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HAL Id: tel-00442664 https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00442664 Submitted on 22 Dec 2009 HAL is a multi-disciplinary open access archive for the deposit and dissemination of sci- entific research documents, whether they are pub- lished or not. The documents may come from teaching and research institutions in France or abroad, or from public or private research centers. L’archive ouverte pluridisciplinaire HAL, est destinée au dépôt et à la diffusion de documents scientifiques de niveau recherche, publiés ou non, émanant des établissements d’enseignement et de recherche français ou étrangers, des laboratoires publics ou privés. Conception et réalisation de pièces prototypes fonctionnelles en usinage sur machines-outils à commande numérique 5 axes Tammam Salloum To cite this version: Tammam Salloum. Conception et réalisation de pièces prototypes fonctionnelles en usinage sur machines-outils à commande numérique 5 axes. Automatique / Robotique. École normale supérieure de Cachan - ENS Cachan, 2009. Français. tel-00442664 N° ENSC-2009 THESE DE DOCTORAT DE L’ECOLE NORMALE SUPERIEURE DE CACHAN Présenté par Monsieur Tammam SALLOUM pour obtenir le grade de DOCTEUR DE L’ECOLE NORMALE SUPERIEURE DE CACHAN Domaine : MECANIQUE - GENIE MECANIQUE – GENIE CIVIL Sujet de la thèse : Conception et réalisation de pièces prototypes fonctionnelles en usinage sur machines-outils à commande numérique 5 axes Thèse présentée et soutenue à Cachan le 21 octobre 2009 devant le jury composé de : Pascal MOGNOL Professeur des Universités, IRCCYN - Nantes Rapporteur Régis BIGOT Professeur des Universités, ENSAM de Metz Rapporteur Henri PARIS Professeur à l’ Université Joseph Fourier Grenoble Examinateur Bernard ANSELMETTI Professeur des Universités à Paris XI (LURPA) Directeur de thèse Kwamivi MAWUSSI Maître de Conférences à l'Université Paris XIII (LURPA) Co-encadrant Laboratoire Universitaire de Recherche en Production Automatisée (ENS CACHAN ) 61, avenue du Président Wilson, 94235 CACHAN CEDEX (France) Conception et réalisation de pièces prototypes fonctionnelles en usinage sur machines-outils à commande numérique 5 axes Tammam SALLOUM - Thèse de doctorat 2009 - ENS de Cachan - LURPA 2 Conception et réalisation de pièces prototypes fonctionnelles en usinage sur machines-outils à commande numérique 5 axes Tammam SALLOUM - Thèse de doctorat 2009 - ENS de Cachan - LURPA 3 Table des matières Remerciements...............................................................................................................................................................................6 Chapitre 1.......................................................................................................................................................................................7 1 Introduction............................................................................................................................................................................8 1.1 Objectifs .........................................................................................................................................................................8 1.2 Le prototypage rapide.....................................................................................................................................................9 1.2.1 La notion de prototypage rapide.............................................................................................................................9 1.2.2 Intérêt du prototypage rapide................................................................................................................................10 1.3 La méthode URP "Usinage Rapide de Prototype"........................................................................................................11 1.3.1 Le principe............................................................................................................................................................11 1.3.2 Les prototypes fonctionnels..................................................................................................................................11 1.3.3 Décomposition en strates fonctionnelles ..............................................................................................................12 1.4 Plan du mémoire...........................................................................................................................................................16 Chapitre 2.....................................................................................................................................................................................18 2 Etat de l’art du prototypage rapide .......................................................................................................................................19 2.1 Principe.........................................................................................................................................................................19 2.2 Exemples de procédés de prototypage rapide [par dépôt de matière]...........................................................................20 2.2.1 La stéréolithographie [Polymérisation de résine] .................................................................................................20 2.2.2 Le procédé FDM™ [Fused Deposition Modeling]...............................................................................................21 2.2.3 Le frittage de poudre ............................................................................................................................................21 2.2.4 Impression 3D ......................................................................................................................................................23 2.2.5 Impression 3D métallique.....................................................................................................................................23 2.2.6 Procédé Fusion Laser Métallique [Pôle Européen de Plasturgie 06]....................................................................24 2.2.7 La découpe de matière [le procédé LOM™]........................................................................................................26 2.3 Le procédé de Stratoconception [C.Barlier].................................................................................................................27 2.3.1 Principe.................................................................................................................................................................27 2.3.2 La notion de décomposition dans la cadre de la Stratoconception [Houtmann]...................................................29 2.3.2.1 Découpage en tranches.....................................................................................................................................30 2.3.2.2 Découpage en entités........................................................................................................................................32 2.3.3 L’assemblage dans le procédé de Stratoconception [Delebecque].......................................................................34 2.3.3.1 Le principe d’assemblage par emboîtement .....................................................................................................35 2.3.3.2 Définition de l’entité d’assemblage..................................................................................................................36 2.3.3.3 Modélisation automatique des entités d’assemblage........................................................................................37 2.3.3.4 Nombre d’éléments ..........................................................................................................................................38 2.3.3.5 Le positionnement (localisation) ......................................................................................................................38 2.3.4 La réalisation d’œuvre d’art [Lauvaux]................................................................................................................40 2.4 Concept Multi Composant Prototype ...........................................................................................................................41 2.5 Synthèse .......................................................................................................................................................................42 Chapitre 3.....................................................................................................................................................................................43 3 Le choix du mode de tranchage des pièces...........................................................................................................................44 3.1 Introduction ..................................................................................................................................................................44 3.1.1 Les prototypes fonctionnels..................................................................................................................................44 3.1.2 Usinage Rapide de Prototype fonctionnel ............................................................................................................45 3.2 Le principe....................................................................................................................................................................46 3.2.1 Détermination des zones fonctionnelles...............................................................................................................46 3.2.2 Exemple de zones fonctionnelles .........................................................................................................................47 3.2.3 Les modes de tranchages......................................................................................................................................47 3.2.4 Couleur des entités ...............................................................................................................................................49 3.2.5 Les plaques disponibles........................................................................................................................................50 3.3 La prise de décision......................................................................................................................................................50 3.3.1 Définition d’un centre de décision........................................................................................................................50 3.3.2 Structure d’un centre de décision .........................................................................................................................51 3.4 Vue générale de la méthode .........................................................................................................................................54 3.4.1 Le principe global.................................................................................................................................................54 3.4.2 Méthodes de recherche de la solution...................................................................................................................55 3.5 Centre de décision "type de tranchage"........................................................................................................................56 3.5.1 Choix du mode de tranchage ................................................................................................................................56 3.5.2 Tranchage par des plans parallèles H V T............................................................................................................57 3.6 Faisabilité suivant une direction u................................................................................................................................58 3.6.1 Evaluation de la faisabilité ...................................................................................................................................58 3.6.2 Zones de tranchage...............................................................................................................................................59 3.6.3 Plans de tranchage à une distance fixée................................................................................................................61 3.7 Tranchage par plans obliques parallèles.......................................................................................................................62 3.8 Tranchage par des plans brisés.....................................................................................................................................63 Conception et réalisation de pièces prototypes fonctionnelles en usinage sur machines-outils à commande numérique 5 axes Tammam SALLOUM - Thèse de doctorat 2009 - ENS de Cachan - LURPA 4 3.8.1 Le principe............................................................................................................................................................63 3.8.2 Choix du type de brisure.......................................................................................................................................64 3.8.2.1 Brisure plane parallèle à u ................................................................................................................................65 3.8.2.2 Brisure plane inclinée.......................................................................................................................................66 3.8.2.3 Brisure avec une surface parallèle à u ..............................................................................................................67 3.8.2.4 Brisure avec une surface quelconque ...............................................................................................................68 3.9 Tranchage par des plans quelconques ..........................................................................................................................68 3.10 Tranchage par surface gauche ......................................................................................................................................70 3.11 Synthèse .......................................................................................................................................................................71 Chapitre 4.....................................................................................................................................................................................73 4 Le choix du mode d'assemblage...........................................................................................................................................74 4.1 Introduction ..................................................................................................................................................................74 4.1.1 Fonction assemblage ............................................................................................................................................74 4.1.2 Les solutions de base............................................................................................................................................75 4.2 Choix du mode de centrage..........................................................................................................................................76 4.2.1 Centre de décision "Choix du centrage"...............................................................................................................76 4.2.2 Composants disponibles .......................................................................................................................................77 4.2.3 Détermination des zones épaisses.........................................................................................................................78 4.3 Centrage par épaulement..............................................................................................................................................82 4.4 Centrage par 3 ou 4 encoches.......................................................................................................................................83 4.5 Le centre de décision choix de la fixation ....................................................................................................................85 4.5.1 Les solutions proposées pour assembler les strates ..............................................................................................85 4.5.2 Assemblage par des vis ........................................................................................................................................85 4.6 Création des oreilles .....................................................................................................................................................86 4.6.1 Le principe............................................................................................................................................................86 4.7 Technologie de l’étanchéité..........................................................................................................................................87 4.7.1 Etanchéité Cylindrique.........................................................................................................................................87 4.7.2 Etanchéité plane ...................................................................................................................................................88 4.8 Synthèse .......................................................................................................................................................................89 Chapitre 5.....................................................................................................................................................................................91 5 Usinabilité ............................................................................................................................................................................92 5.1 Contexte .......................................................................................................................................................................92 5.2 Choix d’une machine 5 axes.........................................................................................................................................92 5.3 Choix de l'outil .............................................................................................................................................................95 5.4 Accessibilité des surfaces.............................................................................................................................................97 5.4.1 Le principe............................................................................................................................................................97 5.5 Posage et montage d’usinage........................................................................................................................................98 5.5.1 Rôle du montage d’usinage ..................................................................................................................................98 5.5.2 Processus type d’usinage......................................................................................................................................99 5.5.3 Choix de l’orientation de la pièce sur la machine...............................................................................................101 5.5.4 Conception du montage d’usinage .....................................................................................................................103 5.5.5 Prise de références phase 10 et phase 20............................................................................................................106 5.6 Application.................................................................................................................................................................110 5.6.1 Usinage des strates .............................................................................................................................................111 5.7 Qualité géométrique des strates usinées .....................................................................................................................113 5.7.1 Maîtrise des défauts d’usinage ...........................................................................................................................113 5.7.2 Définition de la pièce test...................................................................................................................................114 5.7.3 Usinage de la pièce test ......................................................................................................................................116 5.7.4 Mesure de la pièce test .......................................................................................................................................116 5.7.5 Analyse des résultats et protocoles de maîtrise des défauts................................................................................119 5.8 Synthèse .....................................................................................................................................................................127 Chapitre 6..................................................................................................................................................................................129 6 Application sur une pièce mécanique complexe ................................................................................................................130 6.1 Introduction ................................................................................................................................................................130 6.2 Tranchage horizontal..................................................................................................................................................131 6.2.1 Définition des zones fonctionnelles....................................................................................................................131 6.2.2 Déterminer les boîtes englobantes......................................................................................................................132 6.2.3 Choix du tranchage.............................................................................................................................................132 6.2.4 Positionnement des strates..................................................................................................................................135 6.2.5 Fixation des strates .............................................................................................................................................137 6.2.6 Processus d’usinage des strates ..........................................................................................................................138 6.3 Etude du tranchage quelconque..................................................................................................................................140 6.3.1 Définition des zones fonctionnelles....................................................................................................................140 6.3.2 Déterminer les boîtes englobantes......................................................................................................................141 Conception et réalisation de pièces prototypes fonctionnelles en usinage sur machines-outils à commande numérique 5 axes Tammam SALLOUM - Thèse de doctorat 2009 - ENS de Cachan - LURPA 5 6.3.3 Choix du tranchage.............................................................................................................................................141 6.3.4 Positionnement des strates..................................................................................................................................145 6.3.5 Fixation des strates .............................................................................................................................................146 6.3.6 Processus d’usinage............................................................................................................................................147 6.4 Synthèse .....................................................................................................................................................................147 Conclusions et perspectives........................................................................................................................................................149 Références bibliographiques ......................................................................................................................................................152 Annexe .......................................................................................................................................................................................156 7 Annexe ...............................................................................................................................................................................157 7.1 Annexe A....................................................................................................................................................................157 7.1.1 Les résultats de mesure de la première strat .......................................................................................................157 7.1.2 Les résultats de mesure de la deuxième strate....................................................................................................158 7.1.3 Les résultats de mesure de la pièce assemblée ...................................................................................................159 7.2 Annexe B....................................................................................................................................................................161 7.2.1 Montage d'usinage phase 10 "Mors fixe"...........................................................................................................161 7.2.2 Montage d'usinage phase 10 " Mors mobile" .....................................................................................................162 7.2.3 Montage d'usinage phase 20 " Mors fixe" ..........................................................................................................163 7.2.4 Montage d'usinage phase 20 "Mors mobile" ......................................................................................................164 7.3 Annexe C....................................................................................................................................................................165 7.3.1 Publications en revue à comité de lecture...........................................................................................................165 7.3.2 Communications dans des congrès.....................................................................................................................166 7.4 ANNEXE D................................................................................................................................................................167 7.4.1 Calcule de l’angle α............................................................................................................................................167 Conception et réalisation de pièces prototypes fonctionnelles en usinage sur machines-outils à commande numérique 5 axes Tammam SALLOUM - Thèse de doctorat 2009 - ENS de Cachan - LURPA 6 Remerciements Le travail présenté dans ce mémoire a été effectué au sein du Laboratoire Universitaire de Recherche en Production Automatisée (LURPA) de l’Ecole Normale Supérieure de Cachan. J’adresse mes remerciements au Professeur Bernard Anselmetti pour m’avoir accueilli au sein de l’équipe GEO3D, pour l’encadrement et la direction de mes travaux et pour ses précieux conseils qui m’ont permis de réaliser les travaux dans de bonnes conditions. Je remercie Bernardin Kwamivi Mawussi pour son encadrement, ses conseils avisés qui m’ont guidé au cours de mes travaux, ainsi que pour les heures passées au LURPA pour faire aboutir ce travail. Je remercie les membres de jury pour leurs contributions, leurs conseils et le temps qu’ils m’ont consacré. Merci aux membres du LURPA, partis ou présents, pour avoir fait de ces nombreuses années une période que je n’oublierai pas. Ces travaux ont été réalisés dans le cadre d’une bourse syrienne "Programme Assistants Syriens". Je tiens à remercie l’université d’Alep pour son soutien financier. Je remercie ma famille sans laquelle rien n’aurait été possible. Conception et réalisation de pièces prototypes fonctionnelles en usinage sur machines-outils à commande numérique 5 axes Tammam SALLOUM - Thèse de doctorat 2009 - ENS de Cachan - LURPA 7 Chapitre 1 Introduction Conception et réalisation de pièces prototypes fonctionnelles en usinage sur machines-outils à commande numérique 5 axes Tammam SALLOUM - Thèse de doctorat 2009 - ENS de Cachan - LURPA 8 1 Introduction 1.1 Objectifs Dans le processus classique de conception et de réalisation d’un produit, le concepteur imagine des solutions technologiques et conçoit le mécanisme dans un environnement CAO. Le fabricant uploads/Industriel/ salloum-2009.pdf