Rapport de stage ouvrierFormes & Volumes

Alexandre Atamian

ENSA Paris-Malaquais

L2 / 2013-2014

Objectifs et démarche

Le choix d’une entreprise pour le stage ouvrier ne fut pas chose aisée. Il me semblait important de considérer ce stage dans la continuité des centres d’intérêt développés depuis mon entrée à Malaquais. La conception de projets tirant pleinement partie des outils numériques auxquels nous avons accès m’intéresse et il s’agit d’une voie dans laquelle je souhaite continuer mon en-gagement débuté avec mon P2 et P3. Cependant le passage du monde numérique au monde physique est une question préoc-cupante et un terrain de recherche pour les années à venir. De plus, les problèmes de standardisation de l’architecture nous mène à réfléchir au rôles des industries et à la mise en œuvre de certains outils permettant une production en série d’élé-ments non standards. J’eus l’occasion de me familiariser avec cette approche grâce à l’utilisation d’un robot 6 axes présent à l’école. Cependant, la mise en pratique en milieu industriel me paraissait alors assez floue et principalement réservée à une production de masse d’éléments nécessitant un haut niveau d’automatisation (telle l’industrie automobile ou informatique). Nous restons alors dans une approche d’éléments standard ne faisant pas appel au potentiel de personnalisation massive per-mis par la robotique. J’ai alors vu dans cette entreprise une possibilité de com-prendre les différentes étapes d’un processus industriel ainsi que son application concrète telle la gestion du facteur humain dans un environement fortement automatisé. Il m’a également semblé intéressant de confronter mes compétences acquises dans un cadre scolaire avec les obligations professionnelles.

Présentation de l’entreprise

Formes et Volumes est une entreprise fondé en 1986. Dans un premier temps basée à Paris, sont coeur de métier est le modélisme. Elle est désor-mais située à la Rochelle. Cette nouvelle localisation fût l’occasion pour l’entreprise d’aborder un nouveau terrain d’activité: celui de la fabrication à partir de fi-chiers numériques et, plus précisemment, de l’usi-nage. Ce nouveau secteur fût induit par le milieu du nautisme, Formes et volumes réalisent alors des coques et des maquettes de bâteaux.

Depuis, le spectre des activités de Formes et Volumes s’est élargi. La majeure partie du chiffre d’affaire de l’entreprise est générée par cette nou-velle activité. Le modélisme contribue cependant tou-jours à l’image de l’entreprise. L’entreprise est alors séparée en deux principaux ateliers: - Un atelier modélisme / finitions / assemblage- Un atelier usinage / fabrication

Présentation

Fonctionnement L’atelier d’usinage est le plus petit des deux ateliers. Il regroupe l’ensemble des 5 machines à commandes numériques dont dispose l’entreprise, à savoir:- 2 grandes fraiseuses 3 axes (usinage de mousses à faible densités et polystyrène)- 1 petite fraiseuse numérique 3 axes permettant d’usiner dans des materiaux tendres mais de plus forte densités- 1 fil chaud 2 axes permettant de découper dans des blocs de polystyrène d’environ 2.5m*1.5m*1.5m- 1 robot 6 axes.

L’ensemble de ces machines tournent 24h/24 sans interruption, chaque opération se révélant assez chronophage. L’équipe responsable de cet atelier est composé d’environ 4 personnes. C’est ici que s’est déroulé la majeur partie de mon stage. Cette activité est la plus rentable de l’entreprise: peu de personel est nécessaire, sa principale fonction consiste à op-timiser les fichiers, mettre en place les machines et verifier leur bon fonctionnement. 1 heure d’usinage est facturée environ 75€. Ce tarif peut varier en fonc-tion des matèriaux demandés par le client ou si le temps de traitement des fichiers est superieur à la normale.

atelier d’usinage

Atelier modélisme / finitions / assemblage

L’atelier Modelisme est le plus grand des deux. C’est ici qu’a lieue la production et l’assem-blage des objets «finis». Ici sont assemblés et traités les différentes pièces sortant de l’atelier d’usinage. Les diverses parties des moules sont assemblées, s’ensuit l’application des materiaux composites ther-modurcissables (ex: fibre de verre et résine) qui sont ensuite poncés, polis et assemblés si besoin. C’est aussi que se font également les maquettes à plus pe-tites écheles qui ne nécéssitent pas d’usinage. Formes et Volumes est amené à traiter cer-taines commandes de grande ampleur. Cette année une commande leur à été passé pour la contre-forme

d’une réplique à l’échelle 1 des grottes de Lascaux. L’intégralité de la grotte fût scannée en 3 dimensions, l’équipe de l’atelier d’usinage découpa alors ce fichier en plus de 400 blocs pour les rendres usinables par les machines. Chaque portion de la grotte est alors assemblée dans l’atelier modélisme (cf photo ci-des-sous) puis chargée dans le camion qui la déposera sur le site d’assemblage général où le polystyrène sera assemblé, moulé et peint. Cette commande est très importante pour l’entreprise qui réalise la moitié de son chiffre d’affaire dessus.

Cette extension des secteurs d’activité permet à F&V d’être relativement polyvalent et autonome lors des commandes. Cela permet également la rencontre de différents corps de métier au sein de l’entreprise et pousse à une spécialisation des compétences même si, ici aussi, la polyvalence est de mise. On retrouve

ainsi des maquettistes, carrossier, dessinateurs in-dustriels etc. au sein des équipes dont certains par-ticulièrement reconnus dans leur domaine. F&V cherche à se développer et est à ce titre très attentif aux nouveaux modes de production ainsi qu’à cer-taines approches expérimentales.

Une partie de la grotte

les 3 machines à commandes numériques 3 axes

quel nous usinerons nos pièces) dispose de 5 axes pour ses articulations. Cepen-dant, le logiciel utilisé par l’entreprise pour contrôler le robot, WorkNC, ne permet de créer des parcours d’outils n’utilisant que 3 axes positionnés sur un plan (cette limitation est ar-tificielle, le prix de la licence augmentant en fonction du nombre d’axes). Il est donc nécessaire de prendre en compte l’outil, son approche, ses dimensions, de

Déroulement du stage

Mon stage se déroula principalement au sein de l’atelier d’usinage. J’eu ainsi l’occasion de prendre part aux projets en cours, de comprendre l’entreprise, ainsi que les enjeux d’une production physique à par-tir de fichiers numériques. Durant ce stage, je fût in-tégré à l’équipe et pris part à la majorité des tâches effectuées en son sein. Un type de commande récurant chez Formes et volumes consiste en la fabrication de coques de bateaux à échelle 1. La période de mon stage coincïde avec une commande pour un bâteau de plus de 20m de long. J’ai alors pu observer et prendre part aux différentes étapes de la création du moule en polystyrène sur lequelle sera appliqué le revête-ment définitif. Pour un projet d’une telle envergure, les maquettistes découpèrent le fichier 3D fourni par le client en plusieurs pièces pouvant passer dans les fraiseuses numériques dont sont équipé l’atelier. Une de mes premières tâches consista à nettoyer les blocs de polystyrène sortants de la fraiseuse à l’aide du fil chaud. De petits rebord d’environ 1 cm de large étant présents sur les bords du volume. Cela étant dûe à la longueure de la fraise qui est plus courte que la hauteur du bloc de polystyrène.

Découpe d’un bloc de polystyrène au fil chaud

Partie de la coque du bâteau assemblée

Lors du passage du monde numérique au monde physique, un des principaux (des seuls?) fac-teurs d’échec provient de l’intervention humaine. Le déplacement du fil chaud peut être programmé sur l’ordinateur. Cependant, cette tâche doit être réalisée à la main. Cela requiert alors une grande précision, ces blocs étant ensuite assemblés les uns aux autres à l’aide de «clés», chaque écart produirra un trou dans le moule (de petits écarts ne sont pas gênants, mais l’addition de plusieurs peut se montrer problé-matique). Un élément intéressant fût d’observer la l’organisation logistique permettant l’assemblage d’un nombre important de pièces. Chaque pièce est numéroté en fonction de son emplacement (ex: étage/colonne/ligne ). Un plan est ensuite généré et permet de les identifier et de les placer rapidement.

Dans un second temps, un petit projet me fut confié. Un client désireux de monter un kart fit appel à Formes et Volumes pour en réaliser le moule de la carrosserie. Ce fut pour moi l’occasion de mettre la main sur l’ensemble du processus, depuis le trai-tement de fichier jusqu’à l’assemblage. La coque du kart étant divisée en 3 parties, je me suis occupé des deux pièces latérales (identiques), un autre stagiaire s’est occupé de celle du milieu. L’optimisation d’un fichier consiste à le rendre «usinable» un élément fourni par le client. Le gra-phique ci-contre met en lumière les obstacles les plus souvent rencontrés (pièce trop profonde pour la fraise ou zones inaccessibles). Le robot (sur le-

Model 3D fourni par le client

fichier à optimi-ser et à usiner

Pièces optimisées pour le fraisage numérique

manière à ce que la fraise puisse accéder à l’ensemble de la pièce. Une autre donnée à prendre en compte est la matérialité du moule. Le mousse sera usiné dans des blocs de mousse polyuréthane. Si cette mousse à l’avan-tage d’être tendre et précise à la fois, elle peut rapidement se casser. Il faut alors éviter les zones trop fines ainsi que celles susceptibles d’entrer en collision avec l’outil. La solution retenue fut de découper mes deux pièces en trois parties chacunes qui seront assemblées par la suite à l’aide d’équerres creusées dans la masse par le robot de manière à ce que la jonction soit la plus précise possible. La modélisation effectuée sur le logiciel Rhinoceros v5 se doit d’être propre de manière à éviter tout problèmes lors de l’usinage.

Une fois le fichier obtenu, il nous faut dé-sormais créer les parcours d’outil, la trajectoire par laquelle va passer la fraise et les communiquer au robot. Le logiciel qui nous servira d’interface est WorkNC. Cet outils puissant mais onéreux pour une petite entreprise, permet de créer des «preset», des configurations enregistrées en fonction des ou-tils choisis. Une fois que l’outil à été modélisé dans WorkNC, il pourra être réutilisé pour chaque projet le nécessitant. Il nous reste alors agir sur le plan li-mite, la courbe limite, la forme de l’outil (boule ou

torique), le sens de rotation, la hauteur maximale autorisée par l’outil, le type de parcours (en spirale ou en zigzag) etc. Nous devons également définir les différentes passes, c’est à dire les différents par-cours d’outils correspondant à des degrés de finition divers. Généralement deux passes sont nécessaires, une d’ébauchage et une de finition.

Parcours d’outil de finition fenêtre de réglages du parcours

Avant de passer à l’usinage, nous devons pré-parer les blocs de mousse polyuréthane. Les blocs que nous avions reçus étaient trop petits, nous avons donc dû les découper et les recoller de manière à avoir suffisamment de marge pour l’usinage. (le plus gros bloc doit au moins mesurer 114cm*62cm* 37cm). Après les avoir découpés suivant des me-sures à l’aide d’une tronçonneuse, j’ai assemblé les morceaux à l’aide de mousse expansive. Pour éviter toutes déformations, les morceaux furent solidement sanglés et écrasés par des poids de 40kg jusqu’à ce que la mousse durcisse. Chaque bloc fut nivelé sur une des deux CNC 3 axes, de manière à supprimer les défauts, et obtenir une face parfaitement plane pour l’usinage. Il nous faut maintenant préparer le robot pour l’usinage. Le socle de travail est disposé devant lui, ce dernier possède une multitude de petits trous à travers lesquels passe l’aspiration qui permet de maintenir les blocs à usiner en place. Nous arrivons alors à une partie intéressante du processus. Nous cherchons à faire correspondre le plan de travail pré-sent dans le fichier numérique avec le plan de travail du monde physique. Pour ce faire, nous utilisons un traqueur laser de la marque Leica pour définir des points à partir desquels le plan sera déduit par l’or-dinateur. Ce traqueur est constitué d’une sphère par-faite ôtée d’un huitième de son volume pour laisser apparaître son centre. Le traqueur laser détecte ce centre et projette un laser qui suit les déplacements de ce centre au micron près et en temps réel. Nous déposons alors cette sphère sur les 4 extrémités de notre plan de travail dans l’ordre indiqué par le lo-giciel qui en déduit alors un plan qu’il fera corres-pondre avec celui défini dans WorkNC (3 points sont nécessaires pour définir le plan, le quatrième sert à détecter les imprécisions).Une fois cette étape pas-

sée, il ne nous reste qu’à fixer l’outil à l’extrémité du robot et à lancer le programme. Ici, les outils utilisés sont des «boules». Des fraises à l’extrémité sphérique permettant une meil-leur finition pour ce type de géométrie. Nous utilisons deux boules différentes: une grosse pour l’ébauche et une plus fine pour la finition.

les fraise sont de taille impo-sante et disposent de petites

dents qui enlèvent la matière. Un trou est également présent au

sommet et permet d’aspirer un peu de poussière

fraise pour l’ébauche fraise pour la finition

traqueur laser

le robot et le socle

ébauche finition

Assemblage des 3 morceaux d’une de mes deux pièces

Le fraisage rejette enormément de particules tres dangereuses. Nous sommes alors vêtu d’une combinaison, lunettes et masques. Après avoir enlevé les excédents de matière et terminé quelques détails à la main, les pièces sont assemblées ensemble et prêtes à être livrées. Le mo-dèle physique est très proche du modèle numérique et les pièces s’assemblent sans encombres.

Analyse et conclusion

Ce stage me permit de nouer un premier contact avec le milieu industriel. J’ai pu comparer les connaissances acquises durant ma sco-larité avec la réalité des enjeux d’une productionn industrielle. Un des éléments les plus intéressants fut le rapport assez ambigüe qu’entre-tien Formes et Volumes avec la production de masse. Nous ne sommes pas dans une liberté d’action complète. Si d’un point de vue formel les limites ne se font que peu sentir (la seul limite semble venir du materiel et des logiciels utilisés), les procédés sont rodés et une certaine rou-tine est lancée. J’appel routine un mode de production qui se répète, un bon compromis semble trouvé entre personnalisation massive et ra-tionalisation de la production. L’appel récurent à des materiaux iden-tiques permet de fluidifier le flux de travail. Cependant, l’intervention humaine est encore extrêmement présente. Il ne sort en effet de ces machines que des moules et non des objets. L’idéal tendant vers un tout automatisé semble encore assez loin. L’application de tels procédés à l’architecture réclamerait des chaînes de productions aux capacités gi-gantesques devant changer avec chaque projets. Le choix de materiaux tendres permet un gain de temps considérable. Il semble aujourd’hui peu probable d’arriver à un tel résultat avec d’autres materiaux. Cela dit, les machines se démocratisent et de nouveaux modes de produc-tions verront certainement le jour. Il semble clair qu’à l’avenir ce type de techniques prendra sa place dans l’architecture en montant petit à petit dans les échelles. Ce stage rempli largement les objectifs que je m’était fixé. J’y ai découvert de nouveaux outils, et, pour ce que je conaissait, une ma-nière différente de les utiliser. Un réel échange s’est crée durant ces deux semaines. Cela me permit de confronter ma vision limité au cercle restreint de mes connaissances avec des parcours, des objectif et des milieux différents.

Je souhaite à ce titre remercier l’ensemble de l’équipe de Formes et Volumes pour leur accueuil et leur pédagogie, leur patience et leur in-térêt.