Machpro 898 29/01/10

Couper plutôt qu’enlever la matière

Régulièrement, la rédaction de Machines Production se tourne vers les techniques de travail du métal et des composites par découpe et déformation. Leur évolution est toujours aussi rapide et la montée en puissance des matériaux composites bouscule l’ordre établi. Alors, quelle technique choisir et pour quoi faire ? Comme toujours, la réponse tient dans le meilleur compromis entre qualité du produit, coût d’obtention et délai de livraison.

Découpe par électroérosion au fil, découpe laser, poinçonnage, découpe plasma, découpe au jet d’eau, cisaillage, oxycoupage, découpe à la presse constituent autant de techniques de coupe des métaux, autant de métiers nécessitant des compétences différentes et complémentaires.

Tôlerie, chaudronnerie, découpage-emboutissage sont pratiqués aussi bien dans de très grands groupes pour l’aéronautique, l’automobile, la construction navale, le BTP, l’énergie nucléaire, le transport ferroviaire que par un grand nombre d’entreprises de sous-traitance œuvrant pour les mêmes secteurs. Les pièces métalliques et en matériaux composites obtenues par ces techniques servent aussi bien de composants de structure que de carrosserie. Ces composants supportent et positionnent souvent des ensembles mécaniques – moteurs, pompes, vérins, arbres, etc… – provenant eux-mêmes d’ateliers d’usinage. Tout est donc lié et il apparaît important pour les opérateurs, ingénieurs et responsables d’investissement de connaître l’évolution conjointe de ces techniques. Dans cet article, la rédaction de Mach’Pro trace les grandes lignes de ces techniques de découpe.

Du poinçonnage vers le laser
En tôlerie, le choix de la technique de découpe est très important et souvent dépendant de la fonction assurée par les pièces. D’une part, les contraintes supportées par certains composants de sécurité, pour l’aéronautique par exemple, imposent des matériaux et des techniques assurant leur fonction en toutes circonstances, sans risque de fissure ou corrosion. D’autre part, l’aspect des composants de carrosserie joue un rôle important, même si des revêtements et peintures améliorent le fini de surface. La découpe de tôles jusqu’à 10 mm était auparavant effectuée par poinçonnage-grignotage. Auparavant, car la découpe laser a pris progressivement sa place depuis la fin des années 80 jusqu’à aujourd’hui, où l’on entend de moins en moins le staccato des poinçons dans les ateliers de tôlerie. Soyons juste, il reste une proposition en machines hybrides, mariant le poinçonnage à la découpe laser, afin de laisser le choix à l’utilisateur de prendre le meilleur des deux quand il le souhaite. Pour les coupes droites, le cisaillage est toujours à l’honneur. Pour revenir à la technologie en pointe, rappelons que LASER est l’acronyme du terme anglais Light Amplified System by Emission of Radiation. Les sources laser amplifient la lumière en la concentrant en un faisceau de 0,1 à 0,2 mm. Les deux principales techniques d’accompagnement du laser sont appelées pour l’une CO2, car utilisant ce gaz pour conduire le faisceau par l’intermédiaire de miroirs jusqu’à la buse de sortie. La technique Yag est moins puissante, mais peut se transporter par l’intermédiaire de fibres optiques, ce qui lui donne une plus grande flexibilité. En une dizaine d’années, la technologie laser a fait des progrès considérables. Chez le premier constructeur mondial du secteur, l’allemand Trumpf, son centre de découpe laser TruLaser Cell Série 7000 adopte une source laser jusqu’à 15 kW en CO2 et 10 kW en technologie Yag. Grâce à un fonctionnement optimisé, une vitesse d’usinage plus élevée et une accélération plus rapide du système, les temps de production bas réduisent sensiblement les coûts par pièces produites.

A titre d’exemple, un laser moyen d’une puissance de 6 kW permet une vitesse de découpe maximale de 40 mètres par minute. L’emploi de buses de diamètres plus faibles réduisant le débit et ainsi la consommation en gaz, permet d’autres économies des coûts variables de production. La maîtrise technologique de la découpe laser améliore aussi considérablement la qualité de la tranche des pièces ainsi découpées. Leur spectre d’application s’est donc élargi dans de belles proportions. Cependant, la découpe au jet d’eau abrasif reste complémentaire du laser. Toutes deux sont économiques, lorsqu’il s’agit de réaliser des pièces en petites et moyennes séries de 0,5 mm jusqu’à 25 mm d’épaisseur en laser et de 1 mm jusqu’à 200 mm en jet d’eau abrasif. L’atout supplémentaire du jet d’eau réside dans le fait que c’est une coupe froide, qui ne modifie pas la structure moléculaire de la tranche découpée. Sans aucune limite en ce qui concerne les matériaux, la découpe au jet d’eau se révèle économiquement intéressante grâce à la possibilité d’adopter 1, 2 ou 4 têtes, par exemple sur la machine ByJet Pro du constructeur Suisse Bystronic. Et la technologie est facilement accessible car la convivialité des logiciels de programmation en autorise une approche rapide. En fonction de la qualité demandée, le logiciel calcule la vitesse d’avance du jet d’eau et son ralentissement dans les courbes. Directement à partir du fichier CAO, l’opérateur intègre les formes diverses aisément et procède à leur découpe très rapidement.

Sans oublier la découpe plasma
Lorsque la qualité de tranche est moins importante, par exemple en chaudronnerie pour des flancs se prêtant à des soudages épais, la technique de découpe au plasma est largement employée. Moins coûteuse que les précédentes, elle est également facilement transportable ou intégrable sur de très grandes machines. Un exemple nous vient d’un chantier naval anglais. Techserv Cutting Systems Ltd, spécialiste de la fabrication de systèmes de commande numérique, a fourni 4 machines de découpe au plasma HS 4000 à l’Aircraft Carrier Alliance (ACA), service du Ministère britannique de la Défense. Chaque machine utilise un système de commande sophistiqué de 4 axes totalement synchronisés, basé sur des servomoteurs et des variateurs de Baldor Electric Company, pour fournir la précision de déplacement nécessaire aux tolérances serrées sur des coupes de grandes dimensions.

Ces machines sont utilisées pour fabriquer les plaques en acier de la proue des nouveaux porte-avions de la classe Queen Elizabeth, dont le premier doit entrer en service dans la Royal Navy en 2016, suivi du second en 2018. Les machines sont installées au chantier d’Appledore (Devon) de la Division Babcock Marine, un des principaux services de l’ACA. Le chantier d’Appledore fabrique la carène de la proue en acier des navires, ensuite transférés au chantier de Rosyth (Fife) pour l’intégration et le montage final du navire. Les 20 premières expéditions d’Appledore, composées de 11 ensembles fabriqués pesant de 20 à 36 tonnes chacun, ont été transportées sur des barges à Rosyth en Août. Les machines de coupe au plasma HS 4000 de Techserv produisent des pièces à partir de plaques d’acier de largeur 5 mètres et d’épaisseur 35 mm. En fonction de l’épaisseur de la plaque d’acier usinée et du type de système de coupe au plasma monté, les machines HS 4000 affichent une vitesse de coupe de 50 à 16 000 mm par minute. Un PC industriel embarqué assure la commande globale de chaque machine. Le logiciel qui fonctionne sous XP permet la commande en temps réel de toutes les fonctions avancées de la machine, y compris le contournage, ainsi que de la tête de coupe au plasma Kaliburn Proline 2200. Le logiciel contrôle également la hauteur de la tête sur la machine HS 4000 en surveillant la tension d’arc et en réglant automatiquement la distance entre le chalumeau à plasma et la pièce pour des performances de coupe maximales et la sécurité de la machine. Comme dans toutes les machines-outils, la commande et la cinématique des axes de mouvement sont très importantes. Mike Cowley, directeur technique de Techserv, précise : « Nous avons choisi d’utiliser exclusivement des produits de commande de mouvement Baldor pour la machine HS 4000 car leur association fonctionne parfaitement pour obtenir la précision de positionnement que nous exigeons. » Mike Cowley insiste également sur la très grande facilité d’utilisation du langage de programmation multitâche Mint de Baldor : « Il nous a aidé à accélérer le développement de nos programmes de commande de mouvement. »

La qualité supérieure de l’érosion
La découpe par fil en électroérosion se révèle la plus précise des techniques de découpe et elle entre plus en concurrence avec la rectification et l’usinage dur qu’avec les techniques précédemment citées. Pourtant elle travaille aussi par coupe de volumes pour en extraire la forme désirée. Le fil est conducteur de milliers d’étincelles produites dans un générateur, qui contrôle la puissance et la distance (GAP) de ces étincelles. Ainsi, d’un régime d’ébauche à un régime de finition, les vitesses varient considérablement. D’ailleurs, la vitesse n’est pas l’atout de l’EDM, plutôt son handicap. Cependant, l’automatisation de chargement et la possibilité de travailler la nuit et le week-end permettent à cette technique de produire en temps masqué des pièces de très grande qualité dans des aciers déjà traités thermiquement. Les outilleurs et les moulistes ont adopté la technologie les premiers, la mécanique de précision ayant peu suivi car l’UGV 5 axes et 5 faces à pris le pas de puis une dizaine d’années. Afin de conquérir les marchés les plus nichés, l’un des premiers constructeurs mondiaux, le groupe GF Agie Charmilles innove sans cesse. Ainsi, lors de l’exposition mondiale de la machine-outil –EMO de Milan 2009–, il a présenté une machine spécifiquement conçu pour permettre l’utilisation de l’huile comme fluide diélectrique. Le CUT 1000 OilTech va sans aucun doute intéresser des champs d’application tels que l’industrie horlogère, car il permet l’assemblage très précis de pièces usinées sans corrosion visible. Une autre application pour laquelle le CUT 1000 OilTech convient parfaitement est la fabrication d’outils d’estampage en carbure pour la microélectronique. Avec le CUT 1000 OilTech, la finition de la surface et la qualité de l’arête tranchante sont réalisées sans affecter la couche de surface et sans microfissures, ce qui se traduit par une plus longue durée de vie de l’outil. Son générateur entièrement nouveau est capable de produire des finitions de surface de 0,05 Ra et une qualité de surface parfaite sur les pièces finies. Baptisé AC Duo, il est unique en son genre et permet l’usinage avec deux diamètres de fils, pour une efficacité et une économie optimales. La gamme de diamètres de fils possibles, allant de 0,20 mm à 0,02 mm, couvre parfaitement les besoins des domaines d’application pour lesquels le CUT 1000 OilTech a été conçu. Les changements de bobines de fil sont automatiques, de telle sorte que différents fils peuvent être utilisés pour les coupes principales et les coupes de finition. Le CUT 1000 OilTech offre également une précision de positionnement de 1 µm sur tous les trajets de déplacement.

S’ouvrir sur toutes les techniques
Une grande entreprise de construction textile devait fabriquer des cames en 100C6 pour ses systèmes de commandes en 12 mm d’épaisseur. Une cinquantaine de prototypes furent fabriqués par la technique d’électroérosion, afin de valider le concept. Une présérie de 5000 fut ensuite réalisée en découpe laser et rectification. Aujourd’hui, la production est réalisée par découpage fin, à l’aide d’un outillage dont la matrice et le poinçon ont été taillés par électroérosion à fil. Le même programme géométrique a servi pour toutes les techniques. La morale de cette histoire, c’est que les seuls capables de progresser ainsi sont ceux qui connaissent et maîtrisent toutes les techniques nécessaires à la pratique de leur métier : créateur de plus-value.