles
4.3.2. Qualité des pièces
4.3.3. Conclusions sur les limites technico-économiques des procédés
4.4. Outillages fabriqués par combinaisons d’usinage et de fabrication rapide
4.5. Conclusion sur l’aspect hybride
5. LE CONCEPT MCP
5.1. Définition
5.2. Méthodologie
5.3. Les limites du concept
6. PROBLÉMATIQUE DE NOS TRAVAUX DE THÈSE
CHAPITRE 3 : ANALYSE DE COMPLEXITÉ DE FABRICATION
1. COMMENT DÉFINIR LA COMPLEXITÉ DE FABRICATION ?
1.1. Études bibliographiques
1.1.1. Avant-propos
1.1.2. Les travaux de l‟Intelligent Manufacturing Systems Center
1.1.3. Les travaux de S.Y. Yang
1.1.4. La complexité selon N.P. Suh
1.1.5. Les travaux du LURPA
1.1.6. Les travaux intégrant une approche hybride
1.1.7. Les travaux intégrant une approche modulaire
1.1.8. D‟autres définitions de la complexité
1.2. Notre définition de la complexité de fabrication
1.3. Analyse globale / Analyse locale
2. MÉTHODES DE DÉCOMPOSITION D’UN MODÈLE CAO
2.1. L’approche par entités
2.1.1. Introduction
2.1.2. Utilisations classiques des approches par entités
2.1.3. Inconvénients majeurs
2.1.4. Synthèse sur les approches par entités
2.2. Le format STL
2.3. Autres types de décompositions volumiques de modèles
2.3.1. Travaux dans le domaine informatique
2.3.2. Décomposition de modèles adaptée à la Stratoconception
2.4. La décomposition octree
2.4.1. Historique et principe détaillé
2.4.2. Exemples d‟applications
2.5. Choix de la décomposition octree pour l’analyse locale
3. PARAMÈTRES À PRENDRE EN COMPTE POUR CALCULER LA COMPLEXITÉ DE FABRICATION
3.1. Introduction
3.2. Cas de la fabrication par usinage
3.3. Cas de la fabrication par ajout de matière
3.4. Autre exemple de procédé
3.5. Synthèse sur les paramètres influençant la complexité de fabrication et lien vers le calcul des indices
4. DÉFINITIONS DES INDICES DE COMPLEXITÉ DE FABRICATION
4.1. Exemples d’indices provenant de l’analyse bibliographique
4.1.1. Manufacturability Indexes (MIs) des travaux de S.K. Ong
4.1.2. Index of Machining Complexity (IMC) des travaux de M. Korosec
4.2. Nos indices de complexité de fabrication
4.2.1. Notations
4.2.2. Principe de calcul des indices
4.2.3. Indice pour l‟usinage lié aux dimensions maximales
4.2.4. Indice pour l‟ajout de matière lié aux dimensions maximales
4.2.5. Indice pour l‟usinage lié aux dimensions minimales
4.2.6. Indice pour l‟ajout de matière lié aux dimensions minimales
4.2.7. Indice pour l‟usinage lié à la flexibilité de l‟outil de coupe
4.2.8. Indice pour l‟usinage lié à la quantité de copeaux
4.2.9. Indice pour l‟ajout de matière lié au volume de la pièce
4.2.10. Indice pour l‟ajout de matière lié aux surfaces de peau
4.2.11. Indice local pour l‟ajout de matière lié à la hauteur
4.2.12. Indice pour l‟ajout de matière lié à la distance par rapport au centre
4.2.13. Indice pour l‟usinage lié à la nature des matériaux
4.2.14. Indice pour l‟usinage lié à l‟état de surface
4.2.15. Perspectives : la création de nouveaux indices
4.2.16. Tableau récapitulatif des indices qui sont développés
5. SYNTHÈSE SUR L’ANALYSE DE LA COMPLEXITÉ DE FABRICATION
CHAPITRE 4 : MÉTHODE DE CONCEPTION D’OUTILLAGES MODULAIRES HYBRIDES
1. PRÉAMBULE
2. PRÉSENTATION GÉNÉRALE DE LA MAQUETTE INFORMATIQUE
2.1. Introduction
2.2. Choix des logiciels
2.2.1. Support principal : SolidWorks
2.2.2. Aspects programmations : Visual Basic Applications
2.2.3. Présentation des résultats : Microsoft Excel
2.3. Représentation par objets
2.3.1. Introduction
2.3.2. La classe PIECES
2.3.3. La classe MACHINES
2.3.4. La classe OUTILS
2.3.5. La classe OCTANTS
2.3.6. La classe ETUDES
2.3.7. La classe COMPARAISONS
2.3.8. Organisation et liens des différentes classes
2.4. Conception de l’interface
2.4.1. Interface principale
2.4.2. Interface correspondant aux calculs des indices
2.4.3. Interface correspondant aux comparaisons entre les études
2.4.4. Liens entre la maquette informatique et la méthodologie de conception
3. PREMIER EXEMPLE SUR UNE PIÈCE-TEST
3.1. Présentation de l’étude
3.2. Choix de la pièce-test
3.3. Analyse de complexité de fabrication par usinage pour la pièce-test monobloc
3.4. Exploitation des résultats
3.4.1. Objectif
3.4.2. Exploitation des indices globaux
3.4.3. Exploitation de l‟indice local et de la cartographie
3.4.4. Choix des modules
3.5. Analyse de complexité de fabrication par usinage pour les modules
3.5.1. Calculs des indices et cartographies pour les deux modules
3.5.2. Regroupement des deux modules
3.6. Comparaison des analyses pour la pièce monobloc et pour les modules
3.7. Synthèse sur ce premier exemple
4. DEUXIÈME EXEMPLE, DEUXIÈME PIÈCE-TEST
4.1. Conception de la nouvelle pièce-test
4.2. Analyse de complexité de fabrication par usinage pour cette deuxième pièce-test
4.3. Exploitation des résultats
4.3.1. Deux types d‟octants avec une complexité de fabrication élevée
4.3.2. Première alternative : point de vue modulaire
4.3.3. Deuxième alternative : modification des paramètres de conception
4.3.4. Troisième alternative : point de vue hybride
4.4. Analyse de complexité de fabrication pour la deuxième pièce-test conçue avec l’approche hybride
4.5. Comparaison entre la conception monobloc et la conception modulaire hybride
4.6. Synthèse sur ce deuxième exemple
5. TROISIÈME EXEMPLE : DÉTECTION D’INCOMPATIBILITÉS ENTRE MODÈLE NUMÉRIQUE ET PROCÉDÉ DE FABRICATION
5.1. Objectif
5.2. Arêtes vives incompatibles avec un procédé d’usinage
5.3. Formes intérieures incompatibles avec un procédé d’usinage
6. POUR ALLER UN PEU PLUS LOIN…
6.1. Limites des possibilités de la méthodologie
6.2. Perspectives d’améliorations
6.2.1. Création des modèles numériques des modules
6.2.2. Comparaison des indices
7. POINTS FORTS DE LA MÉTHODOLOGIE
7.1. Utilisation en phase de conception
7.2. Détermination de la complexité de fabrication
7.3. Connaissance des zones les plus complexes à fabriquer
7.4. Recommandation pour diminuer la complexité de fabrication
7.5. Détection des incompatibilités entre modèle numérique et procédé de fabrication
CHAPITRE 5 : APPLICATIONS INDUSTRIELLES
1. ÉTUDE DE L’OUTILLAGE AFOPLAST
1.1. Présentation de la société
1.2. Présentation de la pièce étudiée
1.3. Analyse de complexité de fabrication par usinage pour la pièce monobloc
1.4. Exploitation des résultats et point de vue modulaire
1.5. Analyse de complexité de fabrication pour les modules
1.6. Comparaison des conceptions monobloc et modulaire
1.7. Lien avec la solution intuitive existante
2. ÉTUDES DES OUTILLAGES PSA PEUGEOT-CITROËN
2.1. Cadre du travail : le projet EMOA
2.1.1. Contexte du projet
2.1.2. Description synthétique du projet
2.1.3. Optimisation des conceptions d‟outillages pour la maîtrise du coût de réalisation
2.1.4. Conclusion
2.2. Choix des outillages étudiés
2.3. Étude du poinçon
2.3.1. Analyse de complexité de fabrication par usinage
2.3.2. Points de vue modulaire et hybride
2.3.3. Analyses de complexité de fabrication pour le poinçon modulaire
2.3.4. Comparaison entre les complexités de fabrication des conceptions monobloc et modulaire
2.4. Étude de la matrice
2.4.1. Analyse de complexité de fabrication par usinage pour la matrice monobloc
2.4.2. Exploitation de l‟indice Ci(f)-
2.4.3. Analyse de complexité de fabrication par ajout de matière pour la matrice monobloc et point de vue hybride
2.4.4. Analyse de complexité de fabrication pour la conception modulaire hybride de la matrice
2.4.5. Comparaison entre les conceptions monobloc et modulaire hybride pour la matrice
3. CONCLUSION SUR LES APPLICATIONS INDUSTRIELLES
CHAPITRE 6 : CONCLUSIONS GÉNÉRALES ET PERSPECTIVES
1. SYNTHÈSE DU TRAVAIL EFFECTUÉ
2. CONCLUSIONS : LES APPORTS DE NOTRE TRAVAIL
3. PERSPECTIVES
RÉFÉRENCES BIBLIOGRAPHIQUES

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