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Introduction à la notion de Chaine Numérique (en mécanique)

Introduction à la notion de Chaine Numérique En Mécanique CAO Paramétrique Calcul

Prototypage Rapide

Métrologie Qualification

CFAO / Simulations d’usinage Réalisation

Rétro conception Digitalisation

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Introduction à la notion de Chaine Numérique (en mécanique)

Synoptique de la présentation • Une définition de la notion de chaîne numérique • Maquette numérique (DMU) • Les différents maillons de la chaine • Les problématiques • Interopérabilité : le maillon faible de la chaine • Calcul et modèle CAO • La FAO

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Introduction à la notion de Chaine Numérique (en mécanique)

Une première définition

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Introduction à la notion de Chaine Numérique (en mécanique) Les objectifs et une première définition • Les objectifs de la chaine numérique sont assez simples :  Utiliser des outils informatiques de la conception à la réalisation d’un produit avec des flux contrôlés  Minimiser voir supprimer le facteur humain, i.e. la modification manuelle des données pendant les flux associés  Contrôler et réguler les informations pour minimiser les erreurs et les délais de mise au point  Définir une méthode systématique et maitrisée de la réalisation d’un produit  Les différents maillons de cette chaine définissent les étapes de création d’un produit  Les liens entre ces maillons sont les flux entre ces étapes

La chaine numérique peut donc être considérée comme un processus tout numérique de la conception à la réalisation du produit via un contrôle numérique des flux

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Introduction à la notion de Chaine Numérique (en mécanique)

CAO / Digitalisation Prototypage Design

Calculs / Validations IPAO

FAO

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Introduction à la notion de Chaine Numérique (en mécanique) Le futur de la production industrielle (Instantanés Technique – Mars/Avril/Mai 2007) • La réalisation d’un produit impose à considérer ses processus de fabrication et la gestion des flux associés • On doit alors « imaginer » et réaliser ces processus du point de vue virtuel pour minimiser les délais et les coûts de mise au point de ceux-ci (fabrication, assemblage, emballage, …)

• Pour cela, on tend vers la mise en œuvre du tout numérique et donc à la modélisation de l’usine et des process • C’est le concept d’usine numérique

DS DELMIA Sébastien Thibaud - sebastien.thibaud@univ-fcomte.fr - http://sebastien.thibaud.free.fr - Novembre 2008

UGS Technomatix (RobCad) 6


Introduction à la notion de Chaine Numérique (en mécanique)

La maquette numérique Digital MockUp

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Introduction à la notion de Chaine Numérique (en mécanique) Maquette numérique (Digital Mock Up) • La notion de maquette numérique est une représentation géométrique et temporelle d’un produit défini par des outils informatiques • Pendant le processus de conception (ou de reconception), cette maquette évolue … • Elle permet un processus plus rapide d’études, d’analyses et surtout d’évolutions (différentes solutions peuvent être envisagées assez rapidement) • Elle permet d’éviter la coûteuse et vite obsolète maquette physique • Prise en compte de la modification d’un ou plusieurs paramètres -> Impact sur la maquette CAO (Attention dans le cas paramétrique)

La maquette numérique est donc souvent associée à un système CAO, mais ce n’est qu’une partie de son utilisation (ergonomie, automatisation, assemblage, accessibilité, montabilité, fonctionnement statique et dynamique, …)

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Introduction à la notion de Chaine Numérique (en mécanique) Maquette numérique (Digital Mock Up)

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Introduction à la notion de Chaine Numérique (en mécanique)

Outils CAO (CAD)

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Introduction à la notion de Chaine Numérique (en mécanique) Conception Assistée par Ordinateur • L’outil CAO est devenu central dans la mise en œuvre de la maquette numérique • L’avènement des CAO dites paramétriques (PTC début des années 90) fut une avancée majeure pour le déploiement de la notion de maquette numérique (CAO Variationnelle paramétrique)

• Les principaux modeleurs du marché (Pro-engineer, CATIA, CADDS, Solid Edge, …) sont basés sur une représentation Brep (Boundary Représentation) dite modélisation surfacique (seules les surfaces englobantes d’une pièce sont représentées) • Des modeleurs CSG (Constructive Solid Geometry ou Géométrie de Construction solide dit modélisation volumique) ont été utilisés (AutoCAD, …) • Ils sont basées sur des opérations de combinaisons de solides (opérations booléennes)

BRep Sébastien Thibaud - sebastien.thibaud@univ-fcomte.fr - http://sebastien.thibaud.free.fr - Novembre 2008

CSG 11


Introduction à la notion de Chaine Numérique (en mécanique) Conception Assistée par Ordinateur • La plupart des acteurs de la CAO utilisent donc des modèles paramétriques • Ces modèles sont définis comme une succession de fonctions technologiques (extrusion, révolution, trous, rainures, balayages, …) • Ces successions de fonctions technologiques sont alors hiérarchisées dans l’ordre de création sous la forme d’une arborescence : l’arbre de construction (ou arbre des spécifications)

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Introduction à la notion de Chaine Numérique (en mécanique)

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Introduction à la notion de Chaine Numérique (en mécanique) Conception Assistée par Ordinateur • En pratique, la conception d’une pièce semble facilitée mais ce n’est pas (rarement) toujours le cas • Pour créer une pièce, l’arbre peut être constitué de dizaines (centaines) d’opérations technologiques • Il existe plusieurs possibilités pour créer une même pièce • La modification d’une branche (d’une fonction) impacte sur les branches parentes associées et peuvent amener à une régénération impossible du composant ou une suppression des fonctions parentes

La conception paramétrique est une question de spécialiste Maintenir la cohérence de la pièce et l’éventuel paramétrage est complexe Sans règles de conception : Il est impossible de maintenir un modèle paramétrique robuste (exemple : utilisation des fonctions technologiques raccord, chanfrein …) Dans le cas d’une maquette numérique, l’arborescence doit suivre des règles établies (par sous-ensembles, fonctions, sous-produits, co-traitants) EN BREF : ON NE GERE PAS L’ARBORESCENCE N’IMPORTE COMMENT … Sébastien Thibaud - sebastien.thibaud@univ-fcomte.fr - http://sebastien.thibaud.free.fr - Novembre 2008

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Introduction à la notion de Chaine Numérique (en mécanique) Conception Assistée par Ordinateur • La notion de Naming (voir cours PLM) est aussi une chose importante • On définit un standard alphanumérique pour nommer les pièces (permet d’éviter des définitions aléatoires ou au bon vouloir du concepteur, exemple courant : toto, truc, bidule, bati, …) • Le naming ou « code barre » permet de définir de manière unique le nom d’un fichier • Il possède les avantages suivants  Identification (qui et quoi) du type de document sans l’ouvrir dans l’application concernée  Unicité des assemblages ou pièces CAO

 Sous-traitance aisée  Droits d’accès facilités (naming pré rempli) • Exemple du format AP2610 utilisé comme le standard en aéronautique

M

Project Code

5

7

S

5

5

0

0

Type Code

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1

0

0

0

Part Assembly Code

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Introduction à la notion de Chaine Numérique (en mécanique) Conception Assistée par Ordinateur • Le paramétrique c’est bien mais difficile … alors on a inventé la modélisation explicite (Google Sketchup ?) • Depuis moins d’un an, on voit apparaître des modeleurs dits explicites (ou mixant paramétrique/ explicite) • Deux modeleurs explicites commercialisés : Spaceclaim et Solid Edge (mélange paramétrique / explicite) • Dans ce cas, il n’y a plus d’arborescence : seule compte la géométrie affichée • Il n’y a donc pas de lien entre les différentes géométries d’une pièce ou d’un composant • On peut alors créer et surtout modifier des formes extrêmement complexes sans difficultés

Une démonstration de Spaceclaim?

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Introduction à la notion de Chaine Numérique (en mécanique) Conception Assistée par Ordinateur • La cotation et le tolérancement des pièces est une partie fondamentale de la conception d’un produit • C’est-elle qui va imposer la faisabilité d’une pièce, le choix de la technologie de fabrication et surtout le coût du composant • Concevoir sans avoir une idée de comment est réalisée la pièce n’est pas possible – forte influence produit/process • L’impact de la cotation et du tolérancement doit donc faire, une fois de plus, appel à des règles précises et rigoureuses  Normalisation pour la Spécification Géométrique des Produits (Concept GPS – Cours 1ère Année de C. Dielemans)  Cotation fonctionnelle et tolérancement 3D (Cours de 1ère et 2ème année de C. Dielemans)

Cotation & Tolérancement 3D – CATIA V5 Sébastien Thibaud - sebastien.thibaud@univ-fcomte.fr - http://sebastien.thibaud.free.fr - Novembre 2008

CETOL 6σ Logiciel de gestion des tolérances 17


Introduction à la notion de Chaine Numérique (en mécanique) Conception Assistée par Ordinateur • Comment concevoir cette pièce (très simple) en CAO ?

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Introduction à la notion de Chaine Numérique (en mécanique) Des exemples particuliers d’utilisations de la CAO

Design /Conception / Prototypage

Création de la coque par association visuelle (NURBS)

Design

Environnement de travail et croquis

Prototypage Rapide Prototypage « bonne matière »

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Conception technique par modèle fonctionnel

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Introduction à la notion de Chaine Numérique (en mécanique) Des exemples particuliers d’utilisations de la CAO

Traitements des nuages de points Maillage (STL)

Digitalisation(s)

RCAO – Reverse Engineering Extraction des surfaces Rétroconception / Qualification

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Introduction à la notion de Chaine Numérique (en mécanique)

L’interopérabilité des données Le maillon faible de la CAO/PLM

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Introduction à la notion de Chaine Numérique (en mécanique) Présentation • Quel utilisateur de logiciels n’a jamais eu des problèmes pour échanger ses données d’une application à une autre ? • Comment insérer une image Photoshop (PSD) dans Word ? • Les personnes habituées vous direz : « Il suffit d’enregistrer le fichier PSD via Photoshop en un fichier JPEG, PNG, BMP et de l’incorporer dans Word via la commande Insérer une Image » • Oui mais, y-a-t-il une différence entre le fichier PSD initial et son homologue inséré ? • La réponse est SANS AUCUN DOUTE car un fichier PSD regroupe l’historique de construction de l’image, les outils appliqués, il n’est pas compressé, il n’y a pas filtrage … • Ceci n’est pas sans rappeler un fichier CAO natif (CATIA, Pro-e, CADDS, Solidworks, UGS, …) qui regroupe l’historique de construction de la pièce, les règles d’assemblage, les paramètres, le tolérancement, … • Oui mais visuellement, il semble que l’image insérée soit la même … mais ce n’est que visuel • Dans le cas de données CAO, les « échanges » sont référencées selon quatre domaines différents  L’échange a proprement parlé entre plateformes,  La migration  La simplification  L’archivage

C’EST LA NOTION D’INTEROPERABILITE Sébastien Thibaud - sebastien.thibaud@univ-fcomte.fr - http://sebastien.thibaud.free.fr - Novembre 2008

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Introduction à la notion de Chaine Numérique (en mécanique) Interopérabilité • L'interopérabilité est la capacité que possède un produit ou un système dont les interfaces sont intégralement connues à fonctionner avec d'autres produits ou systèmes existants ou futurs. • Cette définition remplace le terme échange qui est trop restrictif et n’englobe pas la migration, la simplification et surtout l’archivage

Les échanges • C’est le cas d’interopérabilité critique le plus fréquemment évoqué • Il est d’autant plus aigu qu’il concerne généralement des entreprises différentes • Par exemple, un donneur d’ordre et ses sous-traitants en vue d’une fabrication, le modèle peut faire l’objet d’allersretours • Généralement, le récepteur hérite soit  du format natif qu’il ne sait pas lire directement et qu’il devra convertir,  d’un format déjà converti mais dont il ne connaît pas forcément la validité • Dans ce dernier cas, les problèmes fréquemment rencontrés sont  Surfaces vrillées ou auto-sécantes,  Déviations des courbes limites des surfaces (frontières)

 Surfaces discontinues et volumes non fermés  Les micro-entités  Apparition d’éléments non souhaités … Sébastien Thibaud - sebastien.thibaud@univ-fcomte.fr - http://sebastien.thibaud.free.fr - Novembre 2008

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Introduction à la notion de Chaine Numérique (en mécanique) • Il sera donc nécessaire de vérifier, comparer et réparer les géométries • Il ne faut pas se tromper : réparer des fichiers CAO est un véritable métier • Ces dernières années, des sociétés se sont spécialisées dans ce type de travail • On peut notamment citer la société INGETECH (www.ingetech.fr) et les outils qu’ils utilisent CADIQ (outil de vérification et de comparaison entre format natif et l’exportation) et CADfix (outil de conversion, simplification et de réparation des fichiers d’échanges) • Pour plus d’informations sur ces deux outils : www.ingetech.fr (revendeur français) et ITI/Transcendata qui en est l’éditeur sur www.transcendata.com

La migration • Que se passe-t-il lorsque l’on adopte un nouveau système de CAO ou que l’on migre vers une mise à jour ? • Prenons rapidement un exemple, très parlant, de l’industrie automobile et de la migration des données CATIA V4 vers V5 • Cette migration est très longue et est encore en cours (encore beaucoup d’équipementiers et de sous-traitants travaillent ave CATIA V4 même si cela tend à disparaître ces derniers mois) • La question suivante se pose alors : « Comment récupérer des études existantes de l’ancienne plateforme vers la nouvelle ? »

• Il existe deux moyens : la conversion automatique et la remasterisation • La première solution mène inexorablement à un modèle perdant des informations et n’est donc pas optimisé

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Introduction à la notion de Chaine Numérique (en mécanique) • La seconde solution consiste alors à opérer une re-modélisation manuelle des études sur la nouvelle plateforme • Elle peut s’appuyer sur une partie de la géométrie convertie : c’est l’opération de préparation • Ensuite on passe par la phase de vérification et de comparaison • Et la dernière opération, la plus complexe, consiste à remodéliser la géométrie dans le nouveau modeleur • Les sociétés INGETECH, MDTVision ou encore SENTICAD proposent de telles opérations (cette liste n’est pas exhaustive, : des BE Indiens se sont spécialisés dans ce type d’activités mais attention aux résultats) • Certains industriels optent pour une remasterisation « au coup par coup » ce qui implique une grande attention à la pérennité de l’archivage des données

La simplification (Dégénérescence) • Dans la chaîne numérique de conception, on utilise très régulièrement les outils de simulations (dimensionnement, mise en forme, interaction fluide-structure, vibroacoustique, vibrations, crash, …) • Pour ce faire, il est nécessaire de faire des opérations d’export/import des outils de CAO vers des mailleurs • Le maillage étant l’un des principaux facteurs d’un calcul mal mené, il en résulte que les opérations d’export/import sont à prendre avec beaucoup de précautions • Prenons un exemple du calcul de crash (dynamique non-linéaire rapide), l’industrie automobile tend à représenter

l’ensemble de la caisse du véhicule et des éléments roulant mais aussi le bloc moteur, les occupants les éléments de sécurité actives (airbag), … • Dans le cadre de ces calculs, le maillage est la somme d’opérations très complexes ayant une influence sur la réponse considérable Sébastien Thibaud - sebastien.thibaud@univ-fcomte.fr - http://sebastien.thibaud.free.fr - Novembre 2008

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Introduction à la notion de Chaine Numérique (en mécanique) • L’orientation du maillage et la taille de maille en fonction de la sollicitation est majeure • A l’heure actuelle, la finesse d’une élément fini (coques) utilisé pour les éléments de caisse (en crash automobile) est de 5 mm de côtés (ce qui représente environ 1 Million d’éléments pour la structure complète) • Il est donc hors de question d’utiliser un mailleur automatique et ceci est une fois de plus un métier • Donc si l’export/import n’est pas maitrisé, le maillage ne sera pas en adéquation avec la géométrie conçue et il n’est pas question de continuer avec une géométrie fausse • Néanmoins, si on utilise des mailles de 5mm (on tend vers 1mm), que faire des informations de conception associées à des éléments de plus petites dimensions ? • Et bien afin d’éviter d’augmenter la complexité du maillage, on met en œuvre une opération de simplification des géométrie, i.e. on va simplifier le modèle (defeaturing) pour obtenir une pièce compatible avec ces spécifications • Un autre aspect de la simplification est associé à la volonté de présenter des modèles dont on ne veut pas montrer certains savoir-faire

CAO (STEP AP214)

Modèle EF Dégénérescence et maillage en coques spatiales

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Introduction à la notion de Chaine Numérique (en mécanique) CAO et Calculs

Simulation dynamique de solides rigides (cf Cours µ1) MSC SimDesigner Motion – CATIA V5 (Disponible AIP PRIMECA FC) Sébastien Thibaud - sebastien.thibaud@univ-fcomte.fr - http://sebastien.thibaud.free.fr - Novembre 2008

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Introduction à la notion de Chaine Numérique (en mécanique) CAO et Calculs

Calculs multi-étapes du procédé d’emboutissage d’une sécurité passive – Enchaînement procédé/Assemblage/Impact avec LS-DYNA(S. Thibaud – 2004) Sébastien Thibaud - sebastien.thibaud@univ-fcomte.fr - http://sebastien.thibaud.free.fr - Novembre 2008

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Introduction à la notion de Chaine Numérique (en mécanique) CAO et Calculs

Analyse Vibroacoustique d’un véhicule (LMS Virtual Lab)

Simulia (Dassault Systèmes)

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Introduction à la notion de Chaine Numérique (en mécanique)

• Un projet abouti peut être amené à ressortir des « cartons » (ou plutôt des disques durs) dans quelques années ? • La question est de savoir : « Est-ce que je pourrai relire mes données ? » • Certain répondront : « Evidemment, je garde le même logiciel, je ne fais que le mettre à jour » • Oui mais qui pourra dire, que dans quelques années, les mises à jour liront ce type de données même en natif • Une solution très utilisée dans l’industrie (ex : ALSTOM) : Des sauvegardes STEP à points (STEP AP214)

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• Cette solution consiste donc à archiver les données au format STEP • Pour permettre une conversion ultérieure vers un nouveau produit, ou s’assurer de la conformité du résultat, le fichier

STEP est enrichi d’un nuage de points • Ce nuage de points est généré par échantillonnage à partir de la CAO Native • Il garantira la possibilité de comparer le résultat de la géométrie importée • Le format STEP sera présenté dans la suite Sébastien Thibaud - sebastien.thibaud@univ-fcomte.fr - http://sebastien.thibaud.free.fr - Novembre 2008

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• La démarche PLM, qui lie intimement les techniques mises en œuvre sur toute la durée de vie du produit, préconise par exemple que calculs ou simulations soient mieux intégrés dans le processus de conception • Ceci tend à multiplier les allées-retours de données entre programmes • Dans la chaîne de conception de produits, les donneurs d’ordre impliquent de plus en plus les équipementiers (cotraitants) et les sous-traitants. Cela impose une fois de plus des transferts de données plus fréquents. • Une solution est de disposer du même logiciel … mais hélas cela ne résout pas tous les problèmes • Il existe alors deux moyens d’échanger des données : les formats natifs (ou propriétaires) et/ou neutres • L’avantage des formats natifs est donc associé à l’utilisation d’un même logiciel • Néanmoins prenons un exemple associé à CATIA V4 et V5 • Dans les industries automobile et aéronautique , CATIA V4 et V5 coexistent (voir d’autres applications telles que CADDS, Pro-engineer, Solidworks, UGS, …). • Entre ces deux applications, la migration n’est pas immédiate … • Prenons l’exemple d’une aube de turbine créée sous CATIA V4 et importée sous CATIA V5 à l’aide des outils de migration de ces deux logiciels

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Introduction à la notion de Chaine Numérique (en mécanique)

• Il semble que la migration se soit mal passée … et pourtant c’est le même éditeur pour les deux logiciels • Des informations importantes sur la géométrie ont disparue ou sont remplacées par des artéfacts d’importation (ou exportation) • Une autre possibilité est alors de passer par un format neutre : IGES, VDA, Parasolid, STL, STEP,… Sébastien Thibaud - sebastien.thibaud@univ-fcomte.fr - http://sebastien.thibaud.free.fr - Novembre 2008

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Introduction à la notion de Chaine Numérique (en mécanique) • L’objectif d’un format neutre est en principe de permettre l’échange de données vers des plateformes logicielles différentes • Faisons un rapide tour des principaux formats

• Le format IGES (Initial Graphics Exchange Specification) est l’un des formats les plus répandus d’importation à partir d’un logiciel CAO • Ce format est l’un des plus vieux existant (1979-….) • Néanmoins, celui-ci ne définit que des informations en filaire ou surfacique • Dans le cas d’une exportation d’une entité solide, celle-ci ne sera définie que par son enveloppe surfacique même si

certaine évolution du format et des modeleurs tendent à donner une information sur le solide englobé • Il est alors nécessaire pour récupérer une entité géométrique solide d’effectuer une opération dans le modeleur CAO (ex. dans CATIA V5, assemblage des surfaces puis remplissage de l’assemblage) • Le format IGES ne permet donc pas de sauvegarder l’historique de construction d’une pièce et encore moins de modifier les géométries après import • L’export/import amène très souvent (comme pour la plupart des formats) des erreurs et/ou des artéfacts de conversion

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• Le format STL vient du monde du prototypage rapide • Il consiste à facétiser (maillage) les surfaces englobantes de la géométrie par des triangles • L’avantage de ces fichiers est d’obtenir des données robustes (nœuds + connectivités) lisibles par la plupart des outils de CAO • Par contre, la conversion amène à perdre toutes informations sur la géométrie car elle opère une approximation de celle-

ci qui dépend du niveau de discrétisation • Il peut néanmoins être très utile lorsque l’on opère une reconstruction de géométrie (digitalisation - retroconception)

STL

IGES

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• Le format standard pour l'échange de données de produit STEP (STandard for the Exchange of Product model data) est le format d’échange le plus abouti du marché. Il est normalisé sous l’appellation ISO 10303 • Il n’est pas associé seulement à une géométrie mais aussi à des données associées au processus de conception/réalisation de la pièce. On parle alors de Ressources Intégrées • Ces ressources sont regroupées dans deux catégories :  Les ressources génériques,  Les ressources d’applications, • Les ressources génériques sont associées à  La description de la pièce (ou du produit)  La définition géométrique et topologique de la pièce (ou du produit)  structure produit  Les matériaux associés

 Les tolérances de formes et dimensionnelles  Les configurations produits  Processus de fabrication (CFAO, définition des outils,…)

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• Les ressources d’applications sont associées aux aspects fonctionnels du produit et des opérations associées  Mise en plan, tolérancement 3D, nomenclature,  Assemblage,  Calculs ou simulations (MEF)  Calculs cinématique et dynamique (mécanique des solides rigides, ex CATIA V5 : DMU Kinematics, SimDesigner, …) • Le format STEP est séparé en plusieurs parties permettant de définir les données exportées  Partie 11 à 13 : Description du produit  Partie 21 à 35 : Description de l’assemblage  Partie 31 à 35 : Spécification de la mise en place d’un test de conformité  Partie 41 à 49 : Spécification des ressources génériques  Partie 101 à 106 : Spécification des ressources d’applications

… • On peut alors définir un certain nombre de sous formats STEP selon l’utilisation faire du produit

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Introduction à la notion de Chaine Numérique (en mécanique)

• Ainsi lors d’une sauvegarder STEP, on peut spécifier ce type de sous-formats dont les principaux sont

 AP203 : Configuration controlled 3D Design  AP209 : Composite and metallic structural analysis and related design  AP210 : Electronic assembly, interconnect and packaging design  AP214 : Archivage des données (voir précédemment)  AP221 : Functional data and their schematic representation for process plant  AP236 : Furniture product data and project data  AP238 : Data model for computerized numerical controllers  AP239 : Product lifecycle support • Le format STEP permet l’encapsulation dans un fichier unique d’un produit (donc de plusieurs pièces et de l’assemblage associé) • Même si la norme va évoluer dans ce sens, l’arbre de construction d’une pièce n’est pas transmis • Ainsi les pièces importées sont considérées comme des solides morts • Il est cependant possible d’effectuer des opérations sur ceux-ci (congés, chanfreins, opérations booléennes, …) ou d’extraire des entités et ainsi reconstruire partiellement l’arbre de construction • La norme 10303 comporte environ 700 pages (!!!) ce qui peut amener un très grand nombre de disparités dans le suivi de la norme • Et cette norme évolue encore …

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Le défi de la FAO FAO Multi-axes – Interopérabilité avec la CAO Gestion numérique des ressources et des ateliers Post Processeur Simulation environnement machine

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Introduction à la notion de Chaine Numérique (en mécanique)

Comment assurer et contrôler un processus numérique de fabrication pour obtenir un procédé optimal ?

• Diminution des temps de cycles (préparation, nombre de phases, temps d’usinage, reprises, …) • Diminution des délais et des coûts • Tirer le meilleur parti des ressources (machines, outils, palettisation, automatisation,…) • Choix et optimisation des technologies (UGV) • Gestion des usures et bris outils • Gestion des collisions • Recherche de flexibilité

Forte interaction CAO-GPAO-FAO

Notion d’Usine Numérique Sébastien Thibaud - sebastien.thibaud@univ-fcomte.fr - http://sebastien.thibaud.free.fr - Novembre 2008

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Introduction à la notion de Chaine Numérique (en mécanique)

• Une fois le processus de conception terminé, la pièce a été cotée et tolérancée par le bureau des méthodes

• La mise en place du processus FAO s’effectue donc sur une pièce tolérancée • Or les pièces sont très souvent cotées à cotes nominales (voir exemple du parallélépipède) • Dans le cas de l’utilisation de la FAO d’une pièce, on doit travailler à cotes moyennes

Dimensions moyennes ou nominales

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Introduction à la notion de Chaine Numérique (en mécanique)

• Les conditions de MIP-MAP (Montage d’usinage, Mors, butées, brides) d’une pièce dans l’environnement machine tendent

(doivent) à être représentées lors d’un processus FAO • De la même manière, la machine et sa cinématique peuvent être (sont) modélisées pour une première étape de qualification des trajectoires d’usinages (tests de collisions) ainsi que pour une estimation des temps de cycles (usinage, changement d’outils, approche/retrait)

Exemple CATIA V5 (DS)

Exemple TopSolidCam (Missler)

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Introduction à la notion de Chaine Numérique (en mécanique)

• Le bureau des méthodes définit en fonction de la pièce à usiner (surfaces fonctionnelles, cotation, temps de cycles,…)

une gamme de fabrication (cf Cours 1ère année C. Dielemans) et donc un ordonnancement des surfaces à usiner • Cette ordonnancement définit donc les différentes phases FAO à mettre en place

• Il est nécessaire pour obtenir le composant, de considérer le processus d’usinage en lui-même et notamment de se poser

la question fondamentale suivante : Quel outil pour réaliser l’usinage de une ou plusieurs surfaces d’une pièce donnée ? • Le concept Couple Outil / Matière est alors souvent proposé • Il définit alors théoriquement les conditions optimales d’usinage en terme de  « Qualité » de surfaces,  Diminution des temps de cycles

 Diminution des usures • On doit aussi citer l’influence significative de la lubrification (type, technologie, …) • Il est donc primordial de définir numériquement ces conditions afin de proposer à l’utilisateur FAO, les outils nécessaires à la mise en place du process numérique

Sans une maitrise de ces paramètres, la FAO ne sert à rien Sébastien Thibaud - sebastien.thibaud@univ-fcomte.fr - http://sebastien.thibaud.free.fr - Novembre 2008

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• Un certain nombre d’éditeurs propose des outils de gestions des outils et des conditions d’usinage

• On peut citer notamment la solution TOOL EXPERT de Spring Technologies

• Ce type d’outil permet de  Connaître en temps réel l’état des outils dans l’entreprise (en stock, montés, non montés, mesurés, chargés sur la machine, …)  Rationaliser le stock outils coupants (limiter le nombre de références et réduire le stock immobilisé)  Gagner du temps dans la préparation des assemblés  Capitaliser le savoir-faire outils coupants de l’entreprise  Créer une base de données (Excel, XML, …) récupérable dans l’outil FAO Sébastien Thibaud - sebastien.thibaud@univ-fcomte.fr - http://sebastien.thibaud.free.fr - Novembre 2008

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• Le premier facteur, déjà cité, à maitriser est associé aux conditions d’usinage

• La majeure partie des fournisseurs d’outils coupant proposent des catalogues ou outils de choix de ceux-ci (Sandvik, Fraisa, Dixi, Megafor, …) • Néanmoins, les conditions de coupe préconisées par ceux-ci ne sont pas nécessairement celles utilisées par l’entreprise • Dans le cas où plusieurs fournisseurs sont utilisés, il est nécessaire de mutualiser toutes ces connaissances à l’aide d’un outil unique • Le magasin outils est alors entièrement numérisé, hiérarchisé et disponible dans la FAO (en terme de géométrie, de conditions de coupe, disponibilité, …)

TOOL SIMUL (Spring Technologies)

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• La géométrie de la pièce CAO est associée à la pièce finale (après fabrication)

• Néanmoins lors de la définition des trajectoires outils, la pièce passe pendant les opérations par différents états (états virtuels) du brut vers la pièce finale • Il est donc nécessaire de pouvoir définir ces états virtuels lors des opérations de définitions des trajectoires • En plus de ces géométries, il faut nécessairement définir des entités nécessaires aux approches/retraits/plans de sécurité • La géométrie CAO doit donc être enrichie d’entités supplémentaires pour mettre en œuvre les stratégies d’usinages

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• Le choix stratégique d’une FAO et des machines outils sont intimement liés au besoin de l’entreprise (FAO 3 axes, 5

axes (positionnés/continus), tournage 2 axes ou multi-axes, MILLTURN, UGV) • Une fois ce choix judicieux, la FAO doit être interfacée avec la CAO (directement ou indirectement) et aux outils de gestions (outils, machine, magasin, tolérancements, ordonnancement, …) • Les gammes d’usinage sont définies par le BM et doivent être rigoureusement suivies • On met alors en place les stratégies d’usinages de(s) la pièce(s) • Ces stratégies vont alors permettre de réaliser la pièces en essayant d’optimiser des paramètres souvent incompatibles  Diminution des temps de cycle,  Qualité d’usinage  Diminution de l’usure des outils • Ceci est encore une fois une stratégie entreprise et utilisateur donc qui doit être soumis à des règles préétablies et rigoureuses

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• Les systèmes FAO possèdent tous un module de simulations d’usinage (trajectoires et rendu des surfaces usinées)

• Cette première visualisation permet d’avoir une idée des éventuels problèmes associés aux trajectoires outils (Collisions, approche/retrait, usinage incomplet ou trajectoires incohérentes, …) • Cette étape doit être mise en place afin de contrôler et de modifier les éventuelles erreurs

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• Que se passe-t-il si une géométrie CAO est modifiée ?

• Si la FAO n’est pas connectée à la CAO : aucune interopérabilité -> les trajectoires sont à refaire • Si la FAO est connectée à la CAO : adaptation des trajectoires (sauf modifications profondes de la pièce) • Que se passe-t-il si des entités nécessaires à l’usinage de sont pas disponibles (outils, machines, brides, montages) • Si la FAO n’est pas liée numériquement avec un catalogue numérique des ressources, on n’a pas d’interactivité

• Le concept PPR (notamment présent dans CATIA V5) lie intimement ces trois entités • Une modification sur une des branches de cette arborescence se répercute automatiquement sur les autres branches principales • C’est l’un des avantages d’avoir une interopérabilité assurée par l’utilisation d’un même logiciel • On retrouve cette même arborescence dans le cadre d’une industrialisation (mise en œuvre d’une chaine de production)

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• Un autre maillon important de la chaine numérique est associé à la traduction des parcours outils en langage machine

• Une FAO ne traduit pas directement les gammes d’usinage dans un langage connu par la

MOCN (Fanuc, Siemens,

Heidenhain…) • Si la FAO traduisait directement en langage machine, il serait nécessaire de refaire toute la procédure pour une machine différente … • Un langage générique et versatile a donc été créé : le code APT (Automatically Programmed Tools) • Le langage APT est un langage générique basé sur une définition de la géométrie à usiner (points, arcs, lignes, cercles, …) [MIT, 1959] • Il traduit les trajectoires obtenues par une FAO en une structure normalisée interprétable par un post-processeur • Ce dernier traduit donc le langage APT en des trajectoires au format machine (Fanuc, Siemens, Heidenhain,…) en considérant la cinématique de la machine, les limites technologiques (avances, fréquence de rotation), les cycles d’usinage (plan incliné, perçage 5 axes positionnés, taraudage, taraudage rigide, …) • C’est le cœur de la réalisation d’une pièce

Si le post-processeur associé à la machine n’est pas à 100% valide Rupture immédiate de la chaine numérique C’est une dépense non négligeable ET à ne pas négliger Sébastien Thibaud - sebastien.thibaud@univ-fcomte.fr - http://sebastien.thibaud.free.fr - Novembre 2008

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$$ ----------------------------------------------------------------$$ Généré le mardi 4 novembre 2008 17:10:18 $$ CATIA APT VERSION 1.0 $$ ----------------------------------------------------------------PPRINT Programme de fabrication.1 $$ TOOL CENTER OUTPUT PPRINT Phase d'usinage.1 MSYS/ -1.00000, 0.00000, 0.00000, 0.00000,$ 0.00000, 1.00000, 0.00000, 0.00000,$ 0.00000, 0.00000, -1.00000, 0.00000 $$CATIAV5-SGPOST.pptable-(NCSOFT) PPRINT Phase d'usinage.1 PPRINT meplat.CATProcess PARTNO Programme de fabrication.1 $$ OPERATION NAME : Changement outil tournage.1 PPRINT Début de génération de: Changement outil tournage.1 $$ TOOLCHANGEBEGINNING CUTTER/ 0.000000 MODE/TURN TPRINT/T1 Porte-plaquette Extérieur LOADTL/1,OSETNO,3,ORIENT, 0.000000 COOLNT/ $$ TOOLCHANGEEND PPRINT Fin de génération de: Changement outil tournage.1 OPTYPE/LATHE_Finition Profil de Tournage PPRINT Finition de Profile en Tournage.2 $$ OPERATION NAME : Finition de Profile en Tournage.2 PPRINT Début de génération de: Finition de Profile en Tournage.2 CUTCOM/RIGHT $$ PPTABLE : NC_CHANGE_REF_PT 3 SPINDL/ 150.0000,SFM,CCLW RAPID GOTO /0.00000,0.00000,17.70891 RAPID

O0032 (PROGRAMME DE FABRICATION.1 ) G80 G40 G92 S1000 P1 ( T1 T1 PORTE-PLAQUETTE EXTERIEUR ) ( T8 T3 FRAISE 2 TAILLES D 10 ) ( T2 T4 FORET D 10 ) ( PROGRAMME DE FABRICATION.1 ) ( PHASE D USINAGE.1 ) ( PHASE D USINAGE.1 ) ( MEPLAT.CATPROCESS ) ( DEBUT DE GENERATION DE: CHANGEMENT OUTIL TOURNAGE.1 ) N1( T1 PORTE-PLAQUETTE EXTERIEUR ) G28 U0. W0. T0103 ( FIN DE GENERATION DE: CHANGEMENT OUTIL TOURNAGE.1 ) ( FINITION DE PROFILE EN TOURNAGE.2 ) ( DEBUT DE GENERATION DE: FINITION DE PROFILE EN TOURNAGE.2 ) G97 S1000 M103 P1 G42 G0 X0. Z17.709 M120 G0 Z5. G96 S150 M103 P1 G95 G1 X4. F0.2 M8 X8. Z3. Z-10. G40 G0 X18. G0 Z7. ( FIN DE GENERATION DE: FINITION DE PROFILE EN TOURNAGE.2 ) ( DEBUT DE GENERATION DE: CHANGEMENT OUTIL.4 ) M105 M9 G28 U0. W0. M1

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PowerMill (ENSMM)

Module de µFraisage

Utilisé pour Robofil (ENSMM)

HyperMill (IUT-UFC)

(IUT)

SGPOST de NCSOFT

Revendeur Spring Technology

Utilisé à l’ENSMM et UFC (CATIA / Pro-e) Sébastien Thibaud - sebastien.thibaud@univ-fcomte.fr - http://sebastien.thibaud.free.fr - Novembre 2008

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• La simulation des trajectoires outils dans l’environnement machine via la FAO est une indication

• Cependant celle-ci simule uniquement le code APT • Mais la machine utilise le code qui lui est associé après traduction du post-processeur • Il est donc nécessaire de simuler le code CN dans l’environnement machine après traduction • On utilise alors des outils externes (ou couplé) à la FAO • Deux sociétés sont leaders dans ce type de logiciels : Spring Technologies (NCSimul) et CGTECH (VeriCut) • Ces deux logiciels permettent notamment de :  Créer l’environnement machine (structure, cinématique, changeur d’outils, systèmes de bridage, limites)  Associer à cette machine une armoire de commande (Fanuc, heidenhain, Siemens, Num, …)  Définir les possibilités machines (Compensation 3D, look Ahead, Variables, Sous –programmes, …)  Créer les bruts et les postes outils  Simuler le code CN et de vérifier :  Programmation imprécise  Déplacements d’outils incorrects  Dégagements rapides pleine matière  Collisions des outils et des hauts d’outils, tourelles, mors  Dépassements des limites d’usinage (Ae, Ap, Avance)  Erreurs de Post - Processeur FAO

Une fois ces vérifications faites … on peut en principe passer à la réalisation Sébastien Thibaud - sebastien.thibaud@univ-fcomte.fr - http://sebastien.thibaud.free.fr - Novembre 2008

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Introduction à la notion de Chaine Numérique (en mécanique) • Une fois le programme validé, il est nécessaire de mettre en œuvre le processus de réglage de la machine :  Mise en place du poste d’usinage (montage, brut, bridage) selon la gamme d’usinage  Définition du repère de programmation  Mise en place des outils et du réglage associé (longueur, jauges, poste, équilibrage)  Transfert du programme (non négligeable) sur la machine  Fabrication

• Cette présentation s’arrête sur le processus de réalisation d’une pièce • Néanmoins, la chaine numérique ne s’arrête pas là • Dans le cas d’une industrialisation, cette pièce est une entité d’un produit et elle est réalisée en série

• L’automatisation de ce processus peut être réalisé (Automatisation / Palettisation / Système de fixation rapide…) • De la même manière que l’assemblage de produits peut lui aussi être automatisé via la notion de chaine numérique à l’aide d’outils dédiés (ex : suite Technomatic – Robcad) – (Cellule Flexible) • La gestion des flux dans l’atelier, l’accessibilité et l’ergonomie suivent les mêmes règles • Enfin le contrôle des pièces (métrologie) peut être inclus dans cette chaine

•…

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• La mise en place de la notion de chaine numérique est longue et complexe • Enormément de points durs sont encore à régler (interopérabilité, Calcul/CAO, CAO/FAO, FAO/CN, automatisation…) • La mise en place de règles de travail doit être pensée en amont de ce déploiement • Ces règles doivent devenir des lois et chaque intervenant doit s’y plier

• Conception des pièces en cotes moyennes (ou cotes nominales reprises en cotes moyennes par le BM) • Interopérabilité BE/BM … et ce n’est pas si simple à faire • Interopérabilité BE/Calcul … et ce n’est pas si simple à faire

• Utilisation des pièces en cotes moyennes • Choix de l’outil adapté à l’entreprise • Numérisation des ressources et gestion de celles-ci • Mêmes règles pratiques de définition des processus de fabrication (ex : définition du repère de programmation) • Choix optimal des outils et des conditions de coupe • Utilisation d’un post-processeur 100% compatible avec la machine • Vérification des trajectoires APT/CN pour les éventuelles erreurs de programmation / collisions • Créations des gammes pour le régleur CN Sébastien Thibaud - sebastien.thibaud@univ-fcomte.fr - http://sebastien.thibaud.free.fr - Novembre 2008

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• Le facteur humain rentre en compte donc la chaine numérique peut être considérée comme rompue • Il doit suivre la fiche de réglage scrupuleusement pour en principe réaliser une pièce juste du premier coup …

• La notion d’interopérabilité (échanges/archivages des données) est omniprésente • Comment être sûr que la donnée que j’utilise est bien la bonne ? • On utilise alors la notion de coffre-fort (Vaulting) via des outils dits PDM/PLM … mais ceci est associé à un autre exposé

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