Usinage intelligent pour la maîtrise de la déformation des pièces – IMaDe

Ce projet était constitué de 3 Work Package (WP) :
- WP 1 : Introduction d'une méthode couplant projection et stéréo-corrélation
Ces travaux ont été menés dans le cadre de la thèse de Théo Jovani. La thèse s'est intéressé à la mesure des déformations de pièces pendant l'usinage dans un environnement industriel complexe. Le choix a été fait de s'orienter sur la Corrélation d'Images Numériques en appliquant ou en projetant un mouchetis sur la pièce usinée.

- WP 2 : Montage d'usinage intelligent
Ces travaux ont été menés dans le cadre de la thèse de Mohamed Ali Louhichi. La thèse s'est appuyée sur 3 axes. L'axe 1 porte sur la prédiction de la déformation à l'aide d'un modèle de simulation permettant de prédire des champs de contraintes après les traitements thermiques.
L'axe 2 porte sur la construction d'un méta-modèle permettant, à partir de la mesure de la déformée de la pièce en cours d'usinage, de déterminer le champ de contraintes résiduelles initiales. L’axe 3 porte sur la correction des défauts simulés/mesurés. À partir de l’identification du champ de contraintes résiduelles grâce à la méthodologie présentée dans l’axe 2, une proposition de correction en utilisant le montage dit «intelligent« permettant de mesurer les déformations de la pièce usinée sans la débrider a été réalisée.

- WP3 : Application, conception d'un démonstrateur
Nous avons travaillé sur le système de mesure optique permettant de réaliser de la stéréo-corrélation d'image à partir d'algorithme que nous avons développé et sur la construction du méta-modèle et la conception du montage intelligent. Des travaux ont été conduits pour coupler les deux instrumentations et obtenir des données expérimentales lors de l'usinage de la pièce de validation. Ces données doivent maintenant être couplées avec le méta-modèle proposé dans le WP2.

Les travaux scientifiques conduits dans le cadre de ce projet ont permis de développer :
• Une méthode permettant de calculer la carte des contraintes résiduelles à partir de l’usinage d’un barreau couche par couche et d’une mesure par corrélation d’image 2D.
• Une méthode permettant d’estimer la déformation d’une pièce en forme de plaque à l’aide de la projection d’un mouchetis et d’une stéréo corrélation d’image.
• Un méta-modèle utilisant une base de profils de contraintes résiduelles déduit de simulation de traitement thermique. Ce méta-modèle doit, à terme, être couplé avec des données expérimentales pendant l’usinage pour permettre l’identification de la carte de contraintes résiduelles initiales.
• Un montage d’usinage instrumenté permettant de mesurer les efforts au niveau des brides, autorisant certaines déformations de la pièce et une correction de la déformation via un appui supplémentaire pilotable.
Ce projet a permis de mettre en œuvre des essais couplant la mesure de la déformation 3D de la pièce et le montage d’usinage instrumenté. Nous devons maintenant travailler sur l’interprétation de ces mesures pour identifier la carte initiale des contraintes résiduelles à l’aide du méta-modèle. L’objectif est par la suite d’utiliser ces calculs pour maîtriser la déformation de la pièce après débridage en modifiant la position de l’appui piloté sur les dernières passes d’usinage.

Nous devons maintenant exploiter les données collectées pour identifier les cartes de contraintes résiduelles à l'aide du méta-modèle. Ce travail permettra de conclure sur l'application de notre méthodologie à l'usinage.
Nous pouvons désormais envisager d'utiliser cette méthode pour travailler sur la fabrication additive pour suivre une pièce en cours d'impression pour prédire les contraintes résiduelles produites par le chargement thermique et créer son jumeau numérique.
Ce jumeau permettra de maîtriser son comportement pendant les post-traitements et de prédire ses caractéristiques mécaniques.

Jovani, T. Mesure des déformations de pièces par Corrélation d'Images Numériques pour un usinage intelligent. Matériaux. Université Clermont Auvergne, 2023. Français.

Louhichi, M. A.; Poulachon, G.; Lorong, P.; Outeiro, J.; Monteiro, E.; Cotton, D. Modeling and validation of residual stresses induced by heat treatment of AA 7075-T6 samples toward the prediction of part distortion. Machining Science and Technology. 2023, 27 (3), 247-267.

Jovani, T.; Blaysat, B.; Chanal, H.; Grédiac, M. Applying the Virtual Fields Method to measure during milling the through-thickness residual stress distribution in aluminum-alloy sheet material. Experimental Mechanics. 2023, 63 (2), 221-235.

Jovani, T.; Chanal, H.; Blaysat, B.; Grédiac, M. Direct residual stress identification during machining. Journal of Manufacturing Processes. 2022, 82, 678-688.

Ce projet s'intéresse à l'usinage de pièces de grandes dimensions en aluminium pour les secteurs nucléaire et aéronautique. Pour répondre aux exigences fonctionnelles, les pièces brutes utilisées sont produites à partir de procédés sources de contraintes internes. La réorganisation de ces contraintes après un enlèvement de matière induit une déformation de la pièce pendant l’usinage et après débridage. Il en résulte une non-maitrise de la qualité géométrique (plusieurs millimètres) des pièces produites et la mise en place d’opérations supplémentaires de reprises.
Dans ce projet, nous nous intéressons à la maîtrise de la déformation des pièces pendant l’usinage à partir d’une mesure in-situ du comportement de la pièce et en proposant une adaptation intelligente du bridage et du positionnement de la pièce. Ce projet contribue ainsi à la mise en place d’un usinage dit intelligent et adapté au comportement de la pièce pendant l’usinage et après débridage.
Pour atteindre cet objectif, nous souhaitons conduire des activités de recherche autour de deux verrous scientifiques majeurs :
• Le développement d’une méthode de mesure par imagerie quantitative adaptée à l’usinage de pièces de grandes dimensions en couplant stéréo-corrélation et projection d’images :
Dans ce projet, nous souhaitons mener des activités de recherche pour introduire une nouvelle méthode de mesures pleins champs cohérente avec l’environnement de la machine-outil et les cinématiques de déformation de pièces. Pour mettre en place cette nouvelle méthode, formulée sur une approche CIN, nous la couplerons avec une méthode de projection d’une image à l’aide d’un projecteur sur les surfaces de la pièce. Cette stratégie nous permet de travailler sur des pièces avec des forts enlèvements de matière. Une activité de ce projet portera sur le choix du motif projetté qui devra nous permettre d’estimer directement par CIN la déformation de la pièce et des déplacements de l’ordre de 0,02 mm dans le repère de la machine.
L’enjeu est alors de déterminer un déplacement absolu de la forme générale de la pièce vis-à-vis du système de référence de l’usinage et les positions des surfaces fonctionnelles dans le système de référence de la pièce.
• La réduction des défauts dimensionnels générés par le rééquilibrage des contraintes résiduelles à l’aide d’un montage d’usinage intelligent :
Une étude bibliographique a montré que le balançage de la pièce usinée dans le brut, le nombre et les positions des brides et des points d’appui isostatique, les valeurs des efforts de bridage ainsi que la stratégie d’usinage influent très significativement sur la déformation de la pièce et les défauts géométriques de la pièce finale. Ainsi, nous souhaitons mettre en place une approche consistant à agir en temps réel sur le système de bridage pour contraindre ou déformer la pièce en cours d’usinage. Pour cela, le système de bridage et de positionnement doit être capable de modifier, en fonction des grandeurs mesurées (effort de bridage, efforts de coupe, mesure d’épaisseur) et d’une stratégie préétablie, les efforts appliqués sur la pièce et la position de ses points d’appui.
Le couplage des efforts mesurés avec une mesure de la déformation de la pièce et un méta-modèle réalisé dans le cadre de ce projet doit permettre d’estimer en temps réel la déformation finale de la pièce après débridage. L’objectif final est de faire évoluer ce montage d’usinage intelligent.
Même si ces deux verrous scientifiques portent sur des aspects différents, ils sont, en fait, intimement liés. La méthode de mesure de champs cinématiques et les efforts mesurés au niveau des brides doivent permettre de recaler et d’enrichir un méta-modèle afin de prédire la déformation finale de la pièce usinée et de faire évoluer le bridage et la mise en position de la pièce.
Ces travaux permettront de définir une instrumentation et une stratégie pour maîtriser la qualité de pièces usinées possédant des contraintes résiduelles.