Opération au titre de l’année : 2017 et 2018
Titre : Système de mesure sans contact – mesure 3D
Site(s) : LCFC
Porteur(s) : Jean-Yves Dantan (PR, Université de Lorraine, LCFC)
Financement : 176 k€ au titre 2017 et 24 k€ au titre 2018
Contexte
L’action « Système de Production Performant et durable » du CPER « Cyber entreprise » a pour ambition de conforter, fédérer et dynamiser les activités de recherche actuelles et pluridisciplinaires portant sur les systèmes de production. Les verrous scientifiques abordés sont liés à certains enjeux de la recherche visant notamment à développer les futurs systèmes de production dans les domaines des services et de l’industrie manufacturière :
- Développer les outils pour inventer, concevoir et organiser les systèmes de production
- Produire en garantissant la sécurité et la santé au travail
- Produire de façon éco-efficiente et responsable
- Concevoir des fonctionnalités et des usages à haute valeur technologique plus que des produits matériels
- Produire et distribuer dans les chaînes logistiques du plus près des marchés au monde entier
L’action s’inscrit à la fois dans le cadre de l’usine du futur, dans le cadre européen de l’agenda 2020 pour le projet «Factory of the Future » animé par l’EFFRA, et dans les conclusions de l’Atelier de Recherche Prospectif de l’ANR « FuturProd » (dont les 5 des experts lorrains sont partie prenante de ce sous-projet) et dont une grande partie des conclusions ont été reprises dans l’appel ANR 2014 « Stimuler le renouveau industriel » ; où on trouve les axes-clés suivants supports aux projets futurs :
- Agilité des process : Stratégies de production des systèmes de fabrication pour s’adapter rapide- ment aux évolutions technologiques et du marché,
- Centration sur l’humain et les usages : Fabrication centrée sur l’homme / Fabrication centrée sur le client.
Au niveau des équipements, cette action contribuera au développement d’une plateforme distribuée sur les différents sites lorrains en consolidant l’existant (plateformes des laboratoires CRAN, LCFC (VULCAIN), LCOMS, LGIPM et PERSEUS) et en garantissant une cohérence (sans doublon avec les investissements IRT) des équipements scientifiques, avec un objet d’étude commun : fédérer et développer une synergie dans les activités de recherche sur les systèmes de production. Il s’appuiera sur les centres techniques et de transfert (Institut de Soudure, Institut National de Recherche et de Sécurité, AIP PRIMECA Lorraine). Les laboratoires impliqués relèvent de différents établissements universitaires lorrains : Université de Lorraine, ENIM, ENSAM campus de Metz
Cette action se structure autour de 2 thèmes.
Thème 1. Conception de système de production? L’Homme et le robot au centre du système de production
Laboratoires universitaires : LCFC, PERSEUS, CRAN Centres de ressources : INRS, IS, AIP PRI- MECA
Ce thème vise à favoriser le développement d’approches multidisciplinaires permettant une meilleure prise en compte des liens entre les concepts et modèles, le système de production et son usage. Dans l’objectif d’optimiser la conception des systèmes de production,
- l’analyse de l’activité des opérateurs et des interactions avec leur environnement doit permettre d’améliorer les conditions de travail, de réduire les risques humains et d’améliorer la productivité (PERSEUS, LCFC, INRS)
- les robots doivent être plus collaboratifs avec l’opérateur et lesmachines environnantes. Ils doivent répondre à des applications plus diversifiées, s’intégrer ainsi de manière plus souple et plus efficace aux cycles de fabrication, et être « plug and produce » en se reconfigurant rapidement pour s’adapter à l’évolution des produits et des productions (le robot – l’acteur flexible des systèmes de production) (LCFC, IS).
Thème 2. Optimisation de l’exploitation des systèmes de production
Partenaires potentiels : CRAN, LGIPM, LCOMS, LCFC Centres de ressources : AIP PRIMECA
Ce thème se focalise sur l’exploitation des systèmes de production afin :
- de simuler, évaluer et optimiser la chaine logistique et la maintenance
- de faire évoluer sa logistique en tenant compte des aspects maîtrise énergétique, maîtrise des risques, des rejets et des déchets.
- de promouvoir une logistique durable par l’optimisation du transport intermodale et de la logistique inverse
- de tenir compte de l’impact écologique des activités de maintenance appliquées aux systèmes de production et aux services pour développer de nouvelles politiques de maintenance optimales tenant compte simultanément des critères technico-économique et écologique.
- de proposer des stratégies optimales de maintenance intégrées à la production tenant compte de différentes contraintes contextuelles (garantie, leasing, pièces de rechange, remanufacturing, recyclage, logistique, sous-traitance, dégradation environnementale) ?
- de surveiller et diagnostiquer
- de prédire les défaillances, et donc de mettre en œuvre des actions de maintenance prédictive, à partir de mesures simples soumises à des traitements statistiques.
- d’anticiper les dérives du système de production.
- d’extraire des règles de production et ainsi de qualifier les domaines de performances des procédés et des moyens du système de production.
Description de l’investissement
La plateforme financée par le CPER 2015-2020 est composée :
- d’un robot poly-articulé 6 axes de forte capacité afin que celui-ci puisse accueillir l’application FSW. En effet, le soudage FSW requière des efforts élevés et il est nécessaire d’avoir des robots possédant une capacité de charge supérieure ou égale à 500kg. De même, ce robot doit posséder l’option « Force Control ». Les premières études menées sur la robotisation du procédé FSW au début des années 2000 ont montré qu’il était impossible de souder avec un robot sans le « force control ».
- d’une torche et d’un poste MAG pour les développements du soudage à arc.
- les systèmes de programmation hors ligne DELMIA et robot Studio pour la programmation hors ligne
L’effecteur du 6ième axe (torche MAG ou soudage FSW) seront modifiées manuellement.
- d’un vireur pour la mise en position des pièces pour le soudage MAG
- d’une table de soudage pour le soudage FSW. Les efforts appliqués sur les pièces lors du soudage FSW imposent de brider les pièces sur une table rigide.
- Un capteur d’effort 6 composantes compatible avec le robot du système de production, référence Schunk FT-Omega-250.
- Un tracker laser de suivi dynamique de plusieurs mires avec bras d’acquisition déporté.
Objectifs scientifiques
L’objectif de l’investissement dans le cadre du CPER « Système de Production Performant et durable », Arts et Métiers ParisTech, campus de Metz, souhaite s’équiper d’une plateforme technologique robotisée multi-procédés : procédé de soudage MAG et FSW. Cette plateforme sera un complément de la plateforme de mesure VULCAIN, dédiée aux procédés de forgeage et de mesure sans contact. Le soudage à l’arc est un procédé d’assemblage majeur dans l’industrie tandis que le procédé FSW peine à s’industrialiser et à se robotiser en France. Or, investir et s’équiper de moyens de production de pointe augmente la compétitivité des entreprises et leur permet donc d’accompagner la croissance. Or, en 2014, la France comptait 34 000 robots, l’Italie 61 000 et l’Allemagne 162 000. Cette plateforme permettra, d’une part, de réaliser des travaux de recherche innovants sur la robotisation des procédés de soudage à l’arc et de FSW.
La robotisation des procédés par fusion est quelque chose de connue et d’amplement utilisée dans l’industrie. Elle permet de réduire la pénibilité du travail et les risques pour la santé sur le long terme des soudeurs. Dans un premier temps, l’automatisation des opérations de soudage à l’arc se heurte à des difficultés liées aux dispersions du processus de fabrication des pièces soudées et du procédé de soudage lui-même. Par exemple, il est très difficile d’automatiser les opérations de soudage de pièces embouties car le procédé d’emboutissage génère des dispersions géométriques provoquant des disper- sions d’accostage sur les montages de soudage. De même, la soudure multi-passes de pièces épaisses est difficile du fait de la dispersion géométrique des cordons de soudures. Pour automatiser ces types de soudure, plusieurs pistes sont possibles. Il s’agit soit d’élargir la tolérance du procédé de soudage soit de réduire les dispersions des pièces avant soudage ou du procédé de soudage. Une autre solution envisagée sur la plateforme est d’adapter le process de soudage à la configuration de soudage réelle intégrant les dispersions. Il s’agit, par exemple, de mesurer la géométrie réelle des pièces et d’adapter les paramètres et les trajectoires de soudage à la géométrie mesurée.
Le MAG est un procédé de soudage par fusion. Il est utilisé également pour la réalisation de rechargement. Il permet ainsi la réalisation de pièces multi-matériaux avec, de façon générale, un matériau de structure à cœur et un matériau à propriétés superficielles améliorées en surface. En MAG, la zone rechargée est constituée d’une succession de passes. La structure métallurgique est souvent hétérogène du fait d’une hétérogénéité de la composition chimique lié à la dilution et du fait des différents cycles thermiques subis par les différentes passes. Une solution, envisagée sur la plateforme, est de réaliser des opérations de mise en forme après le rechargement. L’opération de mise en forme a pour but alors, d’obtenir la géométrie de la pièce multi-matériaux (géométrie de la pièce et répartition des matériaux) et de réaliser un corroyage de la zone rechargée pour en améliorer la structure métallurgique. Cette partie du projet est en lien avec la plateforme VULCAIN de l’ENSAM de Metz.
Le procédé FSW est un procédé particulièrement intéressant pour le soudage des alliages d’alumi- nium dont l’utilisation est de plus en plus grande notamment dans le domaine des transports par les gains de masse qu’ils procurent et donc les effets bénéfiques induits en matière d’environnement. Ce- pendant sa mise en œuvre industrielle est freinée par le montant des investissements des matériels type machines-outils, machines qui offrent de plus une flexibilité très limitée. L’utilisation d’un robot poly- articulé permet de pallier à ces 2 inconvénients sous réserve que ce système puisse générer, dans tout son volume de travail, l’effort nécessaire au pilotage du procédé et garantir la bonne position et orientation de l’outil en cours de soudage. Ce procédé offre également l’avantage de ne pas émettre de gaz, de fumées ni d’arc électrique. Il est de ce fait réputé pour être convivial à utiliser et plus respectueux de l’environnement. Son brevet est tombé récemment dans le domaine public ce qui offre aux industriels une baisse des coûts de mise en œuvre du procédé. Des travaux sont menés, en partenariat avec l’Institut de Soudure, au sein du laboratoire LCFC sur la robotisation du procédé de soudage FSW. Aujourd’hui, la robotisation de ce procédé peine à se développer en France, car un verrou majeur reste à résoudre, à savoir compenser les déformations du robot sous l’action des efforts de soudage afin de garantir la bonne la position et l’orientation tout au long de la ligne de joint. Aujourd’hui, les déformations du robot nécessitent de recaler manuellement la position et l’orientation du robot. Cela est effectué par la méthode « essais / erreurs ». Cette méthode est simple à mettre en œuvre pour le soudage de pièces planes comportant des soudures linéaires. En revanche, pour des pièces de formes complexes, cette méthodologie nécessite un grand nombre de pièce d’essais et n’est pas robuste car tributaire de la position de la pièce dans l’espace de travail. L’utilisation de capteur externe est également difficile de par l’environnement contraint (brides de serrage, roller) et la géométrie des pièces. Aujourd’hui les résultats des travaux permettent de compenser de manière satisfaisante la position et la trajectoire de l’outil en 2D. L’objectif des travaux en cours et à venir sur cette plateforme sera de développer les modèles et les valider pour des applications 3D, à savoir des pièces de formes complexes, de les mettre en œuvre sur des pièces de faibles épaisseurs et lors de l’utilisation du pion rétractable. Ce dernier génère de forte vibration lors de la rétractation du pion.
CV DU PORTEUR
Jean-Yves Dantan est professeur à « Arts et Métiers ParisTech Metz » depuis 2010. Il a soutenu sa thèse de doctorat à l’Université de Bordeaux en 2000, et son Habilitation à diriger des recherches à l’ENS Cachan en 2009. Ses travaux de recherche portent la conception intégrée des produits et processus, le tolérancement, la gestion de l’incertitude, et les CAPP (computer aided process planning). J.-Y. Dantan a publié plus d’une centaine d’articles et communications. Il est membre du CIRP depuis 2011. Il co- dirige depuis 2009 un groupe national de recherche sur le tolérancement. Il coordonne les masters pour le département « conception intégrée » d’Arts et Métiers ParisTech, et est directeur adjoint du directeur LCFC.
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