Comment la fabrication numérique de bureau affecte la découpe au jet d'eau abrasif

Jun 02, 2023

FIGURE 1. Le paysage de la fabrication numérique de bureau comprend quatre technologies principales : l'usinage CNC, l'impression 3D, la découpe au laser et la découpe au jet d'eau.

Les fabricants de tôlerie sur mesure d'aujourd'hui ne connaissent que trop bien le "pièce unique". Un client peut vouloir une ou plusieurs pièces pour une commande à très faible volume, ou peut-être juste une quantité d'une pièce. Cette commande peut concerner un prototype, et lorsqu'il s'agit de prototyper, le temps presse.

Le prototypage nécessite une itération rapide. Les concepteurs passent un temps toujours limité sur le processus crucial de résolution de problèmes consistant à essayer, échouer et s'améliorer. Dans le passé, cela signifiait tirer parti d'une équipe dédiée de modélisateurs et de machinistes professionnels internes avec un complément important et spécialisé d'équipements complexes nécessitant des opérateurs qualifiés qui étaient généralement éloignés de l'objectif réel d'ingénierie et de conception. Dans un atelier de fabrication sur mesure, ces opérateurs travaillaient probablement dans une zone de prototypage distincte.

Alternativement, un fabricant peut envoyer une commande de prototype urgente à l'atelier de production. Les machines de fabrication de tôles sont plus flexibles qu'auparavant. Même ainsi, la compression d'un prototype ou d'une commande en faible quantité perturbe toujours le flux de production.

Certaines opérations explorent maintenant une troisième option. Ils introduisent des machines-outils dans le département d'ingénierie lui-même. Certains ont expérimenté des imprimantes 3D, à la fois en plastique et en métal, qui empêchent les ingénieurs de prototypage d'utiliser l'atelier d'usinage. D'autres utilisent une technologie émergente de découpe de profilés qui permet aux ingénieurs de découper eux-mêmes un profilé, sans avoir à transmettre la demande à l'atelier de prototypage ou à l'atelier de production.

La découpe au jet d'eau abrasif de bureau est l'un des processus parmi un nombre croissant de technologies dans ce que l'on appelle désormais la fabrication numérique de bureau. Le concept a créé de nouvelles possibilités pour les concepteurs de produits. Le temps passé entre un concept de conception initial et un produit final n'est plus l'obstacle qu'il était autrefois. C'est le résultat direct de la démocratisation de la fabrication. Aujourd'hui, la fabrication peut avoir lieu en production, dans une cellule de prototypage ou dans une zone de l'atelier à quelques pas du poste de travail de l'ingénieur.

La pratique de la fabrication numérique de bureau a commencé il y a plus de dix ans avec les imprimantes 3D de bureau. Ils sont parfaits pour créer des pièces complexes dans divers matériaux plastiques. Puis les découpeuses laser de bureau sont apparues, capables de créer des pièces 2D précises dans des matériaux souples et fins tels que le bois et le plastique, des exploits que les imprimantes 3D ne pouvaient pas réaliser. Les fraiseuses CNC abordables sont également devenues populaires, offrant la possibilité de créer des pièces 3D complexes en métal.

Ces technologies ont donné aux ingénieurs la possibilité de prototyper des pièces en interne. Cependant, un processus de fabrication restait insaisissable : les outils numériques capables de fabriquer des pièces précises en plaques ou en feuilles dures n'étaient toujours pas disponibles pour la plupart des ingénieurs. Cependant, les découpeuses au jet d'eau de petit format sont récemment entrées sur le marché, permettant aux ingénieurs de produire des pièces de précision en tôle, en fibre de carbone, en verre et en caoutchouc.

Les jets d'eau coupent une gamme de matériaux en concentrant de l'eau à ultra haute pression et des particules abrasives dans une buse, projetant la boue sur la pièce. Étant donné que tous les matériaux s'érodent et qu'il s'agit d'un processus de découpe à froid, les jets d'eau peuvent produire des pièces prototypes précises avec une excellente finition de surface dans de nombreux matériaux que les imprimantes 3D, les lasers à faible puissance ou les machines CNC ne pourraient pas gérer (voir Figure 1) .

Par exemple, une conception d'un nouvel équipement industriel prévoyait un gros moteur électrique avec une transmission par courroie et poulie. Dans cette application, le rapport d'engrenage entre les poulies était une variable de conception critique qui avait un impact sur les performances de l'appareil. Pour lutter contre cela, l'équipe de conception a reconnu le problème et a conçu une solution simple pour tester et mesurer les améliorations afin d'augmenter l'efficacité de la conception.

Tout d'abord, les ingénieurs ont créé des dessins CAO pour une série de poulies d'entraînement de taille alternative, certaines avec plus de dents et d'autres avec moins, afin que les différents rapports d'entraînement puissent ensuite être testés pour déterminer celui avec la plus grande efficacité. Au lieu d'envoyer les différentes poulies à un atelier d'usinage et d'ajouter les délais et les coûts de production associés, les ingénieurs du projet ont coupé les pièces des poulies de test en interne sur leur petite découpeuse à jet d'eau (voir Figure 2).

FIGURE 2. Une découpeuse au jet d'eau de bureau crée un prototype fonctionnel d'une poulie en aluminium.

Les poulies et engrenages usinés CNC sont notoirement coûteux et chronophages et nécessitent un opérateur hautement qualifié pour les produire de manière fiable. Ici, il n'y a eu aucun retard et aucun coût supplémentaire au-delà de ceux des matériaux physiques nécessaires à la production des pièces. L'utilisation du jet d'eau abrasif leur a également permis de créer les poulies dans un matériau d'utilisation finale, dans ce cas, l'aluminium.

Les ingénieurs ont finalement déterminé la conception de poulie optimale qui répondait à leurs spécifications tout en maintenant la durée de vie souhaitée pour le moteur et la transmission (voir Figure 3). Dans le passé, les ressources consacrées à un tel processus itératif auraient nécessité plus de considérations financières et temporelles pour le projet que le fabricant ne pouvait probablement se permettre de dépenser, ce qui a conduit à des compromis de conception indésirables.

Pratiquement tous les fabricants ont relevé le défi de la reprise. Cela pourrait être une surprise ou attendu en raison d'un changement de conception tardif. Quel que soit le scénario, les options d'un fabricant ont été limitées, en particulier pour les composants achetés. Renvoyez les pièces au fournisseur pour qu'elles soient retravaillées et cela peut prendre des semaines, voire des mois. C'est parfois carrément peu pratique, surtout si les pièces sont volumineuses et ont été expédiées sur une longue distance.

Entrez dans la fabrication numérique de bureau et l'histoire change. Des outils tels que les jets d'eau de bureau offrent aux ingénieurs la flexibilité nécessaire pour relever ces défis à la volée. Par exemple, un fabricant avait besoin de retravailler un ensemble de grandes charpentes en aluminium extrudé. Plus précisément, ils devaient usiner de nouvelles fonctionnalités dans les extrusions afin que l'inventaire existant puisse être utilisé dans la conception d'assemblage mise à jour. Après avoir été pliées, les extrusions d'aluminium étaient normalement usinées dans un atelier d'usinage doté de grands centres d'usinage verticaux pouvant accueillir les pièces surdimensionnées, un équipement que le fabricant ne possédait certainement pas en interne.

À l'aide d'un jet d'eau de petit format, les ingénieurs ont fabriqué un ensemble de gabarits en tôle pour guider la découpe des nouveaux éléments à l'aide d'une défonceuse portative (voir la figure 4). Après quelques itérations des conceptions de gabarits, les ingénieurs ont essentiellement transformé un outil électrique portatif en une fraiseuse CNC grand format, bien que dédiée aux opérations exactes dont ils avaient besoin. Les gains de temps ont finalement permis à l'entreprise d'économiser de l'argent. Encore une fois, au lieu d'attendre des semaines pour une refonte, les ingénieurs pouvaient entièrement vérifier leur conception et passer rapidement à la production à grande échelle.

L'itération rapide dans le prototypage permet aux ingénieurs, normalement plutôt conservateurs, d'être moins conservateurs. Auparavant, une conception qui aurait pu nécessiter un développement important aurait été abandonnée au profit d'une conception moins ambitieuse nécessitant moins d'expérimentation pour se développer, ou pire, remplacée par une pièce standard mal adaptée mais facilement disponible. Désormais, dans le cadre du nouveau modèle de prototypage, l'accent est mis sur les micro-itérations. Ceux-ci aident à repousser les limites de la conception pour produire la plus grande efficacité et convivialité, supprimant ce besoin de pensée conservatrice.

Par exemple, une équipe de conception a été chargée de créer un connecteur moulé par injection avec un insert de jeu de barres en cuivre. Normalement, cela aurait été créé comme une pièce surmoulée, ce qui est fait chaque jour par des dizaines de milliers. Cependant, la forme finale du connecteur était encore un travail en cours. L'usinage des matrices de moulage par injection à ce stade aurait été exceptionnellement coûteux et chronophage, et il n'y avait pas d'alternative prête à l'emploi appropriée.

Ce barrage routier apparemment révolutionnaire a été éliminé en utilisant à la fois l'impression 3D et la découpe au jet d'eau de bureau. La capacité des pièces imprimées en 3D à imiter un matériau tel que le plastique ABS a permis à la pièce prototypée d'évoluer rapidement pendant la phase de conception en constante évolution. Les itérations de test étaient également nettement moins chères que l'usinage CNC traditionnel.

Le jeu de barres en cuivre à surmouler dans le produit final devait également être modifié pour s'adapter aux mises à jour de conception. Encore une fois, à l'aide d'un petit découpeur à jet d'eau interne, les ingénieurs ont modifié le matériau en cuivre pour l'adapter à la dernière itération de conception. La combinaison de l'impression 3D et d'un petit jet d'eau a permis d'amener ce projet à la ligne d'arrivée sans passer des semaines à faire des allers-retours entre des fournisseurs indépendants.

La fabrication numérique de bureau a transformé la façon dont les ingénieurs créent de nouveaux produits. Il remplace l'ancien atelier de prototypes dédié par un environnement où les itérations de conception sont rapidement mises en œuvre, les risques sont minimisés et le temps passé à mettre de nouvelles conceptions sur le marché est considérablement réduit. Lorsque le devis le plus rapide pour un atelier de prototypage offre un délai de deux à quatre semaines, rien ne remplace un ingénieur engagé aux commandes d'une opération bien approvisionnée et pleine de technologies CNC travaillant à l'unisson.

Les systèmes de fabrication de bureau numériques peuvent offrir des options de fabrication personnalisées. Lorsque les concepteurs prototypent, plus ils peuvent faire d'itérations en moins de temps, mieux c'est. Dans ce monde, une réponse rapide est le principal différenciateur.