CONCEPTION ET FABRICATION ASSISTÉES PAR ORDINATEUR

La conception assistée par ordinateur (CAO), également connue sous le nom de conception et de dessin assistés par ordinateur (CAO), implique tout le spectre du dessin à l’aide d’un ordinateur – des lignes droites à l’animation personnalisée. En pratique, la CAO désigne un logiciel pour la conception de solutions d’ingénierie et d’architecture, doté de capacités de modélisation bidimensionnelle et tridimensionnelle.

La fabrication assistée par ordinateur (FAO) implique l’utilisation d’ordinateurs pour faciliter tout processus de fabrication, y compris la fabrication flexible et la robotique. Souvent, les sorties des systèmes CAO servent d’entrées aux systèmes FAO. Lorsque ces deux systèmes fonctionnent conjointement, le résultat est appelé CADCAM et fait partie du processus de fabrication intégrée par ordinateur (CIM) d’une entreprise.

Les systèmes CADCAM sont conçus pour aider à de nombreuses étapes, sinon toutes, du cycle de vie d’un produit typique. Le cycle de vie du produit comprend une phase de conception et une phase de mise en œuvre. La phase de conception comprend l’identification des besoins et des spécifications de conception; la réalisation d’une étude de faisabilité, de la documentation de conception, de l’évaluation, de l’analyse et de l’optimisation; et la réalisation de la conception elle-même. La phase de mise en œuvre comprend la planification des processus, la planification de la production, le contrôle de la qualité, l’emballage, la commercialisation et l’expédition.

Les systèmes CAO peuvent aider à la plupart des processus de la phase de conception, tandis que les systèmes FAO peuvent aider à la plupart des processus de mise en œuvre. Les contributions des systèmes CAO et FAO sont décrites ci-dessous.

SYSTÈMES DE CAO

Les systèmes de CAO sont une forme spécialisée de logiciel graphique et doivent donc adhérer aux principes de base de la programmation graphique. Tous les programmes graphiques fonctionnent dans le contexte d’un périphérique graphique (par exemple, une fenêtre sur un moniteur, une imprimante ou un traceur). Les images graphiques sont dessinées par rapport à un système de coordonnées 2D ou 3D, dont il existe plusieurs types.

Un système de coordonnées de périphérique est 2D et mappe les images directement aux points (pixels) du périphérique matériel. Afin de faciliter les graphiques indépendants du périphérique, un système de coordonnées de périphérique virtuel extrait les points 2D dans un cadre logique.

Bien entendu, les dispositifs en cours de conception sont généralement des objets 3D, qui nécessitent également un système de coordonnées mondiales pour représenter l’espace dans lequel résident les objets, et un système de coordonnées modèles pour représenter chacun des objets dans cet espace. Le logiciel de CAO comprend des algorithmes pour projeter les modèles 3D sur les systèmes de coordonnées de périphériques 2D et vice versa.

Les systèmes de CAO comprennent plusieurs fonctions de dessin primitives, notamment des lignes, des polygones, des cercles et des arcs, des rectangles et d’autres formes simples. À partir de ces primitives, des composites 3D peuvent être construits et comprennent des cubes, des pyramides, des cônes, des coins, des cylindres et des sphères. Ces formes peuvent être dessinées dans n’importe quelle couleur et remplies de couleurs unies ou d’autres motifs (appelés hachures). De plus, les formes de base peuvent être modifiées par filetage (arrondi) ou chanfreinage (segmentation de ligne).

Sur la base de la manipulation de formes de base, les concepteurs construisent des modèles d’objets. Un modèle de forme de fil squelettique est une représentation en 3D qui montre tous les bords et caractéristiques sous forme de lignes. Un modèle plus réaliste est appelé modèle solide, qui est un modèle 3D de l’objet conçu comme un ensemble unitaire ne présentant aucune caractéristique cachée. Le modèle solide représente un volume fermé. Il comprend des informations de surface et des données déterminant si le volume fermé contient d’autres objets ou caractéristiques.

La modélisation solide implique des fonctions de création de formes 3D, de combinaison de formes (via des opérations d’union, d’intersection et de différence), de balayage (translation et rotation) pour convertir des formes simples en formes plus complexes, de dépouillement (pour la création de textures de surface) et diverses fonctions de création de limites. La modélisation solide inclut également le paramétrage, dans lequel le système de CAO maintient un ensemble de relations entre les composants d’un objet afin que les modifications puissent être propagées aux constructions suivantes.

Les formes courantes sont construites en entités (p. ex., fentes, trous, poches), qui peuvent ensuite être inclus dans un modèle solide d’un objet. La représentation des fonctionnalités aide l’utilisateur à définir des pièces. Il simplifie également la conception de logiciels de CAO car les fonctionnalités sont plus faciles à paramétrer que les interactions explicites. Les objets construits à partir de fonctionnalités sont appelés parties. Comme un produit en cours de conception est composé de plusieurs pièces, de nombreux systèmes de CAO incluent un modèle d’assemblage utile, dans lequel les pièces sont référencées et leurs relations géométriques et fonctionnelles sont stockées.

Les modèles CAO peuvent être manipulés et visualisés dans une grande variété de contextes. Ils peuvent être vus sous n’importe quel angle et perspective souhaités, brisés ou tranchés, et même soumis à des tests de simulation pour analyser les forces et les défauts de conception. Les pièces peuvent être déplacées dans leurs systèmes de coordonnées via des opérations de rotation, qui fournissent différentes perspectives d’une pièce, et de translation, qui permet à la pièce de se déplacer à différents endroits dans l’espace de vue. De plus, les systèmes de CAO offrent une fonctionnalité de dimensionnement précieuse, qui attribue des valeurs de taille en fonction du dessin du concepteur.

Le mouvement de ces images est une forme d’animation. Souvent, les systèmes de CAO incluent une technologie de réalité virtuelle, qui produit des images animées qui simulent une interaction réelle avec l’objet en cours de conception. Par exemple, si l’objet est un bâtiment, le système de réalité virtuelle peut vous permettre de visualiser la scène comme si vous vous promeniez à l’intérieur et à l’extérieur du bâtiment, ce qui vous permet de visualiser dynamiquement le bâtiment sous une multitude de perspectives. Afin de produire des effets réalistes, le système doit représenter les effets attendus de la réflexion de la lumière sur la surface lorsqu’elle se déplace dans l’espace de vue de l’utilisateur. Ce processus est appelé rendu.

La technologie de rendu comprend des fonctionnalités d’ombrage, de réflexion et de traçage de rayons. Cette technique, qui est également utilisée dans les jeux vidéo sophistiqués, fournit une image réaliste de l’objet et aide souvent les utilisateurs à prendre des décisions avant d’investir de l’argent dans la construction de bâtiments. Certaines interfaces de réalité virtuelle impliquent plus que de simples stimuli visuels. En fait, ils permettent au concepteur d’être complètement immergé dans l’environnement virtuel, en expérimentant une interaction kinesthésique avec l’appareil conçu.

Certains systèmes de CAO vont au-delà de l’aide à la conception des pièces et incluent en fait une fonctionnalité permettant de tester un produit contre les contraintes de l’environnement. En utilisant une technique appelée méthode des éléments finis (FEM), ces systèmes déterminent la contrainte, la déformation, le transfert de chaleur, la distribution du champ magnétique, l’écoulement du fluide et d’autres problèmes de champ continu.

L’analyse par éléments finis ne concerne pas tous les détails de conception, donc au lieu du modèle solide complet, un maillage est utilisé. La génération de maillage consiste à calculer un ensemble d’éléments simples donnant une bonne approximation de la pièce conçue. Un bon maillage doit aboutir à un modèle analytique d’une précision suffisante pour le calcul FEM, mais avec un nombre minimum d’éléments afin d’éviter une complexité inutile.

En plus du FEM, certains systèmes de CAO fournissent une variété de techniques d’optimisation, y compris le recuit simulé et des algorithmes génétiques (empruntés au domaine de l’intelligence artificielle). Ces méthodes aident à améliorer la forme, l’épaisseur et d’autres paramètres d’un objet conçu tout en respectant les contraintes définies par l’utilisateur (par exemple, les niveaux de contrainte admissibles ou les limites de coûts).

Lorsqu’un concepteur utilise la CAO pour développer une conception de produit, ces données sont stockées dans une base de données CAO. Les systèmes de CAO permettent un processus de conception dans lequel les objets sont composés de sous-objets, qui sont composés de composants plus petits, etc. Ainsi, les bases de données CAO ont tendance à être orientées objet. Étant donné que les conceptions CAO peuvent devoir être utilisées dans des systèmes FAO ou partagées avec d’autres concepteurs CAO à l’aide d’une variété de progiciels, la plupart des progiciels CAO garantissent que leurs bases de données sont conformes à l’un des formats de données CAO standard. L’une de ces normes, développée par l’American National Standards Institute (ANSI), s’appelle Initial Graphics Exchange Specification (IGES).

Un autre format de données est DXF, qui est utilisé par le logiciel AutoCAD populaire et devient de facto un standard de l’industrie. La capacité de convertir d’un format de fichier à un autre est appelée échange de données, et est une caractéristique commune de nombreux logiciels de CAO.

Les systèmes de CAO modernes offrent un certain nombre d’avantages aux concepteurs et aux entreprises. Par exemple, ils permettent aux utilisateurs d’économiser du temps, de l’argent et d’autres ressources en générant automatiquement des composants standard d’une conception, en permettant la réutilisation de composants précédemment conçus et en facilitant la modification de la conception. Ces systèmes permettent également la vérification des conceptions par rapport aux spécifications, la simulation et l’essai des conceptions, ainsi que la production des conceptions et de la documentation technique directement aux installations de fabrication. Alors que certains concepteurs se plaignent que les limites des systèmes de CAO freinent parfois leur créativité, il ne fait aucun doute qu’ils sont devenus un outil indispensable dans la conception électrique, mécanique et architecturale.

SYSTÈMES CAM

Le processus de fabrication comprend la planification des processus, la planification de la production (impliquant l’achat d’outils, la commande de matériaux et la programmation de commandes numériques), la production, le contrôle de la qualité, l’emballage, la commercialisation et l’expédition. Les systèmes de FAO aident à toutes les étapes de ce processus sauf les deux dernières. Dans les systèmes CAM, l’ordinateur s’interface directement ou indirectement avec les ressources de production de l’usine.

La planification des processus est une fonction de fabrication qui établit les processus et les paramètres à utiliser, ainsi que les machines effectuant ces processus. Cela implique souvent de préparer des instructions de travail détaillées aux machines pour l’assemblage ou la fabrication de pièces. Les systèmes de planification assistée par ordinateur (CAPP) aident à automatiser le processus de planification en développant, sur la base de la classification familiale de la pièce produite, une séquence d’opérations nécessaires à la production de cette pièce (parfois appelée routage), ainsi que des descriptions textuelles du travail à effectuer à chaque étape de la séquence. Parfois, ces plans de processus sont construits à partir des données des bases de données CAO.

La planification des processus est un problème de planification difficile. Pour une procédure de fabrication complexe, il peut y avoir un grand nombre de permutations possibles de tâches dans un processus nécessitant l’utilisation de méthodes d’optimisation sophistiquées pour obtenir le meilleur plan de processus. Des techniques telles que les algorithmes génétiques et la recherche heuristique (basée sur l’intelligence artificielle) sont souvent utilisées pour résoudre ce problème.

L’application de FAO la plus courante est la commande numérique (CN), dans laquelle des instructions programmées commandent des machines-outils qui meulent, coupent, fraisent, perforent ou plient les matières premières en produits finis. Souvent, le CN entre les spécifications d’une base de données CAO, ainsi que des informations supplémentaires de l’opérateur de la machine-outil. Une machine-outil CN typique comprend une unité de commande de la machine (MCU) et la machine-outil elle-même. Le MCU comprend une unité de traitement de données (DPU), qui lit et décode des instructions d’un programme de pièce, et une unité de boucle de commande (CLU), qui convertit les instructions en signaux de commande et actionne les mécanismes d’entraînement de la machine-outil.

Le programme de pièces est un ensemble d’instructions contenant des informations géométriques sur la pièce et des informations de mouvement sur la façon dont l’outil de coupe doit se déplacer par rapport à la pièce. La vitesse de coupe, la vitesse d’avance et d’autres informations sont également spécifiées pour répondre aux tolérances de pièce requises. La programmation de pièces est une discipline technique en soi, nécessitant un langage de programmation sophistiqué et des points de référence de système de coordonnées. Parfois, les programmes de pièces peuvent être générés automatiquement à partir de bases de données CAO, où les spécifications géométriques et fonctionnelles de la conception CAO se traduisent automatiquement dans les instructions du programme de pièces.

Les systèmes de commande numérique évoluent vers une technologie plus sophistiquée appelée prototypage et fabrication rapides (RP & M). Cette technologie comporte trois étapes : la formation de sections transversales des objets à fabriquer, la pose de sections transversales couche par couche et la combinaison des couches. Il s’agit d’une approche de fabrication sans outil rendue possible par la disponibilité de systèmes de CAO à modélisation solide. RP & M est souvent utilisé pour évaluer les conceptions, vérifier les spécifications fonctionnelles et la rétro-ingénierie.

Bien entendu, les systèmes de contrôle des machines sont souvent utilisés en conjonction avec la technologie robotique, faisant appel à l’intelligence artificielle et aux capacités physiques humanoïdes contrôlées par ordinateur (par exemple, dextérité, mouvement et vision). Ces « travailleurs à collier d’acier » augmentent la productivité et réduisent les coûts en remplaçant les travailleurs humains dans des environnements répétitifs, banals et dangereux.

Les systèmes CAM comprennent souvent des composants pour automatiser la fonction de contrôle de la qualité. Cela implique d’évaluer les spécifications des produits et des processus, de tester les matériaux entrants et les produits sortants et de tester le processus de production en cours. Les systèmes de contrôle de la qualité mesurent souvent les produits qui sortent de la chaîne de montage pour s’assurer qu’ils respectent les spécifications de tolérance établies dans les bases de données CAO. Ils produisent des rapports d’exception pour les responsables de la chaîne de montage lorsque les produits ne répondent pas aux spécifications.

En résumé, les systèmes CAM augmentent l’efficacité de la fabrication en simplifiant et en automatisant les processus de production, améliorent l’utilisation des installations de production, réduisent les investissements dans les stocks de production et, en fin de compte, améliorent le service client en réduisant considérablement les situations de rupture de stock.

TOUT METTRE ENSEMBLE: FABRICATION INTÉGRÉE PAR ORDINATEUR

Dans un système CADCAM, une pièce est conçue sur l’ordinateur (via CAO) puis transmise directement aux machines-outils pilotées par ordinateur qui fabriquent la pièce via FAO. Dans ce processus, il y aura de nombreuses autres étapes informatisées en cours de route. L’ensemble du domaine de la conception, de la manutention, de la fabrication et de l’emballage est souvent appelé fabrication intégrée par ordinateur (CIM).

L’ICM comprend tous les aspects de la CAO et de la FAO, ainsi que la gestion des stocks. Pour réduire les coûts, les entreprises sont fortement motivées à minimiser les volumes de stock dans leurs entrepôts. Les politiques d’inventaire juste à temps (JIT) deviennent la norme. Pour faciliter cela, l’ICM inclut la planification des besoins en matériaux (MRP) dans sa configuration globale. Les systèmes MRP aident à planifier les types et les quantités de matériaux qui seront nécessaires au processus de fabrication. La fusion de MRP avec la planification de la production et le contrôle de l’atelier de CAM s’appelle la planification des ressources de fabrication (MRPII). Ainsi, la fusion de MRP avec les systèmes CADCAM intègre les fonctions de production et de contrôle des stocks d’une organisation.

Les industries d’aujourd’hui ne peuvent survivre que si elles peuvent introduire de nouveaux produits de haute qualité, à faible coût et à court délai. Les systèmes CADCAM utilisent la technologie informatique pour concrétiser ces exigences et promettent d’exercer une influence majeure sur les processus de conception, d’ingénierie et de fabrication dans un avenir prévisible.