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Triumph Aerostructures - Solutions logicielles de Vought Aircraft Division

Pousser les logiciels de simulation à s’attaquer aux problèmes d’une nouvelle façon, innovante, dans l’usine de production de la société à Nashville.

Grâce à des logiciels de simulation CNC de pointe, Triumph Aerostructures - Vought Aircraft Division (« Triumph Aerostructures ») a pu migrer rapidement vers de nouvelles machines, réduire considérablement le délai de mise en production et pratiquement supprimer le risque de collision entre les machines. Triumph Aerostructures, filiale de Triumph Group, Inc., est l’un des principaux fabricants mondiaux d’aérostructures pour avions à réaction commerciaux, militaires et d’affaires. La société dispose d’une grande capacité de fabrication et les produits proposés incluent les fuselages, les ailes, les empennages, les fuseaux-moteurs et les cabines d’hélicoptère. La clientèle de la société se compose des plus grands équipementiers aéronautiques mondiaux. Triumph Aerostructures emploie quelque 6 000 personnes sur six sites aux États-Unis.

L’opérateur CN Keith Butler contrôle les coupes de raccordement sur un grand panneau de revêtement de voilure en cours d’usinage par une fraiseuse Handtmann UBZ.

L’un des sites, à Nashville dans le Tennessee, produit des pièces et sous-ensembles pour Airbus, Gulfstream, Cessna et Lockheed. Avec environ 900 employés répartis sur plus de 90 000 m², le site Nashville dispose de 10 grandes fraiseuses CNC à portique, neuf grandes riveteuses d’assemblage et différents équipements CNC plus petits. Plus de 35 broches CNC sont en service dans la zone d’usinage.

« Le site de Nashville se concentre sur les pièces longues et grandes. L’essentiel des pièces que nous produisons fait plus de 9 m, » déclare le responsable de la commande numérique (CN), Kevin Chandler. « Autrefois, nous faisions des milliers de petites pièces, de celles qui tiennent dans la main. Mais tout cela est fini. Nous n’avons plus beaucoup de programmateurs non plus. À une époque, Nashville employait 32 programmateurs, ils ne sont aujourd’hui plus que quatre. Nous n’avons plus le luxe de pouvoir faire de nombreux essais. C’est pourquoi VERICUT nous a sauvé la vie, tout en préservant des emplois. »

Contrôle des pièces
Malgré plusieurs changements de propriétaire, le site a une longue expérience dans l’utilisation des logiciels de simulation CN. Tout a commencé avec un logiciel VERICUT pour simuler l’enlèvement de matière en 1991, sous l’enseigne Textron Aerostructures. En 1996, le site a été racheté par The Carlyle Group et il a intégré Vought Aircraft Industries en 2003. Vought Aircraft Industries, Inc. a été racheté par Triumph Group, Inc. en juin 2010 et renommé en Triumph Aerostructures - Vought Aircraft Division.

VERICUT est un logiciel de simulation interactive qui affiche le processus d’enlèvement de matière d’un programme CN. Les programmateurs CN utilisent VERICUT pour vérifier la qualité et la précision de leurs programmes CN et sa simulation 3D de la machine CNC recherche les éventuelles collisions. Mais l’objectif de la simulation n’est pas seulement d’obtenir un programme CN efficace et sans collision. Le but premier est un programme CN qui produise la bonne pièce. Le modèle précis de VERICUT indique au programmateur CN si son programme CN produit une pièce correcte ou non. Par exemple, de nombreux programmes CN utilisent l’interpolation circulaire. VERICUT émule le mouvement circulaire et crée un cylindre brut d’usinage qui peut être mesuré pour s’assurer de son exactitude. La plupart des simulations internes n’émule pas le mouvement circulaire, mais le décompose en une série de mouvement linéaires approchant du cylindre. Ces segments ne sont pas mesurables comme cylindre.

Grâce aux modèles solides CATIA, à VERICUT et à AUTO-DIFF, nous avons obtenu des programmes de pièces utilisables d’emblée à 96 %, et 90 % du reste n’a requis aucune modification au-delà du premier problème.

Simulation de machine CNC

La simulation CNC complète de la machine réelle ouvre la voie à un niveau supérieur de vérification. « La simulation de machine a été la clé de tout notre travail ici, » affirme le programmateur CN Bill Gwinn. « Nos machines sont devenues beaucoup plus compliquées et le risque de collision entre les étaux, les boulons, les changeurs d’outils et les autres composants est plus important que jamais. La simulation, c’est beaucoup plus qu’une simple découpe de pièce. »

Chandler et Gwinn font partie des utilisateurs du logiciel VERICUT les plus expérimentés au monde. À eux deux, ils combinent 35 ans d’expérience de VERICUT. « L’expérience nous a montré que plus nous simulons à l’écran, moins nous rencontrons de problèmes ensuite. Nous sommes tous les deux d’accord sur les avantages de la simulation de machine, » déclare Gwinn.

La simulation de machine détecte les collisions et les quasi-collisions entre tous les composants de la machine-outil tels que les glissières d’axe, les têtes, les tourelles, les tables rotatives, les broches, les changeurs d’outils, les fixations, les pièces ouvrées, les outils de coupe et les autres objets choisis par l’utilisateur. Un utilisateur peut configurer des zones de quasi-collision autour des composants pour détecter les quasi-accidents et les erreurs de dépassement de la fin de course. VERICUT est conçu pour assurer des fonctions de commande avancées telles que l’anticipation ou la compensation 3D de l’outil de coupe, la programmation des pointes d’outils et la compensation de longueur des outils, la programmation en jauges outils, les cycles préprogrammés et les décalages des fixations, les points de pivotement d’axe rotatif, les variables, les sous-programmes, les macros, les sous-routines, le bouclage et la logique de ramification.

La fraiseuse à 5 axes Handtmann PBZ usine des lisses de plus de 18 m de long. Les composants de cette machine s’approchent beaucoup ; parfois, il n’y a qu’un millimètre d’écart entre la tige et la plaque de protection.

Avant l’implémentation de VERICUT, le site de Nashville utilisait Catia V4 et la programmation en APT, dont le processus de vérification basé sur une table traçante plate était lent. Les premières pièces étaient ensuite usinées dans de la mousse ou une autre matière de substitution.

Chandler explique : « Avec l’introduction de CATIA et de VERICUT, notre taux de pièces utilisables au premier jet a démarré à 90 %. Suite à l’introduction de la simulation de machine, ces chiffres se sont considérablement améliorés. J’en veux pour exemple ce qui s’est produit en 1995, quand nous avons acheté un poste d’usinage à 4 axes pour les petites pièces. Grâce aux modèles solides CATIA, à VERICUT et à Auto-Diff, nous avons obtenu des programmes de pièces utilisables d’emblée à 96 %, et 90 % du reste n’a requis aucune modification au-delà du premier problème. Depuis, tous les programmes doivent passer par la simulation de machine VERICUT avant d’être appliqués sur la machine. Résultat, nous obtenons plus de 98 % de pièces correctes au premier jet. Depuis ce premier test, il a été très facile de convaincre la direction que VERICUT était un outil dans lequel il fallait absolument investir. Il réduit les heures d’usinage à une toute petite fraction de ce qu’elles étaient auparavant. »

VERICUT sert à détecter les collisions potentielles entre les composants de la fraiseuse Handtmann PBZ.

Gwinn ajoute : « Lorsqu’un programme est prêt, nous n’allons même plus à l’atelier. Une fois qu’il est passé par VERICUT, il ne peut rien arriver de bien grave. Nous savons que la coupe sera correcte. »

Par exemple, une nouvelle fraiseuse haute vitesse à 5 axes Handtmann PBZ est utilisée pour usiner des lisses de plus de 18 m de long. Pour maintenir les lisses en place pendant l’usinage, le groupe Triumph Aerostructures Numerical Control (NC) a conçu des fixations en queue d’aronde appelées « plaques de protection ».

« Nous les appelons plaques de protection car cela n’a pas d’importance si l’outil de coupe les touche. C’est important de savoir s’il les touche, mais uniquement à partir d’un certain stade. Nous indiquons une valeur de -0,022 pouce dans les tableaux de collision de Vericut, entre l’outil de coupe et les plaques de protection. Tous les composants de cette machine s’approchent beaucoup ; parfois, il n’y a qu’un millimètre d’écart entre la tige et la plaque de protection, » explique Gwinn. « Ils ne peuvent pas entrer en collision, ils ont donc une valeur de collision de zéro. »

Optimisation de programme CN
Le groupe Triumph Aerostructures NC a dû récemment faire face à un double défi : il devait rapidement mettre à jour les programmes hérités pour la nouvelle fraiseuse Handtmann UBZ tout en poursuivant la mise à niveau de CATIA V4 vers V5. En utilisant VERICUT et sa fonction d’optimisation de programme CN, OptiPath, le groupe NC a pu créer des programmes CN pour la nouvelle machine sans devoir les reprogrammer dans CATIA V5. D’abord, il a retraité les programmes CATIA V4 en fonction de l’emplacement des pièces et des modifications de l’outil de coupe, puis a republié les fichiers source APT en résultant pour la nouvelle machine. Ensuite, il les a simulés dans VERICUT pour vérifier qu’ils n’entraîneraient pas de collision. Enfin, il s’est servi d’OptiPath pour mettre à jour les avances et les vitesses pour la machine cible.

« Plutôt que de réinventer la roue, nous avons réutilisé nos vieux programmes et les avons passés dans OptiPath pour en tirer le maximum, » affirme Chandler. « Outre les temps d’usinage réduits, nous avons gagné plusieurs centaines d’heures sur la reprogrammation des pièces dans le nouveau système de FAO. »

Tous les programmes CN passent par la simulation de machine VERICUT avant d’être appliqués sur la machine.

Le logiciel d’optimisation OptiPath repose sur l’analyse du programme CN (codes G ou résultat de FAO natif) et du contact de l’outil de coupe avec la pièce ouvragée en constante évolution. Il décompose ensuite le mouvement en segments plus petits pour déterminer quelles conditions pourraient bénéficier d’une vitesse d’avance plus élevée et à quel moment la vitesse d’avance doit être diminuée pour protéger l’outil de coupe. Le logiciel sachant exactement combien de matière est supprimée sur chaque segment, il est capable de déterminer la vitesse d’Le logiciel d’optimisation OptiPath repose sur l’analyse du programme CN (codes G ou résultat de FAO natif) et du contact de l’outil de coupe avec la pièce ouvragée en constante évolution. Il décompose ensuite le mouvement en segments plus petits pour déterminer quelles conditions pourraient bénéficier d’une vitesse d’avance plus élevée et à quel moment la vitesse d’avance doit être diminuée pour protéger l’outil de coupe. Le logiciel sachant exactement combien de matière est supprimée sur chaque segment, il est capable de déterminer la vitesse d’avance idéale. La trajectoire de l’outil n’est jamais altérée.

Une vitesse d’avance optimisée permet de maintenir une charge de copeaux plus constante, ce qui limite l’usure des outils de coupe. Celle-ci est également réduite par la durée plus courte de coupe de chaque pièce. Les programmes CN à vitesse d’avance optimisée maintiennent une pression de coupe plus constante entre la machine-outil CN et la pièce ouvragée. La machine est sujette à moins d’usure, non seulement grâce au temps d’usinage réduit, mais aussi grâce à la charge plus constante. Une trajectoire d’outil optimisée offre également une meilleure finition car la pression de coupe constante ne provoque que peu ou pas de variation de déviation de l’outil de coupe. La finition des pièces dans les coins, sur les bords et sur les raccords est significativement améliorée.

Le groupe Triumph Aerostructures NC a trouvé un autre grand avantage dans la fonction Auto-Diff de VERICUT, qui permet au programmateur de comparer un modèle de CAO à un modèle de simulation VERICUT et de détecter automatiquement les différences. D’après Gwinn, « Tous les nouveaux programmes, en particulier ceux provenant de CATIA V5, ont des modèles solides. Nous n’en avions pas toujours autrefois avec Catia V4, mais maintenant nous essayons de nous assurer que tous les nouveaux programmes débutent avec des modèles solides, et nous utilisons les mêmes modèles pour la comparaison avec notre trajectoire d’outil CN. Nous avons inventé un dicton entre nous, et il s’avère toujours vrai : "VERICUT ne ment pas !" Nous en sommes venus à croire que ce que nous voyons à l’écran dans VERICUT est ce que nous obtiendrons sur la machine. C’est presque la réalité ! »