Faculté de génie Département de génie mécanique MÉMOIRE D

Transcription

Faculté de génie
Département de génie mécanique
MÉMOIRE D’IDENTIFICATION DE PROJET
Révision 5
Rédigé par
Jean-Sébastien Plante
Yves Van Hoenacker
Avec la contribution de
François Charron
Jean-Philippe Desbiens
Joel Dion
Patrick Doucet
Sherbrooke (Québec), Canada
27 août 2003
Table des matières
1 Introduction
1
2 Nature du projet
2
2.1 Description . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2
2.2 Produits similaires . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3
2.3 Problématique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3
2.4 Objectifs du projet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5
3 Formulation préliminaire du projet
5
3.1 Principales spécifications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5
3.2 Principales contraintes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9
3.3 Livrables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9
3.4 Échéancier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
10
4 Ressources
12
4.1 Description de l’équipe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.1.1
12
Fabrication et essais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
13
4.2 Budget et sources de financement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
13
5 Études complémentaires
14
6 Gestion des risques
15
7 Recommandations
16
8 Approbation
18
Annexe I : Étude de préfaisabilité de marché et des technologies com-
merciales
Annexe II : Études de préfaisabilité technique
19
29
Annexe III : Étude de préfaisabilité de l’usinage du MDF (Medium
Density Fiberboard) et du styromousse
44
Annexe IV : Étude de préfaisabilité économique
47
Références
49
Liste des figures
1
Exemple de règles de l’art . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4
2
Usinage dans la masse d’un moule (ou section de moule) de bois typique
6
3
Précision de la surface usinée . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8
4
Échéancier du projet McGrO
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
11
5
Fraiseuse CNC 3 axes Mini-mill 3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
20
6
Spécifications de la fraiseuse CNC 3 axes Mini-mill 3 . . . . . . . . .
21
7
Exemple de pièces usinées avec Mini-mill 3 . . . . . . . . . . . . . . .
22
8
Exemple de pièces usinées par Mini-mill 3 . . . . . . . . . . . . . . .
22
9
Toupie CNC 3 axes Mini-router . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
22
10
Toupie CNC 3 axes BMR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
23
11
Spécifications de la toupie CNC 3 axes Mini-router . . . . . . . . . .
24
12
Fraiseuse CNC 3 axes Delft Spline . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
24
13
Spécifications de la toupie Porter & Cable 7518 . . . . . . . . . . . .
26
14
Spécifications de la toupie Makita RF1101 . . . . . . . . . . . . . . .
27
15
Spécifications de la fraiseuse pneumatique Snap-on . . . . . . . . . .
27
16
Techniques de mise en forme permises par la machine McGrO . . . .
30
17
Contraintes de conception de moule de la machine McGrO . . . . . .
31
18
Angle de démoulage avec toupie Makita RF1101 . . . . . . . . . . . .
32
19
Angle de démoulage avec toupie Makita RF1101 modifiée . . . . . . .
33
20
Construction par empilement de moule de thermoformage . . . . . . .
35
21
Usinage dans la masse par trajectoire rectilignes paraxiales . . . . . .
35
22
Usinage dans la masse par contournage XY . . . . . . . . . . . . . . .
35
23
Usinage dans la masse avec interpolation circulaire . . . . . . . . . .
36
24
Chantournage XY et défonçage de plaque mince . . . . . . . . . . . .
36
25
Configuration d’axe possible pour McGrO . . . . . . . . . . . . . . .
41
26
Exemple de code G . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
43
27
Concentrations maximales de poussière et de formaldéhyde, extrait de
la fiche signalétique d’un panneau de MDF . . . . . . . . . . . . . . .
46
Liste des tableaux
1
L’équipe de conception . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
12
2
Évaluation des risques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
15
3
Mitigation des risques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
16
4
Matrice Kepnor-Trego pour le choix des technologies de motorisation
28
5
Budget préliminaire du projet McGrO . . . . . . . . . . . . . . . . .
48
1
Introduction
Le Département de génie mécanique de l’Université de Sherbrooke est responsable du programme de baccalauréat en génie mécanique qui acceuille chaque année
quelques 105 étudiantes et étudiants par promotion. Ce programme se distignue par
son projet majeur de conception comme exigence du curriculum. Dans le cadre de ce
projet, les étudiantes et étudiants doivent fabriquer ou faire fabriquer les prototypes
des systèmes mécaniques et des produits qu’ils ont conçus. Une importante proportion de ces prototypes comporte des pièces de carosserie en polymère qui servent
à couvrir des mécanismes, améliorer l’esthétique ou encore, supporter des chargements structuraux. Ainsi, sept projets sur un total de dix huit projets réalisés par
les étudiantes et étudiants de la 42e promotion et six projets sur quinze de ceux
réalisés par les étudiantes et étudiants de la 43e promotion comportent des éléments
de carosserie. Ces pièces d’épaisseur constante ont été fabriquées soit par thermoformage d’un polymère thermoplastique comme le polyéthylène ou le polycarbonate
soit par moulage sur moule ouvert de matériaux composites à base de polymère thermodurcissable, par exemple un époxy/fibre de verre, un polyester/fibre de verre, etc.
Évidemment, ces pièces techniques engendrent des coûts importants dans la fabrication des prototypes et nécessitent beaucoup de temps de travail au moment où les
échéanciers sont les plus serrés.
Le présent rapport résume toute la phase de pré-étude initiée par le Département
afin d’estimer la faisabilité d’un projet pour munir les étudiants d’un équipement
pour la fabrication de leurs pièces techniques en polymères.
1
2
Nature du projet
2.1
Description
Tel que mentionné préalablement, il existe deux méthodes pour fabriquer des
pièces de carrosserie en polymère soit le thermoformage et le moulage ouvert des
matériaux composites.
Le thermoformage consiste à chauffer une feuille de thermoplastique jusqu’à ce
qu’elle soit facile à mettre en forme et ensuite, à déposer cette feuille sur un moule
mâle généralement de courbure convexe. De minuscules trous à la surface du moule
sont reliés à un aspirateur qui crée une dépression pour assurer que la feuille de
thermoplastique chaude épouse parfaitement la forme du moule. Les moules destinés
à la production en série (≥ 1 000 pièces) sont généralement des moules d’aluminium
ou d’époxy qui résistent bien à l’usure. Pour les pièces prototypes produites en faible
quantité ( 50 pièces) des moules de bois usinés et finis au mastique à carroserie sont
utilisés la plupart du temps.
Le moulage ouvert des matériaux composites se fait généralement sur un moule
femelle, c’est-à-dire, un moule possédant une courbure concave. Il existe deux méthodes
pour fabriquer un tel moule :
• fabrication directe du moule femelle :
— sculpter par usinage la cavité directement dans un bloc plein obtenu par
exemple par un empilement collé de plaques de contreplaqués ;
— ou encore, découper les différentes sections de la cavité dans des plaques
qui sont par la suite empilées.
• fabrication indirecte du moule femelle :
— sculpter par usinage un moule mâle de la pièce qui sert ensuite d’empreinte
pour réaliser un moule femelle en polyester/fibre de verre par exemple.
Le Département de génie mécanique ne dispose pas de machine à commande
numérique capable d’usiner des moules. Les étudiants sans commandite de fabrication de moule, utilisent principalement la seconde méthode et découpent à la main
plusieurs plaques minces pour réaliser leur moule mâle. Le processus est très long et
plutôt imprécis... Ainsi dans le cas du projet V-Mach (42ième promotion), la réalisation
du moule femelle pour fabriquer la coque du vélo à haute vitesse a exigé plus d’un
mois de travail, avec des semaines de plus de 30 heures de travail par membre de
l’équipe.
Pour accélérer le processus de fabrication des pièces de carosserie thermoformées et
réduire les dépenses des équipes de conception, le Département de génie mécanique
confie à une équipe d’étudiants de la 45e promotion la conception d’une machine
2
de thermoformage. Le financement du projet est pris en charge en totalité par le
Département de génie mécanique afin de permettre aux étudiantes et aux étudiants
des promotions futures de réaliser à leur guise des pièces de carosserie.
2.2
Produits similaires
Afin de se familiariser avec les méthodes courantes de fabrication des moules pour
la mise en forme des polymères, une recherche approfondie a été effectuée. Celle-ci
visait à identifier toutes les technologies existantes sur le marché qui permettraient aux
étudiants de réaliser leurs moules dans les locaux du Département. Les résultats de
cette recherche montrent qu’aucun équipement abordable n’existe présentement pour
combler ce besoin. En effet, la majorité des équipements disponibles à prix abordable,
comme le témoigne l’annexe I, sont des machines à commandes numériques de petite
taille dont le prix avoisine 10 000$. Aussi, la compagnie BMR Automation [BMR 02]
commercialise une toupie CNC 3 axes dans le même ordre de prix. Cependant, cet
équipement possède une course limitée sur un des ses axes qui le restreint à l’usinage
de pièces en bois de faible épaisseur.
Aussi, une visite des Moules SAMCO, une entreprise de Sherbrooke spécialisée
dans la fabrication de moules de toutes sortes, a permis de voir en fonctionnement
une de leur machine à commande numérique dont le coût s’élève à plus de 200 000$.
L’équipement en question est d’ailleurs très imposant et le coût unitaire des moules
vendus par cette entreprise à leurs clients avoisine les 10 000$ l’unité. D’ailleurs,
plusieurs groupes techniques (Mini-Baja, Formule SAE, etc.) de l’Université font affaire avec les Moules SAMCO pour faire sculpter leur moule mâle en bois.
En somme, il n’est présentement pas possible d’acheter une machine qui permet de
fabriquer avec facilité et à coût raisonnable des moules pour la mise en forme des pièces
de carrosserie. L’étude de préfaisabilité de marché et des technologies commerciales
dans ses moindres détails est disponible à l’annexe I pour consultation.
2.3
Problématique
Le Département de génie mécanique souhaite que les étudiantes et les étudiants
des promotions futures puissent entreprendre facilement la fabrication de pièces de
carosserie dans les laboratoires du Département. Il désire donc installer dans ses
laboratoires une machine à commande numérique CNC pouvant fabriquer des moules
pour le thermoformage et le moulage des matériaux composites. En plus de disposer
de cette machine, le Département de génie mécanique veut également disposer de
la documentation complète d’un projet de conception pour l’utiliser comme étude
de cas d’un projet de conception dans le cadre du cours IMC 156 Méthodologie de
conception. Au lieu d’acquérir la machine CNC le Département de génie mécanique
3
a décidé de confier la conception, la fabrication et l’installation de cette machine à
une équipe interne de projet.
À la fin de ce projet amicalement baptisé McGrO, pour Machine à Gruger par
Ordinateur, le Département souhaite :
• disposer dans le laboratoire C2-149 d’une machine à commande numérique
CNC fonctionnelle pouvant fabriquer des moules pour le thermoformage et le
moulage des matériaux, qui puisse être utilisée facilement par les étudiantes et
les étudiants en génie mécanique et plus particulièrement que l’interface CAOMcGrO n’exige pas pour son utilisation de compétences particulières ;
• disposer de la documentation du projet afin de l’utiliser dans le cadre du cours
IMC156. Cette documentation devra être concise, complète et réalisée selon les
règles de l’art. La figure 1 montre que les règles de l’art constitue l’atteinte d’un
niveau excellent sur tous les critères d’évaluation d’un projet.
Figure 1: Exemple de règles de l’art [HUB 00] : le projet McGrO vise le niveau
excellent (A) à tous les critères.
4
2.4
Objectifs du projet
Concevoir, fabriquer, tester, documenter et installer dans le laboratoire
C2-145 de la Faculté de génie une machine outil à contrôle numérique CNC
pour la fabrication de moules en bois de grandes tailles, mâles et femelles,
par usinage dans la masse (3D) ou par empilement de plaque (2D), à partir
de la définition du moule sur le logiciel SolidWorks et selon l’approche de
convivialité.
3
Formulation préliminaire du projet
3.1
Principales spécifications
Les études de pré-faisabilité des annexes I à IV ont permis d’établir de façon
préliminaire certaines spécifications d’ingénierie globales. Celles-ci ont été validées
lors de rencontres avec le client. Elles sont établies afin d’orienter et d’accélérer le
développement de McGrO.
1. Taille maximale des moules
• Définition : Dimensions hors tout du plus grand moule à fabriquer.
• Niveau : 2.50 m×1.25 m, hauteur 1.00 m
• Flexibilité : − 0.10 m sur chaque dimension
Les grands moules sont usinés par partie puis assemblés. On limite à trois le
nombre de parties à assembler pour obtenir le moule de 2.50 m de longueur. Les
dimensions maximales d’un bloc de bois à sculpter sont donc : 0.83 m × 1.25
m, hauteur 1.00 m.
2. Courses maximales
• Définition : Déplacements maximums de l’outil de la machine CNC.
• Niveau :
(a) Course en longueur
1
: 1.00 m
(b) Course en largeur : 1.50 m
(c) Course en hauteur : 1.00 m
• Flexibilité : − 0.10 m sur chaque dimension
3. Taille typique d’un moule (ou d’une section de moule) de bois pour
le calcul du temps d’usinage
1
Les axes X,Y et Z ne sont pas encore assignés à ce moment-ci
5
• Définition : Bloc de matière première de forme simple. Ce bloc peut être
une partie d’un très grand moule. Il peut être usiné pour obtenir un moule
femelle de forme simple.
• Niveau : Bloc de bois initialement de 0.60 m×1.00 m, hauteur 0.30 m dans
lequel on taille une cavité demi cylindrique de diamètre φ 0.50 m, et de
longueur 0.80 m (78 500$). Figure 2.
• Tolérance : N/A
Figure 2: Usinage dans la masse d’un moule (ou section de moule) de bois
typique : A=0.60 m, B=0.30 m, C=1.00 m, L=0.80 m et R=0.25 m.
4. Temps maximal d’occupation machine
• Définition : Temps maximal requis pour usiner (passe d’ébauche et passe
de finition) un moule de bois typique.
• Niveau : 8 hr
• Flexibilité : + 2 hr
5. Puissance à la broche
• Définition : Puissance nominale du moteur de broche calculé par le produit
de l’ampèrage RMS affichée du moteur par le voltage RMS de l’alimentation.
• Niveau : 1.32 kW
• Flexibilité : − 25%
6. Diamètre maximal de la broche
• Définition : Diamètre maximal de la queue d’outil pouvant être fixée à la
broche.
6
• Niveau : φ 12.7 mm (1/2 po)
• Flexibilité : N/A
7. Vitesse d’avance maximale en mouvement rectiligne (1 axe à la fois)
• Définition : Valeur maximale de la vitesse de l’outil en déplacement selon
l’un des trois axes de la machine.
• Niveau : 4.60 m/min
• Flexibilité : − 0.10 m/min
8. Vitesse d’avance maximale en contournage plan (deux axes à la fois)
et spatial (trois axes à la fois)
• Définition : Valeur maximale de la vitesse absolue de l’outil lorsque son
déplacement se fait sur 2 ou 3 axes. La vitesse absolue est
q calculée par
sommation quadratique des vitesses d’avance des axes :v = vx2 + vy2 + vz2 .
9. Vitesse de déplacement rapide
• Définition : Valeur maximale de la vitesse d’avance de l’outil en déplacement
rapide sans coupe.
10. Précision de la surface usinée
• Définition : Valeur nominale de la rugosité du profil pour la surface du
moule (cette valeur a été définie afin de minimiser les opérations de finition
faites à la main).
• Niveau : 0.50 mm. Figure 3.
• Flexibilité : + 0 mm
11. Précision de la position de l’outil
• Définition : Erreur de position de l’outil lorsque les 3 axes sont à leur
extrémité de déplacement par rapport au zéro machine2 .
• Niveau : 0.80 mm
• Flexibilité : + 0 mm
12. Résolution de positionnement
• Définition : Distance théorique entre deux points consécutifs sur un axe
pouvant être localisés par l’outil. Même valeur pour les trois axes.
2
le zéro machine correspond aux extrémités de référence des axes (0,0,0)
7
Figure 3: Précision de la surface usinée : t= 0.50 mm.
• Niveau : 0.01 mm
• Flexibilité : + 0.01 mm
13. Coûts total en matériel du prototype
• Définition : Somme des coûts pour l’achat des composantes qui entrent
dans la fabrication et l’installation de la machine McGrO. Ce montant exclu la fabrication, les salaires, toute forme de commandite et de contingence
des risques.
• Niveau : 8 600 $3 .
• Flexibilité : + 3750 $ (3000 × 1.25)
14. Contrôle des poussières et émanations gazeuses
Note : Il est prévu qu’advenant un dépassement budgétaire important en cours
de réalisation de la machine McGrO cet aspect de la machine fasse l’objet d’un
second projet.
• Définition : Niveau de poussière et/ou de formaldéhyde (composant chimique libéré dans l’air lors de l’usinage de planche de particules agglomérées
(MDF)) et/ou composé de styrène émis dans l’environnement de travail.
• Niveau : Inférieur aux normes de l’Occupational Safety and Health Administration (OSHA) et de l’American Conference of Governmental Industrial
Hygienists (ACGIH).
• Flexibilité : Impératif
3
Ce montant équivaut au budget préliminaire, soit 6850$ × 1.25 sans la contingence associée à
l’usinage externe des pièces évaluée à 3000$ × 1.25
8
3.2
Principales contraintes
Étant donné que le projet est réalisé dans le cadre d’une étude de cas pour le
département et que les ressources pour sa réalisation viennent en majeure partie de
l’interne, il est facile d’établir la liste des principales contraintes qu’il faudra prendre
en considération.
1. Contraintes temporelles :
(a) livraison des dossiers de conception : avant le 16 août 2002 ;
(b) livraison de la machine McGrO : avant le 16 août 2002 ;
2. Contraintes monétaires :
(a) la somme des coûts en matériel pour la construction de la machine CNC
McGrO doit être inférieure à 8 600$ ;
3. Contraintes de ressources humaines :
Les ressources mises à la disposition du projet par le client sont Jean-Sébastien
Plante, ing. stag., deux étudiants stagiaires en génie ainsi que les techniciens en
génie mécanique du Département. Ces ressources constituent le groupe d’éxécution
du projet. Les contraintes imposées par la disponibilité de ces ressources sont
(a) le gestionnaire du projet McGrO, Jean-Sébastien Plante, n’est disponible
que quatre jours sur cinq ;
(b) les vacances estivales des techniciens du Département de génie mécanique
devront être prises en compte.
3.3
Livrables
1. MIP4 ;
2. Papport RCS5 ;
(a) PDP-06 ;
(b) PDP-17 ;
(c) CdCf8 -v1 ;
(d) cahier des concepts ;
3. MAP9 ;
4. Rapport RCP10 ;
4
Mémoire d’identification de projet
Revue de conception système
6
Processus de développement de produit, préétude
7
Processus de développement de produit, étude conceptuelle
8
Cahier des charges fonctionnel
9
Mémoire d’avant projet
10
Revue de conception préliminaire
5
9
(a) PDP-211 ;
(b) CdCf-v2 ;
(c) cahier des dessins 3D ;
5. Rapport RCD12 ;
(a) PDP-313 ;
(b) CdCf-v3 finale ;
(c) cahier des dessins 3D ;
(d) cahier des dessins détaillés ;
6. Rapport de validation expérimentale ;
7. Machine McGrO.
Les documents de conception livrables le sont en format papier et électronique
(format LATEX).
3.4
Échéancier
Les étapes nécéssaires à la réalisation du projet McGrO sont représentées dans le
temps sur le diagramme de Gantt de la figure 4.
11
Processus de développement de produit, conception préliminaire
Revue de conception détaillée
13
Processus de développement de produit, conception détaillée
12
10
Figure 4: Échéancier du projet McGrO : de mars à août 2002.
11
4
4.1
Ressources
Description de l’équipe
Les noms, titre des personnes impliquées dans le projet McGrO et leur fonction
principale dans l’équipe sont indiqués au tableau 1.
TABLEAU 1: L’équipe de conception
Nom
Statu
Fonction
Jean-Philippe Desbiens Concepteur
Joël Dion
Concepteur
François Charron
Patrik Doucet
Claude Dugal
Roger Dumoulin
Sébastien Harvey
Alain Desrochers
Patrice Masson
Yves Van Hoenacker
Denis Proulx
Conception mécatronique
Conception, dessins, fabrication, assemblage
Concepteur / Coordination, conception,
gestionnaire
documentation
de projet
Client / con- Support à la conception
cepteur
Client / con- Analyse des besoins, docucepteur
mentation
Technicien
Essais physiques, fabrication, assemblage
Technicien
Technicien
Expert
Interface CAO-McGrO
Expert
Conception mécatronique
Vérificateur
Conception, mécanique de
coupe, documentation
Directeur
Approbation du projet
La structure organisationnelle proposée est celle d’une équipe multidisciplinaire
autonome. Lorsque le mémoire d’identification du projet McGrO sera approuvé par
Denis Proulx, le Directeur du Département, toutes les décisions subséquentes se prendront au sein de l’équipe de conception. François Charron aura un droit de veto sur
les décisions prisent par l’équipe et agira à titre d’autorité en cas de litige.
Des rencontres hebdomadaires ayant lieu tous les jeudi de 15h00 à 16h00 au local
C1-424 auxquelles tous les membres de l’équipe concernés par les sujets à l’ordre
du jour participent, permettront d’échanger l’information et les idées. Des réunions
spécifiques auront lieux lorsque la situation le demandera.
12
Pour tous les membres de l’équipe de conception, toutes les informations seront
consignées dans les logbooks.
Les principales échéances du projet sont :
• 19 avril, approbation MIP (rencontrée) ;
• 10 mai, RCS ;
• 14 juin, RCP ;
• 5 juillet, RCD ;
4.1.1
Fabrication et essais
Faisant parti de l’équipe de conception McGrO, les techniciens du Département
de génie mécanique réaliseront des essais de coupe préliminaires, fabriqueront le prototype et mettront au point la machine. La participation des techniciens au projet
McGrO se fait en surplus de leurs tâches habituelles, et selon Claude Dugal, il est
possible qu’ils ne soient disponibles qu’à 75% de leur temps.
4.2
Budget et sources de financement
Les composantes principales à acquérir pour la machine McGrO sont identifiées
au tableau 5 de l’annexe IV. Les achats sont effectués par le Service des achats de
l’Université. Un UBR a été ouvert et les fonds y ont été transférés. Aucune autre
dépense n’est prévue en plus de l’acquisition de ces composantes.
13
5
Études complémentaires
À la suite des études de préfaisabilités (annexes I, II, III et IV) menées pour définir
précisément le mandat du projet, des études complémentaires seront enclenchées
avant le début de la phase d’étude conceptuelle. Celles-ci serviront à démistifier les
conséquences que pourraient avoir certains choix technologiques sur l’ampleur du
projet. Aussi, ces recherches permettront de documenter plus en profondeur le champ
d’expertise ciblé par le produit et d’éventuellement faire des choix plus éclairés lors de
l’intégration d’éléments commerciaux existant dans la génération des concepts. Voici
les sujets qui devront être décortiqués et documentés par l’équipe de projet dans les
quatres prochaines mois :
• Types de contrôleurs disponibles sur le marché et implications liées à leur
intégration ;
• Documentation sur le code G et identification des codes essentiels à une opération
d’usinage en 3 dimensions ;
• Principe de fonctionnement des logiciels Fabrication assistée par ordinateur(FAO)
commerciaux ;
• Types de moteurs utilisés dans des applications CNC ;
• Types de système de déplacement linéaire et transmission de mouvement disponibles
sur le marché.
Les résultats des études complémentaires seront résumés au tout début du rapport
de conception système.
14
6
Gestion des risques
Les principaux risques identifiés à ce jour sont :
1. Manque de ressources humaines pour la fabrication ;
2. Incompatibilité de SolidWorks pour l’interface CAO-McGrO ;
3. Imprévus financiers.
L’évaluation comparative des risques est présentée au tableau 2. Il en ressort que
le risque principal est le manque de ressources humaines pour la fabrication.
TABLEAU 2: Évaluation des risques
Événement
critique
Manque
de
ressources
humaines pour la
fabrication
Imprévus
financiers
Incompatibilité de
SolidWorks
1
Probabilité
d’occurence
a²[0 − 5]1
Gravité de Niveau de Priorisation
l’impact
risque
1
b²[0 − 5]
c=a×b
3
5
15
1
3
3
9
2
2
4
8
3
0 :faible à 5 :élevé
Les mesures de mitigation potentielles des risques précédemment énumérés sont
par ordre de priorité de risque :
1. Manque de ressources humaines pour la fabrication :
(a) devancer au maximum le début de la fabrication de façon à utiliser le
maximum d’heures avant le début des vacances annuelles. Cette mesure
implique qu’une priorité soit donnée à la conception détaillée de la structure principale de la machine ;
(b) faire fabriquer certaines pièces par des sous-traitants. Le coût estimé de
la fabrication des principales pièces de la structure par des sous-traitants
est de 5 000$. Compte tenu de la probabilité d’occurence de 3/5 = 60%,
un montant de 3 000$ est ajouté à l’estimé budgétaire du tableau 5 de
l’annexe IV.
2. Incompatibilité de SolidWorks pour l’interface CAO-McGrO :
Advenant une trop grande difficulté à développer une interface avec le logiciel
SolidWorks, une des alternatives suivantes sera choisie :
15
(a) développer l’interface à partir de CATIA. Cette option nécessitera la rédaction
d’un document bref pour l’utilisation de CATIA car ce ne sont pas tous
les étudiants qui suivent ce cours normalement offert en automne.
(b) développer l’interface à partir d’un fichier intermédiaire “.stl”14 ou “igs”
pour reconstruire la pièce.
3. Imprévus financiers :
(a) Reporter à un projet subséquent l’acquisition et la fabrication d’accessoires
non indispensables à la mise au point de la machine. Une mesure qui peut
être actuellement identifiée est d’éliminer le dispositif de contrôle des débris
d’usinage pour ainsi économiser les sommes budgetées, soit 900 $.
Ces mesures associées aux risques sont comparées entre elles au tableau 3 par
rapport à leurs impacts sur le projet.
TABLEAU 3: Mitigation des risques
Événement
tique
cri- Mesure
Imprévus financier
Incompatibilité
SolidWorks
Impact sur
risque
délais
coûts
Aller à l’essentiel
OK
OK
OK
de Interface CATIA
OK
OK
OK
↑
OK
OK
OK
S’il y a
lieu
S’il y a
lieu
S’il y a
lieu
Oui
OK
↑
S’il y a
lieu
Interface à partir OK
d’un fichier “.stl”
Manque
de Devancer le début OK
ressources humaines de la fabrication
pour la fabrication
Sous-traiter cer- OK
taines pièces
7
Mise
en
oeuvre
Recommandations
Il est recommandé de poursuivre ce projet. Chacun des membres de l’équipe a
pris connaissance de la définition du projet et des contraintes de temps dans lequel il
14
Fichier généré par les principaux logiciels CAO et normalement utilisés pour les machines de
stéréolithographie.
16
doit se dérouler. Le niveau de confiance de l’équipe est grand quant à la réussite du
projet (≈ 80%).
17
8
Approbation
Faculté de génie
Département de génie mécanique
Mandat accepté selon la présente définition
par les membres de la direction et de l’équipe de conception :
Denis Proulx
François Charron
Patrik Doucet
Joël Dion
Jean-Philippe Desbiens
Patrice Masson
Alain Desrochers
Claude Dugal
Sébastien Harvey
Roger Dumoulin
Yves VanHoenecker
Sherbrooke (Québec), Canada
2 Avril 2002
18
Annexe I : Étude de préfaisabilité de marché et des
technologies commerciales
1. Marché :
La machine McGrO n’est pas développée dans un objectif de commercialisation. Il existe néanmoins une demande réelle pour la fabrication de moules ou
de copie de pièces en matériaux mous tel le bois, le styromousse et dans certains cas, l’aluminium. Les entreprises de moulage de matériaux composites, de
thermoformage et de prototypage rapide recherchent des moyens de fabriquer
soit plus rapidement ou à moindre coûts leurs pièces ou outillages.
Le marché dans lequel se situe le projet McGrO est celui des machines-outils
numériques à bas prix : low cost CNC. En effet, il peut paraı̂tre surprenant
d’apprendre qu’il est possible d’acheter une CNC pour moins que le dixième
du prix des machines industrielles moyennes : ≈ 10 000 $ US vs ≥ 100 000 $
US [MIN 02]. Les stratégies utilisées pour atteindre des prix aussi faibles sont
d’utiliser un maximum de composantes standards, d’éliminer la nécéssité de
machiner des aciers (utilisation de roulements linéaires commerciaux, utilisation
de l’aluminium), de limiter la précision de la machine, de limiter l’amplitude de
mouvement des axes et enfin, de diminuer la durée de vie utile.
Puisque le projet McGrO vise des fins pédagogiques non commerciale, le marché
n’est pas davantage quantifié en termes économiques. Par contre, il est décrit
en fonction des technologies utilisées par les manufacturiers des machines à
commande numérique à bas prix pour la fabrication de moules ou modèles.
2. Technologies :
La figure 5 montre la fraiseuse verticale numérique Mini-mill 3 produite par la
compagnie Minitech. Ce modèle constitue le meilleur vendeur de la gamme de
produit Minitech et ses spécifications sont montrées à la figure 6. Sa résolution
en mode normal est de 0.0005 po ou 0.012 mm (à ne pas confondre avec la
précision), ce qui est relativement bon pour son prix. Elle est construite avec des
composantes de mouvement standards comme des rails et roulements linéaires
de la compagnie THK et des vis ACME sans jeu.
Les figures 7 et 8 montrent des pièces que peut réaliser la fraiseuse Mini-mill 3.
On note que le niveau de détails des pièces est relativement fin.
Il existe aussi des variantes de la fraiseuse verticale numérique de Minitech,
comme les toupies numériques de Minitech et de BMR Automation, montrées
aux figures 9 et 10 respectivement. L’utilisation de ces outils s’apparentent
davantage à celle souhaitée par la machine McGrO car le volume machinable
est rectangulaire et de grande dimension (2 pi × 2 pi × 8 po pour Minitech et 8 pi
× 4 pi × 6 po pour BMR). Tout comme les fraiseuses numériques verticales, ces
deux toupies à commande numérique sont incapables de produire en une seule
étape des moules suffisamment grands pour le thermoformage ou les composites
car l’amplitude de mouvement de l’axe vertical, axe Z, de ces machines n’est que
19
Figure 5: Fraiseuse CNC 3 axes Mini-mill 3 [MIN 02] : fraiseuse verticale à
commande numérique pouvant usiner sur 10”x10”x9”.
de 6 po à 8 po. Pour réaliser un moule plus haut que l’amplitude de l’axe vertical,
il faut construire le moule en plusieurs sections de 6 po à 8 po d’épaisseur où
empiler des sections découpées dans des plaques de contreplaqué, ce qui rend la
tâche fastidieuse et potentiellement imprécise. Une opportunité apparaı̂t pour
le projet McGrO : réaliser à faible coût une machine ayant une amplitude de
mouvement sur l’axe vertical, axe Z, de l’ordre de 1.00 m.
Les spécifications de la toupie CNC Minitech sont montrées à la figure 11.
La vitesse d’avance maximale des axes X et Y, soit ceux de la table, est de
200 po/min (5.0 m/min). Cette vitesse semble rapide en comparaison à celle
des machines-outils conventionnelles qui usinent des métaux. Pour usiner des
matériaux mous, cette vitesse est relativement lente si on la compare aux vitesses
suggérées par des fournisseurs d’outils. Une autre opportunité apparaı̂t pour la
machine McGrO : maximiser la vitesse d’avance de l’outil de coupe, en portant
une attention particulière aux caractéristiques du système de contrôle.
20
Figure 6: Spécifications de la fraiseuse CNC 3 axes Mini-mill 3 [MIN 02].
21
Figure 7: Exemple de pièces usinées avec Mini-mill 3 [MIN 02] : pièces
d’ingénierie en aluminium et en cire d’usinage.
Figure 8: Exemple de pièces usinées par Mini-mill 3 [MIN 02] : pièces de
haut niveau de complexités : des bagues.
Figure 9: Toupie CNC 3 axes Mini-router [MIN 02] : toupie de 3.25 hp installée
sur un système de positionnement numérique 3 axes.
22
Figure 10: Toupie CNC 3 axes BMR [BMR 02] : toupie Porter & Gable de
3.25 hp installée sur un système de positionnement numérique 3 axes.
23
Figure 11: Spécifications de la toupie CNC 3 axes Mini-router [MIN 02].
Un compétiteur de Minitech dans le marché des fraiseuses numériques miniatures, propose une fraiseuse de bureau offrant des performances similaires à
celles de Minitech. La figure 12 montre la fraiseuse Delft Spline installée dans
une enceinte pour contenir les débris d’usinage. C’est en quelque sorte une imprimante solide.
Figure 12: Fraiseuse CNC 3 axes Delft Spline [DEL 02] : une enceinte fermée
rend l’utilisation suffisament propre pour un bureau.
24
On peut noter qu’il existe plusieurs autres fabricants de toupie CNC à plus ou
moins bas prix, comme entre autres : [CAM 02a, CAM 02b, CNT 02, MAC 02,
SUP 02]
De ce bref survol du marché des CNC à bas prix, il ressort que la machine
McGrO y trouverait tout à fait sa place car les approches technologiques sont
similaires. Les besoins du Département de génie mécanique semblent cependant
légèrement différents de ceux de ce marché car ils sont dédiés à 100% à la
fabrication de moule.
3. Choix de la technologie de coupe :
Un choix de technologie de motorisation d’outil de coupe peut déjà être fait.
Pour faire tourner l’outil, il est possible d’utiliser une toupie à bois commerciale, un moteur choisi spécifiquement et adapté à une broche ou encore, une
fraiseuse pneumatique. Deux toupies commerciales s’avèrent intéressantes pour
cette application : la puissante Porter & Cable 7518 illustrée à la figure 13 la
compacte Makita RF1101 illustrée à la figure 14. Aussi, la fraiseuse pneumatique Snap-on PT220R de la figure 15 pourrait être intéressante. En tout, on
retrouve quatre différentes options technologiques. Elles sont comparées par la
matrice de décision au tableau 4 et la toupie Makita RF1101 en ressort comme
le meilleur choix avec un résultat de 86%.
25
Figure 13: Spécifications de la toupie Porter & Cable 7518 [DEL 02] : 476$
chez Rona
26
Figure 14: Spécifications de la toupie Makita RF1101 [MAK 02] : 299$ chez
Rona.
Figure 15: Spécifications de la fraiseuse pneumatique Snap-on [DEL 02] :
300$ site web Snap-on
27
TABLEAU 4: Matrice Kepnor-Trego pour le choix des technologies de
motorisation
Critères
Poids (a)
/10
Puissance
10
Coût
9
Fiabilité
9
Volume
8
Cons. énergétique
6
Bruit
4
Masse
3
Critères
Poids (a)
/10
Puissance
10
Coût
9
Fiabilité
9
Volume
8
Cons. énergétique
6
Bruit
4
Masse
3
Technologies de coupe
Toupie Makita
Toupie Porter Gable
Points (b)
(ab) Points (b)
(ab)
/100 /1000
/100
/1000
70
700
90
900
85
765
60
540
100
900
95
855
80
640
75
600
100
600
90
540
85
340
80
320
85
255
70
210
86%
81%
Meule à air comp.
Outil sur mesure
Points (b)
(ab) Points (b)
(ab)
/100 /1000
/100
/1000
20
200
100
1000
100
900
20
180
50
450
30
270
100
800
85
680
30
180
80
480
30
120
40
160
100
300
50
150
60%
60%
4. Conclusions :
On peut retenir que la machine McGrO devrait être :
• une machine qui suit les principes de construction des machines CNC à
bas prix ;
• une machine qui se démarque par une grande amplitude de l’axe vertical,
axe Z, de l’ordre de 1.00 m ;
• une machine qui se démarque par des vitesses d’avance élevées ;
• une machine dans laquelle le moteur de broche est constitué par une toupie
commerciale. La toupie commerciale envisagée est une toupie Makita RF1101
d’une puissance affichée de 2.25 hp (puissance réelle de 1.32 kW ou 1.78
hp).
28
Annexe II : Études de préfaisabilité technique
Rappel des caractéristiques pré-établies
1. Besoins énoncés par le client :
• dimensions maximales hors tout des pièces à usiner : moule en bois situé
dans une enveloppe de 2.5 m×1.25 m, hauteur=1.0 m, mais pouvant être
divisé en trois parties pour l’usinage.
• budget pour achat de matières et composantes : 11 000$ ;
• utilisation d’un logiciel de CAO avec lequel les étudiants sont familiers
pour le dessin des moules, de préférence SolidWorks ;
• limiter le temps maximal d’occupation machine à 8 heures ;
• convivialité dans l’utilisation de l’interface et facilité d’utilisation de la
machine.
2. L’analyse de pré-faisabilité de marché et des machines similaires a permis de
déterminer :
• nombre maximum d’axes contrôlés numériquement : 3 ;
• moteur de broche : utilisation d’une toupie Makita RF1101 et d’outils
courants pour l’usinage du bois.
3. Conclusions :
• la considération de budget limité, la possibilité de subdiviser chaque moule
en trois parties assemblées, la considération des dimensions hors tout des
moules en bois et l’analyse du marché nous indiquent une opportunité
d’innover en concevant une machine CNC à bas prix permettant de scultper
des moules de hauteur importante.
• Ces considérations permettent aussi de déterminer des valeurs préliminaires
pour les trois déplacements de la machine CNC :
• déplacement en X : 1.00 m ;
• déplacement en Y : 1.50 m ;
• déplacement en Z : 1.00 m.
• La valeur de la course en Z peut être réduite à l’épaisseur d’une plaque
de contreplaqué si la solution retenue est de procéder par empilement de
plaques découpées. À cette option correspondrait une réduction appréciable
du coût de la machine compte tenu de son impact tant sur la struture
mécanique que sur le contrôle CNC qui peut alors être très simple. Malheureusement, cette diminution des coûts se fait au détrimant de la précision
des moules fabriqués (≈ 7 mm vs 0.8 mm) et de la durée totale de fabrication des moules (≈3 fois plus).
29
Limites des surfaces usinées
1. Techniques de fabrication des moules :
La machine doit permettre la réalisation de moules mâles et de moules femelles.
On utilise pour le thermoformage généralement des moules mâles tandis que le
moulage de matériaux composites, se fait généralement sur des moules femelles.
La figure 16 illustre les principales techniques de mise en forme possibles avec
les moules mâles et femelles fabriqués par la machine McGrO et en particulier
la technique de contre-moulage consistant à fabriquer un moule femelle à partir
de l’emprunte laissée par un moule mâle.
Figure 16: Techniques de mise en forme permises par la machine McGrO :
a) mise en forme de pièces de carosserie à partir d’un moule mâle usiné par la machine
McGrO, b) mise en forme de pièces de carosserie à partir d’un moule femelle usiné par
la machine McGrO.
30
2. Contraintes de fabrication :
Puisque le nombre d’axes de la machine est limité à trois axes contrôlés numériquement
pour des raisons de coût et de simplicité, l’outil de coupe demeure en tout
moment vertical. Trois contraintes limitant la forme des surfaces usinées sont
illustrées et expliquées à la figure 17.
Figure 17: Contraintes de conception de moule de la machine McGrO :
a) contrainte de contre-dépouille, b) contrainte d’angle de démoulage : θ = angle de
démoulage minimum, c) contrainte du gabarit.
• Contre-dépouille :
À moins de précautions spéciales, la reprise de la pièce usinée en cours
d’opération entraı̂ne d’importantes pénalités au niveau de la précision et
du temps. Sans reprise, il est impossible d’usiner des surfaces en contredépouille avec un outil droit dont l’axe est vertical. La décision de ne pas
utiliser d’outils spéciaux et de ne pas effectuer de reprise élimine donc la
possibilité d’usiner des moules présentant des surfaces en contre-dépouilles
relatives à l’axe vertical, axe Z, comme le montre la figure 17 a).
• Angle de démoulage et gabarit :
Comme le montre la figure 17b), il existe un risque d’interférence entre le
boı̂tier de l’outil et la pièce. La figure 18 identifie les dimensions actuelles
de la toupie Makita RF1101 équipé d’un outil Freud φ19 mm. Le diamètre
du boı̂tier de la toupie est égal à 82 mm. Lorsque l’extrémité de l’outil de
diamètre 19 mm est situé à 88 mm de la base, l’angle moyen de la surface
usinée avec l’axe des Z est au maximum égal à θ = 20o .
Par ailleurs, la considération de la vis de fixation de l’outil à la toupie
limite à 30 mm la hauteur des surfaces verticales qui peuvent être usinées.
Les solutions possibles à ces contraintes provenant de l’interférence entre
le boı̂tier de la toupie et la pièce sont :
31
Figure 18: Angle de démoulage avec toupie Makita RF1101 : φ1 =82 mm,
φ2 =19 mm, l1 =88 mm, l2 =38 mm, θ = 20o .
• l’utilisation d’outils de plus grand diamètre tout en maintenant le
diamètre de la queue de l’outil égal à φ12.7 mm.
• l’utilisation d’une extension de la broche de la toupie comme illustré
à la figure 19. Une limite évidente à cette extension proviendra de la
déflexion de cette extension sous les efforts de coupe et la possibilité
d’engendrer des vibrations. Il faut noter aussi les difficultés associées
à la construction d’une broche pouvant tourner à 24 000 tours par
minute.
32
Figure 19: Angle de démoulage avec toupie Makita RF1101 modifiée :
l1 ≈350 mm, θ ≈ 5o .
3. Conclusions :
• Le choix d’une machine CNC 3 axes orthogonaux ne permet pas d’usiner
des formes présentant des contre-dépouilles sans avoir recours soit à des
outils spéciaux soit encore à des opérations de reprise.
• À moins de recourir à des outils ou des montages spéciaux (extension de
broche), la sélection d’une toupie comme moteur de broche de la machine
limite l’angle moyen d’inclinaison de la surface usinée avec la verticale à
environ 20 degrés pour des cavités de profondeur supérieure (ou des moules
de hauteur supérieure) à 90 mm.
• La hauteur maximum d’une surface verticale usinée est égale à 30 mm.
Précision des surfaces usinées
1. Les tolérances normalement spécifiées pour des pièces en plastique moulées sont
de l’ordre de 0.1 mm pour 25 mm [TRU 74]. Si l’on accepte que la précision sur
33
l’outillage soit égale au 1/10 de la tolérance acceptée sur la pièce, la précision
attendue sur l’outillage serait de 0.01 mm par 25 mm ou encore 0.4 mm par
mètre. Pour un déplacement maximum (diagonale du cube 1.5 m × 1.0 m × 1.0
m), cette précision correspond à une erreur de position de l’outil égale à 0.82
mm, ce qui semble réalisable.
2. L’obtention directement par usinage du fini de surface requis par les pièces de
carrosserie implique de faibles valeurs de profondeur de passe et l’utilisation de
fraise à embout sphérique. Les implications sont nombreuses :
• discrétisation fine des surfaces ;
• faibles valeurs de profondeur de passe ;
• temps de fabrication élevé.
3. Conclusions :
Si l’on accepte le principe selon lequel les surfaces de la cavité ou du moule
sont finies à la main avec dans le cas du moule en bois l’utilisation de mastic
pour combler les aspérités, l’usinage consiste essentiellement en une opération
d’ébauche et il n’est pas indispensable d’utiliser un outil à embout sphérique.
Pour fixer les idées, on limite pour l’instant la hauteur des aspérités admissibles
à la surface à 0.50 mm.
Construction et usinage des moules
1. Techniques de construction des moules :
Les moules peuvent être usinés à partir de blocs rectangulaires (bois plein ou
empilement de feuilles de contreplaqué collées avant usinage) ou encore à partir
d’un empilement de feuilles de matériel découpé (contreplaqué, particules de
bois pressées, feuilles de styromousse).
2. Système de vide pour les moules de thermoformage :
La surface des moules pour le thermoformage doit être munie de trous de faible
diamètre, φ ≈ 1.2 mm, pour assurer un certain niveau de succion : des orifices
doivent donc communiquer avec un collecteur de distribution et une pompe à
vide. La construction par empilement simplifie la fabrication des canalisations
en offrant la possibilité d’évider l’intérieur des feuilles, comme le montre la
figure 20.
3. Trajectoires d’outils :
Dans le cas de l’usinage dans la masse, les trajectoires d’outils sont rectilignes
paraxiales, figure 21, ou encore suivent le contour de la pièce (contournage), figure 22. Les opérations de contournage sont obtenues par interpolation linéaire
dans le cas général. Les trajectoires sont normalement limitées aux plans paraxiaux (XY, XZ et YZ). Les surfaces cylindriques sont obtenues par interpolation
circulaire dans les plans paraxiaux, figure 23.
Le chantournage avec défonçage de plaques minces est utilisé pour l’empilement
de plaque, figure 24.
34
Figure 20: Construction par empilement de moule de thermoformage
Figure 21: Usinage dans la masse par trajectoire rectilignes paraxiales
Figure 22: Usinage dans la masse par contournage XY
35
Figure 23: Usinage dans la masse avec interpolation circulaire : les profils
XZ et YZ sont normalement effectués avec un outil à embout sphérique.
Figure 24: Chantournage XY et défonçage de plaque mince
36
L’observation des schémas précédents montre que si l’on exclut l’utilisation d’un
outil à embout sphérique, les opérations de contournage dans les plans XZ et
YZ présentent peu d’intérêt.
4. Volume de matière à enlever :
Le volume de matière enlevé par usinage constitue la différence importante
entre l’option d’usinage dans la masse et l’option de l’empilement de plaques.
Par exemple, comparons ces approches pour réaliser un moule mâle ayant la
forme d’un demi cylindre de diamètre φ0.5 m de longueur 0.8 m :
(a) Volume à enlever par usinage dans la masse (paraxial par exemple) : 61
710 cm3 .
Soit un bloc de bois initial de 0.55 m × 0.85 m × 0.3 m.
(b) Volume à enlever par empilement de plaque : 1 566 cm3 .
Il est connu que le volume enlevé par chantournage de plaques est approximativement égal à la surface multipliée par le diamètre de l’outil. Soit 10
plaques de 30 mm d’épaisseur et de dimensions 0.6 m × 1.0 m découpée
avec un outil de diamètre φ19 mm et une surface du moule égale à 824 cm2 .
L’utilisation d’un outil de diamètre 12 mm permet de réduire le volume
enlever par chantournage à 990 cm3 , c’est-à-dire 62 fois moins que l’usinage dans la masse. Dans le cas d’un moule creux de même forme et de
mêmes dimensions, le volume à enlever par usinage dans la masse est de 78
500 cm3 , le volume enlevé par chantournage serait alors 78 fois plus faible
que le volume à enlever par usinage. Que le moule soit mâle ou femelle,
l’empilement de plaque permet de diminuer considérablement le volume de
matière à enlever.
5. Conclusions :
Les deux techniques de fabrication de moule offrent des avantages mutuellement exclusif. Le contexte d’utilisation du moule déterminera si l’utilisateur
pourra tirer profit de ces avantages. Il est intéressant que la machine McGrO
permette l’emploi des deux techniques de fabrication de moule, le choix reposant sur le jugement l’utilisateur. Par conséquent, McGrO doit posséder 3
axes contrôlés numériquement. À titre d’exemple, analysons les besoins des
projets de la dernière promotion finissante, soit la 43e promotion. Certains projets comme Harfang et Vag auraient eu besoin de la précision d’une machine 3D
pour réaliser respectivement des profilés d’aile d’avion radio-guidée et une coque
de véhicule aquatique. D’autres, comme le projet Blizzard, aurait eu besoin de
la rapidité et de la simplicité de l’empilement de plaque 2D pour la fabrication
de leurs flotteurs de quatamaran de 16 pi de long.
Le choix d’une construction par empilement de plaques présente les avantages
suivants :
(a) coût d’achat du matériel limité ;
(b) facilité d’obtention de surfaces verticales ;
(c) facilité de l’usinage de conduits d’aspiration pour les moules de thermoformage ;
37
(d) volume de matériel à usiner réduit ;
Le choix d’une construction par usinage dans la masse présente les avantages
suivants :
(a) beaucoup plus précis ;
(b) manipulations limités (moins de risque d’erreur) ;
(c) peu d’effort de finition ;
(d) aucun dispositif de positionnement des plaques à prévoir pour l’empilement ;
(e) aucune erreur de la précision de l’épaisseur des plaques de bois, MDF,
Styrofoam et contreplaqué disponibles commercialement ;
(f) aucune erreur de localisation des différentes plaques d’un empilement dans
le cas du moule mâle.
Conditions d’usinage :
1. Paramètres de coupe :
Les valeurs suggérées pour les conditions d’usinage varient beaucoup d’une
source à l’autre. Il faut réaliser cependant que l’on effectue avec une toupie
des opérations de nature très différentes qui vont du moulurage (opération rectiligne) à des opérations de chantournage jusqu’au sculptage de surfaces tridimensionnelles.
• Les données de CNC Advisors [CNC 99] : ces données sont caractérisées
par des vitesses de rotation élevées et par des vitesses d’avance très élevées.
• Les données pour l’usinage du bois (fraisage) de SME15 [DRO 83] : les
valeurs des paramètres de coupe recommandées sont semblables à celles
utilisées pour l’usinage de l’aluminium, c’est-à-dire, une vitesse de rotation
limitée et des valeurs d’avance par dents élevées (180 m/min, 4000 rpm,
0.013 à 0.05 mm dans le cas d’une fraise de diamètre 12 mm).
• Les valeurs utilisées chez Moule Samco pour le sculptage de moules en bois
(contreplaqué russe) sont :
• outils : carbure métallique, embout sphérique, diamètre : φ30 mm,
deux dents
• usinage paraxial : profondeur de passe : d=10 mm, avance par passe :
f=15 mm, vitesse d’avance : 7 à 20 m/min (selon la machine)
• contournage : vitesse d’avance : 7 m/min
Pour le même matériel, les valeurs de d et f sont réduites pour un outil de
plus petit diamètre (φ16 mm) à d= 4 mm et f= 5 mm. Les valeurs utilisées
pour l’usinage de la mousse Renshape16 sont le double de ces valeurs.
15
16
Society of Manufacturing Engineers
Mousse à base d’uréthane spécialement conçue pour faciliter le machinage
38
• Les valeurs expérimentales de vitesse d’avance obtenues en laboratoire :
Des tests préliminaires ont été effectués avec des outils commerciaux pour
toupie de diamètre φ12.7 mm et φ19 mm. La toupie utilisée est une toupie
Makita RF1101 de 2.25 hp. Les résultats montrés au tableau suivant indiquent qu’il n’a pas été possible de rainurer un bloc de mousse à une
vitesse d’avance supérieure à 7.3 m/min et que dans le cas du rainurage
du bois (pin) la puissance de la toupie a limité la vitesse d’avance à 2.3
m/min.
2. Puissance consommée par l’opération :
Dans les tests préliminaires d’usinage le débit maximum de bois usiné obtenu
expérimentalement dans l’opération de rainurage d’un bloc de pin a été de 722
cm3 /min (diamètre : φ19 mm, profondeur de passe : 19 mm, vitesse d’avance :
2.3 m/min , avance par dent : 0.05 mm). Si on estime que la totalité de la
puissance disponible à la toupie (Pef f icace = V I = 11 × 120 = 1.32 kW) a servie
à l’opération d’usinage, on obtient une puissance unitaire de Pu = 0.002 kW.min
,
cm3
soit environ une puissance unitaire 10 fois plus faible que pour le fraisage de
l’aluminium pour des avances par dent situées entre 0.12 mm et 0.30 mm :
[DRO 83].
Pu = 0.023 kW.min
cm3
Pour valider la valeur expérimentale de puissance unitaire de Pu = 0.002 kW.min
,
cm3
il est possible d’établir une comparaison entre cette valeur et celle prescrite pour
l’aluminium en utilisant les propriétés mécaniques du pin et de l’aluminium. Les
caractéristiques mécaniques du pin blanc sont :
• résistance en traction (direction des fibres) : 100 MPa
• résistance en traction (direction perpendiculaire) : 2.10 MPa
• résistance en cisaillement (parallèlement aux fibres) : τmax = 6.10 MPa
Les valeurs typiques pour l’aluminium sont :
• résistance ultime en traction : 190 MPa
• résistance ultime en cisaillement : τmax = 80 MPa
Si l’on suppose que la puissance unitaire est proportionnelle à la résistance en
cisaillement d’un matériau Pu ατmax , on trouve que la valeur de puissance unitaire expérimentale du pin concorde avec la valeur de référence de l’aluminium :
PuAl
τmaxAl
0.023
80
= τmax
≈ 6.1
. La puissance unitaire mesurée expérimentalement
Pupin
0.002
pin
semble donc réaliste puisqu’elle concorde en ordre de grandeur aux valeurs prescrites.
3. Durée d’usinage d’un moule (ou section de moule) en bois typique :
Dans les conditions ci-dessus le temps requis pour le sculptage du moule en bois
constitué d’une cavité semi cylindrique de diamètre φ0.50 m et de longueur 0.80
m:
3
78500cm
• durée de l’opération d’ébauche : 722cm
3 /min = 109 min soit 1.8 heures
• durée de l’opération de finition par contournage cylindrique XZ :
— avance par coup : 1 mm (800 passes)
39
— vitesse d’avance : 2.3 m/min
— longueur d’une passe (demie circonférence) : 0.78 m
— durée de l’opération de finition : 274 min soit 4.5 heures
• Durée totale d’usinage : 6.3 heures pour une finition de haute qualité.
4. Conclusions :
Les tests préliminaires d’usinage indiquent qu’avec la toupie sélectionnée et les
outils utilisés, la vitesse d’avance maximale possible en opération d’ébauche est
limitée à 2.3 m/min. Les vitesses utilisées sur les machines CNC de l’entreprise
de Moule Samco sont supérieures mais du même ordre de grandeur (7 m/min.
Un estimé du temps pour faire l’ébauche et la finition d’un moule typique en
bois avec une vitesse d’avance limitée à 2.3 m/min démontre que dans une
situation extrême dans laquelle 7 projets requièrent chacun un moule de 2.5 m
de longueur, les 7 moules pourraient être fabriqués dans un délai d’un mois.
Le temps requis pour la fabrication de ces 7 moules par empilement de plaque
serait probablement inférieur de moitié.
L’opportunité de retenir une machine permettant des vitesses d’avance élevées
n’est pas essentielle pour satisfaire le besoin du client de limiter le temps maximal d’occupation machine à 8 heures. Donc, la vitesse d’avance retenue comme
spécification initiale pour les opérations de contournage est de 2.3 m/min.
Configuration générale de la machine :
Plusieurs alternatives de configuration sont courammement utilisées dans les machines outils à commande numérique 3 axes ou 2 axes et demi :
1. CNC 3 axes :
(a) Bras robotisé 2 degrés de liberté par rotation autour de Z (style pantographe) et mouvement vertical contrôlé de l’outil en Z, figure 25 a) ;
(b) Table contrôlée en XY, structure en C et mouvement contrôlé de l’outil en
Z, figure 25 b) ;
(c) Table contrôlée en X, structure en pont et mouvement contrôlé de l’outil
en Y et Z, figure 25 c) ;
(d) Structure en boı̂te, déplacement de l’outil en XYZ, figure 25 d).
2. CNC 2 axes :
Les configuration b), c) et d) conviennent à une machine à chantourner 2 axes
CNC, le réglage de la position en Z de l’outil pouvant être soit automatisé (CNC
2 axes et demi) soit manuel avec possibilité de perçage.
3. Conclusions :
40
Figure 25: Configuration d’axe possible pour McGrO : a) bras robotisé, b)
table contrôlée en XY, c) table contrôlée en X, d) structure en boı̂te.
• L’utilisation de structures rigides sans porte à faux, configuration c) et d),
est bien adaptée aux machines ayant des forces de coupe élevées.
• L’utilisation d’une table mobile suportant le bloc de bois, configurations
b) et c), requiert des moteurs de commande plus puissants que dans les
cas où tous les déplacements sont effectués sur l’outil, configurations c) et
d).
• L’espace au plancher est plus grand pour les configurations b) et c) que
pour a) et d), configuration pour lesquelles la surface au plancher est nominalement égale au produit des courses en X et Y :
— Configuration a) et d) : X × Y = 1.00 m × 1.50 m = 1.5 m2
— Configuration b) : X × Y = 2.00 m × 3.00 m = 6 m2
— Configuration c) : X × Y = 3.00 m × 1.00 m = 3 m2
Interface CAO-McGrO :
Le projet McGrO présente un important défi technique du point de vue contrôle et
logiciel. Celui-ci consiste à générer les trajectoires de coupe à partir d’un modèle 3D
41
du moule sur SolidWorks et ensuite à contrôler le mouvement de l’outil sur ces trajectoires. Afin de s’assurer de la faisabilité de cette partie du projet dans une période de
4 mois, trois professeurs du Département de génie mécanique ont été rencontrés. M.
Alain Desrochers expert en CAO, M. Patrice Masson expert en mécatronique et M.
Milan Brézina expert en fabrication ont été consultés pour identifier les alternatives
possibles pour générer les trajectoires de coupe et contrôler le mouvement de l’outil.
Il existe quatre alternatives pour réaliser l’interface CAO-McGrO et deux alternatives pour le contrôle numérique de la machine.
1. Génération des trajectoires de coupe :
• Alternative 1 : Concevoir une macro commande dans SolidWorks pour automatiser l’opération de couper le modèle solide pour en extraire les contours et par la suite calculer les coordonnées des points. La compatibilité
de SolidWorks avec cette approche par macro commande reste cependant
à valider. Si l’approche par macro commande s’avère impossible, une application en Visual Basic peut être développée pour obtenir les coordonnées
des points.
• Alternative 2 : Utiliser le logiciel CATIA pour définir le modèle 3D du
moule et développer une routine de génération de points. Le succès de
cette solution de rechange est assuré selon Alain Desrochers.
• Alternative 3 : À partir de SolidWorks, utiliser un fichier enregistré avec le
format “.stl” pour la stéréolithographie comme intermédiaire. Cette solution est complexe parce qu’elle engendre la reconstruction du solide pour
ensuite en extraire les coordonnées des points de la surface. Plusieurs fonctions d’interpolation sont alors nécessaires puisque le format “.stl” consiste
à discrétiser la surface du solide en une multitude de triangles dont les coordonnées X, Y, Z des sommets sont sauvegardées dans le fichier. Le travail de développement de cette alternative est important et on peut aussi
craindre des difficultés au niveau du temps de calcul et de la précision des
calculs.
• Alternative 4 : Utiliser un logiciel commercial comme l’extension FAO de
CATIA ou le logiciel StlWork2, pour génèrer des fichiers de code G prêts
à utiliser par les machines-outils numériques traditionnelles. Le code G est
un langage machine utilisé pour transmettre les informations de positions
des axes des machines-outils numériques et les instructions des séquences
de machinage. Ce langage est le standard dans le domaine des machines à
commandes numériques. Un exemple d’une ligne de code G est illustré à
la figure 26.
2. Contrôle :
• Alternative 1 : Acheter un contrôleur industriel permettant d’interpréter
les codes G de la programmation des machines outils à commande numérique.
42
Figure 26: Exemple de code G [MAR 93].
Les contrôleurs neufs se vendent généralement à un prix supérieur à 10 000$
(Fagor, GE Fanuc). À ce prix, il est facile de comprendre pourquoi ils se
distinguent pour leur fiabilité, la richesse de leur vocabulaire de code G et
la précision de leur contrôle.
• Alternative 2 : Utiliser des logiciels qui interprètent le code G et contrôlent
le mouvement de l’outil, comme le logiciel CNC Pro de Yeager Automation
à 320$ [YEA 02]. Son créateur affirme qu’il est utilisé par plus de 600
entreprises. Le logiciel utilise le port parallèle de l’imprimante pour générer
des pulses TTL (0-5V) pouvant être utilisés pour commander des moteurs
pas à pas.
• Alternative 3 : Développer un système de contrôle de moteur reposant sur
une plate-forme PC. Il est aussi possible de créer un logiciel d’interprétation
de code G et de contrôle sur l’outil de programmation Labview, mais cette
avenue demande beaucoup d’efforts en 4 mois, sans garantir un fonctionnement sans faille.
3. Conclusions :
• À l’heure actuelle, aucun choix ne peut être fait sur les alternatives de
génération de trajectoire et de contrôle.
• Le choix du procédé de génération des trajectoires de coupe et du système
de contrôle a un impact important en matière de coût et de délai. Le prix
des solutions peu varier de ≈320$ à ≈10 000$.
• Les critères de choix seront en priorité la robustesse de la machine McGrO
et le respect des coûts du projet. Le choix final se fera lors de l’émergence
des concepts.
43
Annexe III : Étude de préfaisabilité de l’usinage du
MDF (Medium Density Fiberboard) et du styromousse
1. MDF :
Le MDF est l’acronyme utilisé pour décrire les panneaux de particules de bois
agglomérés. On retrouve souvent ce genre de panneau dans la fabrication de
comptoir de mélamine et de meuble de bureau. L’usinage du MDF avec une
toupie impose deux problèmes :
• Le comportement de l’outil dans un tel matériau. Selon Dave Rankin,
conseiller technique du forum du site web WoodWeb (webforum technical
advisor), la seule contrainte associée au machinage de moulure en MDF
est l’utilisation de lame d’outil en carbure [RAN 02]. Il faut noter que le
machinage de moulure se fait sur des outils de forme de grand diamètre. Il
est alors supposé que le comportement de l’outil de coupe sur les machines
de moulure et les toupies est analogue. La colle à base de formaldéhyde,
présente dans le MDF aurait un effet abrasif accru sur l’outil comparativement au bois mou. L’utilisation d’outil en acier rapide est possible, mais
leur durée de vie est de beaucoup réduite par rapport au carbure. Cette
tendance est aussi confirmée par Martin Hamel de Moule Samco.
• L’usinage du MDF dégage du formaldéhyde et de la poussière. La figure 27
identifie les concentrations critiques de formaldéhyde et de poussière dans
un espace de travail tel que spécifié par la fiche signalétique d’un panneau
de MDF de la compagnie Canfibre. Le formaldéhyde doit être évacué par
un système de ventilation adéquat et répondant aux normes. Tous comme
le bois, le machinage du MDF libère aussi de la poussière dont le niveau
doit être controlé. En plus de la poussière de bois, il est essentiel pour
usiner du MDF que le système de contrôle de la poussière soit aussi capable
de contenir le formaldéhyde sans que cela ne présente de danger pour les
utilisateurs.
Il sera donc impératif de s’assurer de la conformité du système de ventilation de McGrO avec les normes citées à la figure 27, sans quoi il sera
impossible d’utiliser la machine avec du MDF.
2. Styromousse :
Le styromousse fait à base de sphères de polypropylène agglomérées est particulièrement difficile à usiner selon Martin Hamel de Moule Samco. Le principal
problème est le manque de rigidité de ce matériau. Par sa meilleur rigidité, le
styromousse d’isolation résidentielle couramment appelé “Styrofoam SM” est
beaucoup plus facile à usiner.
Dans les tests préliminaires d’usinage, le débit maximum de styromousse usiné
obtenu expérimentalement dans l’opération de rainurage d’un bloc de Styrofoam
44
SM a été de 2300 cm3 /min (diamètre : φ19 mm, profondeur de passe : 19 mm,
vitesse d’avance : 7.3 m/min , avance par dent : 0.16 mm). Le débit est 3.1 fois
plus élevé que dans le cas du rainurage du pin. La vitesse d’avance maximale
est limitée par le fini de surface qui au delà de cette vitesse d’avance, devient
inacceptable. Il présente alors des imperfections causées par l’arrachement de la
matière.
Tout comme le MDF, l’usinage du styromousse génère beaucoup de poussière
et potentiellement des émissions de solvant à base de styrène. Au même titre
que le MDF, l’usinage du styromousse requière donc le respect de normes sur
la santé au travail similaires à celles de la figure 27.
3. Conclusions :
Tant et aussi longtemps qu’un système adéquat de contrôle des débris (poussières
et gaz) ne sera pas installé sur la machine McGrO, il n’y aura aucun usinage de
MDF ou de styromousse.
45
Figure 27: Concentrations maximales de poussière et de formaldéhyde,
extrait de la fiche signalétique d’un panneau de MDF [CAN 02].
46
Annexe IV : Étude de préfaisabilité économique
L’estimé des coûts du projet McGrO est présenté au tableau 5. Les choix retenus
pour les fins de cet estimé sont :
• Machine CNC 3 axes, structure en boite répondant aux caractéristiques énoncées
dans la formulation du projet avec commande par un PC fourni par le Département
de génie mécanique.
• La fabrication des pièces et l’assemblage sont assurés par les techniciens du
Département de génie mécanique. Ainsi, le temps de fabrication des composantes
pouvant être fabriquées à l’atelier n’est donc pas comptabilisé comme une
dépense de projet. Seulement les prix des matériaux et des composantes achetées
ou usinées dans des ateliers spécialisés sont comptés.
• Un montant de 3 000 $ est ajouté comme provision pour le risque de non
disponibilité des techniciens pour la fabrication de la machine.
Cet estimé est réalisé selon les connaissances de l’équipe et il est validé avec les prix
de vente des toupies numériques de Minitech et BMR Automation. Le prix coûtant
en matériel d’un seul prototype McGrO serait de 12 350$ tandis que la machine BMR
se vend 6 500$ US = 10 000$. En estimant :
• la fraction du prix de vente de BMR attribué aux coûts des pièces à 50% ;
• et la réduction du prix des pièces sur une base annuelle de 500 unités à 50% du
prix d’une seule machine ;
nous arrivons au prix coûtant en matériel pour une seule unité de la machine BMR
de 10 000$ :
10000 × 0.5 = 5000$ coûts des pièces avec rabais de volume
5000
= 10000$ coûts des pièces sans rabais de volume
0.5
Puisque cette estimation grossière implique que les prix coûtant en matériel pour
une seule unité sont du même ordre de grandeur, 12 350$ vs 10 000$, l’évaluation
semble correcte. Le surplus de budget de la machine McGrO est associé aux fonctions
supplémentaires de sécurité, de contrôle des débris et à la grande portée de l’axe Z.
47
TABLEAU 5: Budget préliminaire du projet McGrO
Item
Rail mvt. linéaire 3 axes
4 pi × 4 pi × 8 pi
Système de transmission de mouvement 3 axes
vis à billes avec reprise de jeu
Roulements linéaires
Dispositifs de sécurité
ex. : interrupteur sur porte
Système de récupération des copeaux et poussières
Aspirateur Shop Vac
Enceinte de sécurité et contre les poussières
plexiglass, châssis d’aluminium
Machine de coupe
toupie Makita RF1101
Moteurs DC(3)
Variateurs de vitesses (drive)
Outils de coupe de test
Table
acier tubulaire, feuilles d’aluminium
Matériaux de test
bois, panneaux styromousse
Sous-châssis des composantes en mvt.
aluminum en plaque, barres, tubes
Capteurs
encodeurs, capteurs de position...
Boulonnerie
Câblage électrique
fils, connecteurs, fusibles...
Panneau de contrôle
tôles d’acier, peinture, divers
Sous-Total
Risque de non disponibilité de la main d’oeuvre
risque de 5 000$, probabilité 60%
Sous-Total
Contingence3 (25%)
Total
1
Prix
Justification
1 000$
SP2
1 000$
1000$
SP
SP
50$
estimation
100$
SP
400$
estimation
400$
700$
750$
150$
SF2
SP
SP
SP
300$
estimation
200$
estimation
200$
estimation
150$
150$
estimation
estimation
100$
estimation
100$
6 850$
estimation
3 000$
9 850$
2 500$
12 350$
Département de génie mécanique.
Soumission préliminaire[SP], Soumission finale[SF]
3
La contingence représente l’incertitude sur les coûts estimés dans le budget d’un projet. Cette
somme d’argent sert à couvrir les imprévus financiers.
2
48
Références
[BMR 02]
BMR Automation Inc. (mars 2002) www.bmrautomation.com.
[CAM 02a]
MSi Motion Solution Inc. (mai 2002) www.camaster.com.
[CAM 02b]
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[CAN 02]
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[CNT 02]
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[DRO 83]
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[MAC 02]
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[YEA 02]
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49

Faculté de génie Département de génie mécanique MÉMOIRE D

Transcription

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