L’avènement de la production numérique

lundi 7 mai 2018 Stephen Dyson

Comment des logiciels complexes et des machines automatisées révolutionnent l’industrie.

L’ère de la production numérique est déjà là. Elle est emmenée par des usines intelligentes qui orchestrent le dialogue perpétuel entre logiciel et matériel. Pour comprendre comment l’industrie est parvenue à ce niveau, remontons le temps.

La première révolution industrielle, qui marque le passage des méthodes de fabrication manuelles à l’utilisation de machines et d’outillage industriel pour la production, émerge à la fin du XVIIIe siècle et connaît son heure de gloire au début du XIXe. Alors que l’Amérique aborde le milieu du XIXe siècle, la deuxième révolution industrielle voit le jour. Les 75 années qui suivent (et bien au-delà) sont caractérisées par des chaînes de montage, la production de masse et un recours accru aux équipements de production. La troisième révolution industrielle arrive dans les années 1950 et 1960 avec le développement radical des technologies et le passage d’un monde analogique au monde numérique.

À l’aube du XXIe siècle, Protolabs n’est qu’une société naissante fondée par Larry Lukis, un « fana d’informatique », selon ses propres termes. Il a écrit un million de lignes de code destinées à automatiser l’usinage de moules pour l’injection plastique. Il a posé les bases technologiques de ce qui est devenu un système complexe de logiciels brevetés permettant de communiquer avec un réseau de machines de production ultra-perfectionnées.

Notre manière de fabriquer des objets est encore en train d’évoluer. Après trois révolutions industrielles, nous abordons la quatrième grâce au concept de fabrication numérique.

Fabrication numérique

Introduction au fil numérique

Pour créer des prototypes sur mesure et fabriquer de petits volumes de pièces, les modèles CAO 3D ouvrent le bal et restent l’élément central tout au long du fil numérique. Protolabs accepte de nombreux formats de fichiers CAO qui peuvent être téléchargés via internet à tout moment. Une fois un modèle CAO reçu, un logiciel automatisé prend le relais.

Le logiciel de calcul de devis a été développé à partir de règles de conception et de fabrication imposées par des experts humains. Elles sont intégrées au code utilisé pour analyser la géométrie des pièces, qui sont ensuite produites par fabrication additive (impression 3D), par usinage CNC ou par moulage par injection.

Dans ce dernier cas, par exemple, le logiciel détermine l’orientation optimale de la pièce dans le moule et la position du plan de joint, afin de concevoir les parties fixe et mobile du moule. D’éventuels problèmes sont alors détectés (comme des sections trop épaisses ou l’absence de dépouille), et la pièce peut même être testée numériquement sur une représentation virtuelle du modèle afin de simuler le flux de matière dans le moule.

Si les problèmes de moulage comme les plans de joints et l’écoulement importent peu pour une fabrication additive, l’orientation d’une pièce imprimée en 3D durant la construction et ses interactions avec les autres pièces de la plateforme de construction doivent être calculées. Les processus de fabrication additive utilisés chez Protolabs, à savoir, la stéréolithographie (SL), le frittage sélectif au laser (SLS) et le procédé DMLS sont tous trois soumis à ce niveau de préparation, pour une construction optimale.

Protolabs | Fabrication numérique

Analyse de conception automatisée

Dans un procédé traditionnel, un mouliste ou un machiniste expérimenté peut parfois analyser une pièce d’un simple regard, grâce à son expérience. Cependant, cela n’est pas évolutif, rapide, ni reproductible lorsqu’il est nécessaire d’analyser immédiatement une conception.

Avec la fabrication numérique, toutes les phases d’analyse et de préparation sont automatisées. Un devis interactif assorti d’une analyse de conception (DFM) et d’informations tarifaires peut être envoyé au concepteur du produit ou à l’ingénieur responsable dans un délai de 24 heures. En cas de problèmes de fabrication potentiels, des modifications recommandées ou requises sont proposées directement sur le devis afin que des itérations de conception puissent être effectuées avant de lancer la production.

Lorsque des pièces moulées par injection doivent subir de légères modifications, Protolabs propose parfois un deuxième modèle CAO appelé révision proposée par Protolabs (Protolabs Proposed Revision, PPR) dûment modifié. Ce modèle révisé peut être utilisé immédiatement. Le concepteur peut également choisir de transposer les modifications sur le modèle d’origine pour conserver l’historique de conception dans le système de gestion du cycle de vie du produit. Lorsqu’un modèle CAO est prêt, un concepteur de moule lance une autre application Protolabs brevetée qui conçoit un moule autour de la pièce voulue et ajoute les éléments essentiels, comme les points et canaux d’injection, les tiroirs, parfois des dispositifs de retrait, et un système d’éjection.

Encore une fois, la préparation à la production pour les pièces par impression 3D diffère de celles de l’usinage à commande numérique et du moulage par injection. Pour les pièces construites par les procédés SL et DMLS, par exemple, des structures de support sont intégrées aux modèles CAO. Ces supports contribuent à empêcher les pièces de se courber ou de s’affaisser au cours de la construction. Ils sont retirés ultérieurement au cours de la finition. Les modèles de fabrication additive sont également numériquement démontés, ou plutôt tranchés, pour former des milliers de couches de fichiers, avant d’être réassemblés en un fichier de construction compatible avec la production, grâce à une autre application brevetée.

Lorsqu’un modèle CAO est prêt à être imprimé en 3D, usiné ou moulé, le fil numérique se déroule jusqu’à l’usine.

Protolabs | Fabrication numérique

La convergence du logiciel et du matériel

À cette étape, la conception du moule ou de la pièce doit être traduite en un langage commun à tout un réseau de machines de fabrication (chez Protolabs, c’est le langage G-code). Cette opération de conversion est désignée sous le terme de « toolpathing », ce qui se traduit par la définition de la trajectoire d’outil. Un certain nombre d’acronymes permet de mieux cerner les opérations. La définition automatisée de la trajectoire d’outil commence lorsque les informations de la B-spline rationnelle non uniforme (NURBS) et de la représentation par contours (B-rep) du modèle CAO et de l’axe Y du moule d’injection sont assemblées en mosaïque pour former un modèle géométrique complet dans le logiciel.

Il ne reste ensuite plus qu’à procéder à quelques opérations de raisonnement géométrique pour décider des stratégies d’usinage les plus adaptées à chacune des parties du moule ou de la pièce. On procède alors à une analyse de portée et à une détection des collisions afin de déterminer les outils qui usineront chaque partie de la pièce. Enfin, un ou deux algorithmes automatisés de configuration d’outils sont employés.

Simplissime, n’est-ce pas ?

À cette étape, la conception doit être confiée à un générateur numérique de trajectoire d’outils qui décide où mener les outils et à quelle vitesse. Cette opération est accompagnée de la création d’un programme en langage G-code à l’intention des machines automatisées de Protolabs. Un bloc de matériau et un programme G-code sont alors chargés dans une machine, qui se base alors sur ces instructions. Le résultat final est une pièce usinée finie ou une matrice et son empreinte qui sont polies et placées dans une presse pour commencer la production.

Pour l’impression 3D, une définition sommaire de la trajectoire d’outils est nécessaire, mais il est surtout important de disposer du fichier compatible avec la production (paquet de fichiers) décrit plus haut. Celui-ci est directement envoyé aux machines SL, SLS et DMLS informatisées. Une matière est alors chargée dans la machine, et les pièces sont produites en quelques clics.

L’importance de la fabrication numérique

L’avantage de la fabrication numérique est de permettre le déroulement de l’ensemble du fil, de la conception CAO à la pièce finie, en moins de deux semaines, et parfois en seulement un jour ou deux. Diverses itérations peuvent être réalisées. La conception est accélérée. Les produits sont commercialisés rapidement. Enfin, les chaînes d’approvisionnement sont mieux maîtrisées tout au long du cycle de vie d’un produit.

Alors que s’amorce la quatrième révolution industrielle, les industries de fabrication sont prêtes à aborder l’ère numérique pour les décennies à venir.