Fabrication numérique - Digital manufacturing
La fabrication numérique est une approche intégrée de la fabrication centrée autour d'un système informatique. La transition vers la fabrication numérique est devenue plus populaire avec l'augmentation de la quantité et de la qualité des systèmes informatiques dans les usines de fabrication. À mesure que de plus en plus d'outils automatisés sont utilisés dans les usines de fabrication, il est devenu nécessaire de modéliser, simuler et analyser toutes les machines, l'outillage et les matériaux d'entrée afin d'optimiser le processus de fabrication. Dans l'ensemble, la fabrication numérique peut être considérée comme partageant les mêmes objectifs que la fabrication intégrée par ordinateur (CIM), la fabrication flexible , la fabrication au plus juste et la conception pour la fabricabilité (DFM). La principale différence est que la fabrication numérique a été développée pour être utilisée dans le monde informatisé.
Dans le cadre de Manufacturing USA , le Congrès et le département américain de la Défense ont créé MxD (Manufacturing times Digital), l'institut national de fabrication numérique, pour accélérer l'adoption de ces outils numériques.
Modélisation en trois dimensions
Les ingénieurs de fabrication utilisent un logiciel de modélisation 3D pour concevoir les outils et les machines nécessaires aux applications prévues. Le logiciel leur permet de concevoir l'agencement de l'usine et le flux de production. Cette technique permet aux ingénieurs d'analyser les processus de fabrication actuels et de rechercher des moyens d'augmenter l'efficacité de la production avant même que la production ne commence.
Simulation
La simulation peut être utilisée pour modéliser et tester le comportement d'un système. La simulation fournit également aux ingénieurs un outil d'analyse peu coûteux, rapide et sécurisé pour tester comment les changements dans un système peuvent affecter les performances de ce système.
Ces modèles peuvent être classés comme suit :
- Statique - Système d'équations à un instant donné
- Dynamique - Système d'équations qui incorpore le temps comme variable
- Continu - Modèle dynamique où le temps passe linéairement
- Discret - Modèle dynamique où le temps est séparé en morceaux
- Déterministe - Modèles où une solution unique est générée pour une entrée donnée
- Stochastique - Modèles où une solution est générée en utilisant des paramètres probabilistes
Les applications de simulation peuvent être affectées à :
- Conception de produits (par exemple réalité virtuelle)
- Conception de processus (par exemple, aider à la conception de processus de fabrication)
- Progiciel de Gestion Intégré
Une analyse
Les systèmes de fabrication numérique intègrent souvent des capacités d'optimisation pour réduire le temps, les coûts et améliorer l'efficacité de la plupart des processus. Ces systèmes améliorent l'optimisation des horaires d'étage, la planification de la production et la prise de décision. Le système analyse les retours d'informations de la production, tels que les écarts ou les problèmes dans le système de fabrication, et génère des solutions pour les gérer.
De plus, de nombreuses technologies analysent les données de simulations afin de calculer une conception optimale avant même sa construction.
Le débat se poursuit sur l'impact de tels systèmes sur la main-d'œuvre manufacturière. Des modèles économétriques ont montré que chaque robot nouvellement installé déplace en moyenne 1,6 travailleur de la fabrication. Ces modèles ont également prévu que d'ici 2030, jusqu'à 20 millions d'emplois manufacturiers supplémentaires dans le monde pourraient être déplacés en raison de la robotisation.
Cependant, d'autres recherches ont trouvé des preuves, non pas de pertes d'emplois, mais d'un manque de compétences. La fabrication numérique crée des centaines de nouveaux emplois de fabrication centrés sur les données – des rôles comme « technicien en robotique collaborative » et « spécialiste des systèmes de maintenance prédictive » – mais pas assez de travailleurs disponibles possédant les compétences et la formation nécessaires pour les combler.
Outillage et procédés
La fabrication numérique utilise de nombreux processus d'outillage différents. Cependant, chaque processus de fabrication numérique implique l'utilisation de machines à commande numérique informatisées ( CNC ). Cette technologie est cruciale dans la fabrication numérique car elle permet non seulement la production de masse et la flexibilité, mais elle fournit également un lien entre un modèle CAO et la production. Les deux principales catégories d'outillage CNC sont additives et soustractives. Des avancées majeures dans la fabrication additive sont survenues récemment et sont à la pointe de la fabrication numérique. Ces processus permettent aux machines de traiter chaque élément d'une pièce, quelle que soit la complexité de sa forme.
Exemples d'outillages et de procédés additifs
- Stéréolithographie - Dans ce processus, des pièces solides sont formées en solidifiant des couches d'un photopolymère avec une lumière ultraviolette. Il existe une large gamme d'acryliques et d'époxydes qui sont utilisés dans ce processus.
- Traitement par jet d'encre - Bien que le procédé à jet d'encre le plus largement utilisé soit utilisé pour l'impression sur papier, il en existe beaucoup qui sont appliqués en ingénierie. Ce processus implique une tête d'impression déposant des couches de matériau liquide sur une poudre de remplissage ayant la forme de l'objet souhaité. Une fois la poudre saturée, une nouvelle couche de poudre fraîche est ajoutée en continu jusqu'à ce que l'objet soit construit. Un autre procédé de dépôt de gouttes de matériau moins connu utilise un matériau de construction et de support pour produire un modèle 3D. Le matériau de construction est thermoplastique et le matériau de support est de la cire. La cire est fondue après l'impression du modèle en couches. Une autre technique similaire utilise la fabrication à base de gouttelettes (DBM) pour créer des modèles thermoplastiques sans support avec un positionnement de goutte sur 5 axes
- Frittage et fusion laser - Ce processus utilise la chaleur produite par des lasers infrarouges pour lier un matériau en poudre ensemble pour former une forme solide.
- Durcissement du sol solide - Une couche de photopolymère liquide est étalée sur une plate-forme. Un masque optique est généré et déposé sur le polymère. Une lampe UV durcit la résine qui n'est pas bloquée par le masque. Tout liquide restant est éliminé et les vides sont remplis de cire. De la résine liquide est étalée sur la couche qui vient d'être produite et le processus est répété. Lorsque la pièce est terminée, la cire peut être fondue hors des vides.
- Fabrication d'objets laminés - Un matériau en feuille est posé sur une plate-forme et un laser découpe le contour souhaité. La plate-forme est abaissée d'une épaisseur de tôle et une nouvelle tôle est posée avec une couche de colle thermique entre les deux tôles. Un rouleau chauffé presse les feuilles ensemble et active l'adhésif. Le laser découpe les contours de cette couche et le processus est répété. Lorsque la pièce est terminée, les restes de matériau en feuille autour du périmètre de la pièce doivent être retirés. La partie finale est enduite de mastic.
- Fabrication de filaments fondus - FFF est la forme d'impression 3D la plus couramment utilisée. Le matériau thermoplastique est chauffé juste au-delà de la solidification et extrudé sur une plate-forme dans la forme souhaitée. La plate-forme est abaissée et la couche suivante est extrudée sur la couche précédente. Le processus est répété jusqu'à ce que la pièce soit terminée.
Exemples d'outils et de procédés soustractifs
- Découpe au jet d'eau - Un découpeur à jet d'eau est un outil CNC qui utilise un jet d'eau à haute pression, souvent mélangé à un matériau abrasif, pour découper des formes ou des motifs dans de nombreux types de matériaux.
- Fraisage - Une fraiseuse CNC utilise un outil de coupe rotatif pour retirer de la matière d'un morceau de stock. Le fraisage peut être effectué sur la plupart des métaux, de nombreux plastiques et tous les types de bois.
- Tour - Un tour CNC enlève du matériau en faisant tourner la pièce tandis qu'un outil de coupe fixe est mis en contact avec le matériau.
- Découpe laser - Un découpeur laser est un outil CNC qui utilise un faisceau laser focalisé pour couper et graver des feuilles. La découpe peut se faire sur des plastiques, du bois et sur des machines de plus grande puissance, du métal. Récemment, les découpeuses laser CO2 abordables sont devenues populaires auprès des amateurs.
Avantages
- Optimisation d'un processus de fabrication de pièces. Cela peut être fait en modifiant et/ou en créant des procédures dans un environnement virtuel et contrôlé. Ce faisant, l'utilisation de nouveaux systèmes robotiques ou automatisés peut être testée dans la procédure de fabrication avant d'être physiquement mise en œuvre.
- La fabrication numérique permet de créer virtuellement l'ensemble du processus de fabrication avant d'être mis en œuvre physiquement. Cela permet aux concepteurs de voir les résultats de leur processus avant d'investir du temps et de l'argent dans la création de l'usine physique.
- Les effets provoqués par le changement des machines ou des processus d'outillage sont visibles en temps réel. Cela permet de prendre des informations d'analyse pour n'importe quelle pièce individuelle à n'importe quel moment souhaité pendant le processus de fabrication.
Les types
Sur demande
- Fabrication additive - La fabrication additive est le "processus d'assemblage de matériaux pour fabriquer des objets à partir de données de modèle 3D, généralement couche après couche". La fabrication additive numérique est hautement automatisée, ce qui signifie moins d'heures de travail et d'utilisation de la machine, et donc des coûts réduits. En incorporant des données de modèle à partir de sources ouvertes numérisées, les produits peuvent être produits rapidement, efficacement et à moindre coût.
- Fabrication rapide - Tout comme la fabrication additive, la fabrication rapide utilise des modèles numériques pour produire rapidement un produit qui peut être de forme compliquée et de composition matérielle hétérogène. La fabrication rapide utilise non seulement le processus d'information numérique, mais également le processus physique numérique. Les informations numériques régissent le processus physique d'ajout de matériau couche par couche jusqu'à ce que le produit soit terminé. Les informations et les processus physiques sont nécessaires pour que la fabrication rapide soit flexible dans sa conception, bon marché et efficace.
Conception et fabrication basées sur le cloud
La conception basée sur le cloud (CBD) fait référence à un modèle qui intègre des sites de réseaux sociaux, le cloud computing et d'autres technologies Web pour faciliter les services de conception cloud. Ce type de système doit être basé sur le cloud computing, être accessible à partir d'appareils mobiles et doit être capable de gérer des informations complexes. Autodesk Fusion 360 est un exemple de CBD.
La fabrication basée sur le cloud (CBM) fait référence à un modèle qui utilise l'accès à des informations ouvertes à partir de diverses ressources pour développer des lignes de production reconfigurables afin d'améliorer l'efficacité, de réduire les coûts et d'améliorer la réponse aux besoins des clients. Un certain nombre de plates-formes de fabrication en ligne permettent aux utilisateurs de télécharger leurs fichiers 3D pour l'analyse DFM et la fabrication.