Fabrication assistée par ordinateur (FAO) : Comment elle pilote la production moderne

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Fabrication Assistée par Ordinateur (FAO) : L'introduction complète pour l'esprit débutant

Dans un monde plein de choses physiques — que ce soit des produits, des pièces ou des lieux — la Fabrication Assistée par Ordinateur (FAO) rend tout cela possible. Nous sommes ceux qui donnent le pouvoir du vol aux avions ou le grondement de la puissance aux automobiles. Quand vous avez besoin de quelque chose de fait, pas juste conçu, la FAO est votre réponse. Que se passe-t-il dans les coulisses ? Continuez à lire, et vous le découvrirez.

Qu'est-ce que la FAO ? La Fabrication Assistée par Ordinateur (FAO) est l'utilisation de logiciels et de machines à commande numérique pour automatiser un processus de fabrication.

Basé sur cette définition, vous avez besoin de trois composants pour qu'un système FAO fonctionne :

• Un logiciel qui dit à une machine comment fabriquer un produit en générant des trajectoires d'outils.
• Une machinerie qui peut transformer la matière première en produit fini.
• Le post-traitement qui convertit les trajectoires d'outils en un langage que les machines peuvent comprendre.

Ces trois composants sont collés ensemble avec des tonnes de travail humain et de compétence. En tant qu'industrie, nous avons passé des années à construire et affiner les meilleures machines de fabrication qui soient. Aujourd'hui, il n'y a pas de design trop dur pour qu'un atelier de machiniste capable puisse le gérer.

Processus CAO vers FAO

Sans FAO, il n'y a pas de CAO. La CAO se concentre sur la conception d'un produit ou d'une pièce. À quoi elle ressemble, comment elle fonctionne. La FAO se concentre sur comment la faire. Vous pouvez concevoir la pièce la plus élégante dans votre outil CAO, mais si vous ne pouvez pas la fabriquer efficacement avec un système FAO, alors vous feriez mieux de laisser tomber.

Le début de chaque processus d'ingénierie commence dans le monde de la CAO. Les ingénieurs feront soit un dessin 2D ou 3D, que ce soit un vilebrequin pour une automobile, le squelette interne d'un robinet de cuisine, ou l'électronique cachée dans un circuit imprimé. En CAO, tout design est appelé un modèle et contient un ensemble de propriétés physiques qui seront utilisées par un système FAO.

Quand un design est complet en CAO, il peut ensuite être chargé en FAO. Cela se fait traditionnellement en exportant un fichier CAO et en l'important dans un logiciel FAO. Si vous utilisez un outil comme Fusion 360, la CAO et la FAO existent dans le même monde, donc il n'y a pas d'importation/exportation requise.

Une fois votre modèle CAO importé en FAO, le logiciel commence à préparer le modèle pour l'usinage. L'usinage est le processus contrôlé de transformation de la matière première en une forme définie par des actions comme le coupe, le perçage ou l'alésage.

Le logiciel de Fabrication Assistée par Ordinateur prépare un modèle pour l'usinage en travaillant à travers plusieurs actions, notamment :

• Vérifier si le modèle a des erreurs de géométrie qui affecteront le processus de fabrication.
• Créer une trajectoire d'outil pour le modèle, un ensemble de coordonnées que la machine suivra pendant le processus d'usinage.
• Définir les paramètres de machine requis, y compris la vitesse de coupe, la tension, la hauteur de coupe/perçage, etc.
• Configurer l'imbrication (nesting) où le système FAO décidera de la meilleure orientation pour une pièce pour maximiser l'efficacité d'usinage.

Une fois le modèle préparé pour l'usinage, toutes les informations sont envoyées à une machine pour produire la pièce physiquement. Cependant, nous ne pouvons pas juste donner à une machine un tas d'instructions en anglais. Nous devons parler le langage de la machine. Pour ce faire, nous convertissons toutes nos informations d'usinage en un langage appelé G-code. C'est l'ensemble d'instructions qui contrôle les actions d'une machine, y compris la vitesse, le débit d'avance, les refroidissants, etc.

Le G-code est facile à lire une fois que vous comprenez le format. Un exemple ressemble à ceci :

G01 X1 Y1 F20 T01 S500

Cela se décompose de gauche à droite comme suit :

• G01 indique un mouvement linéaire basé sur les coordonnées X1 et Y1.
• F20 définit un débit d'avance, qui est la distance que la machine parcourt en une révolution de broche.
• T01 dit à la machine d'utiliser l'Outil 1, et S500 définit la vitesse de broche.

Une façon plus visuelle de comprendre les coordonnées G-code. Image courtesy of Make:.

Une fois le G-code chargé dans la machine, et qu'un opérateur appuie sur start, notre travail est fait. Maintenant, il est temps de laisser la machine faire le travail d'exécuter le G-code pour transformer un bloc de matière première en produit fini.

Machines CNC en un coup d'œil

Jusqu'à ce point, nous avons parlé de la machinerie dans un système FAO comme simplement des machines, mais cela ne leur rend pas justice. Regarder une fraiseuse Haas glisser à travers un bloc de métal comme s'il était du beurre me met un sourire au visage à chaque fois. Sans ces machines, mon travail serait impossible.

Image courtesy of Haas Automation.

Tous les centres de fabrication modernes feront tourner divers machines à Commande Numérique par Calculateur (CNC) pour produire des pièces d'ingénierie. Le processus de programmation d'une machine CNC pour effectuer des actions spécifiques est appelé usinage CNC.

Avant que les machines CNC n'existent, les centres de fabrication étaient opérés manuellement par des vétérans machinistes. Bien sûr, comme toutes les choses que les ordinateurs touchent, l'automatisation a vite suivi. De nos jours, la seule intervention humaine requise pour faire tourner une machine CNC est de charger un programme, d'insérer la matière première, et ensuite de décharger un produit fini.

Au atelier Autodesk Pier 9, nous avons un échantillon décent de machines CNC, y compris :

Routeurs CNC

Ces machines coupent des pièces et creusent une variété de formes avec des composants à rotation à haute vitesse. Par exemple, un routeur CNC utilisé pour le travail du bois peut faire un travail facile de découpe de contreplaqué en pièces d'armoires. Il peut aussi facilement s'attaquer à des gravures décoratives complexes sur un panneau de porte. Les routeurs CNC ont des capacités de coupe 3 axes, ce qui leur permet de se déplacer le long des axes X, Y et Z.

Coupeurs eau, plasma et laser

Ces machines utilisent des lasers précis, de l'eau à haute pression ou une torche plasma pour effectuer une coupe contrôlée ou une finition gravée. Les techniques de gravure manuelles peuvent prendre des mois à compléter à la main, mais une de ces machines peut compléter le même travail en heures ou jours. Les coupeurs plasma sont pratiques pour couper à travers des matériaux électriquement conducteurs comme les métaux.

Machines de fraisage

Ces machines enlèvent de la matière sur une variété de matériaux comme le métal, le bois, les composites, etc. Les machines de fraisage ont une énorme polyvalence avec une variété d'outils qui peuvent accomplir des exigences spécifiques de matériau et de forme. L'objectif global d'une machine de fraisage est d'enlever de la masse d'un bloc brut de matière aussi efficacement que possible.

Tours

Ces machines enlèvent aussi de la matière sur des matières premières comme une machine de fraisage. Elles le font différemment. Une machine de fraisage a un outil qui tourne et une matière stationnaire, où un tour fait tourner la matière et coupe avec un outil stationnaire.

Image courtesy of Halsey Manufacturing.

Machines à Électroérosion (EDM)

Ces machines coupent la forme désirée hors de la matière première par une décharge électrique. Une étincelle électrique est créée entre une électrode et la matière première, avec la température de l'étincelle atteignant 8 000 à 12 000 degrés Celsius. Cela permet à une EDM de fondre à travers presque n'importe quoi dans un processus contrôlé et ultra-précis.

Image courtesy of Absolute Wire EDM.

L'élément humain de la Fabrication Assistée par Ordinateur (FAO)

L'élément humain a toujours été un sujet sensible depuis l'arrivée de la FAO sur la scène dans les années 1990. Dans les années 1950, quand John T. Parsons a introduit l'usinage CNC pour la première fois, opérer habilement les machines nécessitait une énorme quantité d'entraînement et de pratique. La vidéo ci-dessous de NYC CNC montre un excellent exemple de la différence entre les machines manuelles et les machines CNC d'aujourd'hui :

À l'époque de l'usinage manuel, être un machiniste était un badge d'honneur qui prenait des années d'entraînement à perfectionner. Un machiniste devait tout faire — lire des plans, savoir quels outils utiliser, définir les avances et vitesses pour des matériaux spécifiques, et couper soigneusement une pièce à la main. Ce n'était pas juste une question de dextérité manuelle précise. Être un machiniste était, et est toujours, à la fois un art et une science.

Image courtesy of ITABC.CA

De nos jours, le machiniste moderne est vivant et bien vivant en tant qu'humain, machine et logiciel se combinent pour faire avancer notre industrie. Des compétences qui prenaient 40 ans à maîtriser peuvent maintenant être conquises en une fraction du temps. De nouvelles machines et logiciels FAO nous ont donné plus de contrôle que jamais pour concevoir et fabriquer de meilleurs produits plus innovants que nos ancêtres, ce qu'ils admettent... à contrecœur.

Qu'est-ce que tout cela signifie pour l'élément humain de la fabrication ? Le rôle du machiniste traditionnel évolue. Aujourd'hui, nous voyons un environnement de machinistes modernes joué avec trois rôles typiques :

• L'Opérateur. Cette personne charge les matières premières dans une machine CNC et fait passer les pièces finies par le processus d'emballage final.
• L'Opérateur de configuration (Setup Operator). Cette personne effectue la configuration initiale pour une machine CNC, y compris le chargement d'un programme G-code et la configuration des outils.
• Le Programmeur. Cette personne prend le dessin pour un modèle CAO et décide comment le faire avec ses machines CNC disponibles. Son travail est de définir les trajectoires d'outils, outils, vitesses et avances dans le G-code pour faire le travail.

Dans un flux de travail typique, le Programmeur remettra son programme à l'Opérateur de configuration, qui chargera alors le G-code dans la machine. Une fois la machine prête à rouler, l'Opérateur fera alors la pièce. Dans certains ateliers, ces rôles peuvent se combiner et se chevaucher dans les responsabilités d'une ou deux personnes.

En dehors des opérations de machines quotidiennes, il y a aussi l'Ingénieur de fabrication en personnel. Dans une nouvelle configuration d'atelier, cet individu établit généralement les systèmes et détermine un processus de fabrication idéal. Pour les configurations existantes, un Ingénieur de fabrication surveillera l'équipement et la qualité du produit tout en gérant d'autres tâches managériales.

L'impact de la FAO

Nous avons John T. Parsons à remercier pour avoir introduit une méthode de carte perforée pour programmer et automatiser la machinerie. En 1949, l'US Air Force a financé Parsons pour construire une machine automatisée qui pourrait surpasser les machines NC manuelles. Avec l'aide du MIT, Parsons a pu développer le premier prototype NC.

De là, le monde de l'usinage CNC a commencé à décoller. Dans les années 1950, l'US Army a acheté des machines NC et les a prêtées aux fabricants. L'idée était d'inciter les entreprises à adopter la nouvelle technologie dans leur processus de fabrication. Pendant ce temps, nous avons aussi vu le MIT développer le premier langage de programmation universel pour les machines CNC : le G-code.

Les années 1990 ont apporté l'introduction de la CAO et de la FAO sur PC et ont complètement révolutionné la façon dont nous abordons la fabrication aujourd'hui. Les premiers emplois CAO et FAO étaient réservés aux applications automobiles et aérospatiales coûteuses, mais aujourd'hui des logiciels comme Fusion 360 sont disponibles pour les ateliers de fabrication de toutes formes et tailles.

Depuis sa création, la FAO a apporté une tonne d'améliorations au processus de fabrication, notamment :

• Capacités de machine améliorées. Les systèmes FAO peuvent tirer parti de machines 5 axes avancées pour livrer des pièces plus sophistiquées et de meilleure qualité.
• Efficacité de machine améliorée. Les logiciels FAO d'aujourd'hui fournissent des trajectoires d'outils à haute vitesse qui nous aident à fabriquer des pièces plus vite que jamais.
• Utilisation de matière améliorée. Avec la machinerie additive et les systèmes FAO, nous pouvons produire des géométries complexes avec un gaspillage minimal, ce qui signifie des coûts plus bas.

Bien sûr, ces avantages ont des compromis. Les systèmes de Fabrication Assistée par Ordinateur et la machinerie nécessitent un coût initial massif. Par exemple, une Haas VF-1 coûte environ 45 000 $ sortie d'usine ; imaginez maintenant un atelier entier de celles-là. Il y a aussi le problème du turnover. Avec l'opération de machine devenant moins un métier qualifié, il est difficile d'attirer et de retenir de bons talents.

La FAO, c'est l'humain

La FAO n'est pas juste à propos de contrôler des machines sur un plancher d'atelier. C'est à propos de rassembler logiciels, machines, processus et gens pour construire des pièces vraiment excellentes. Si c'est votre première fois en plongée dans le monde de la FAO, je vous encourage vivement à contacter un atelier local pour obtenir une visite intérieure. Sentez le bourdonnement des machines CNC dans vos pieds, ou glissez votre main sur une pièce fraîchement sortie de la machine. C'est une expérience incroyable que j'espère que les générations futures pourront apprécier. La FAO, c'est tout à propos de la touche humaine.

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