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Les secrets de la découpe numérique

Ceci est un article publié dans la revue Loisirs Nautiques N°342 (juin 2000)
Merci à la revue et à l'auteur Jean-Yves Poirier de m'avoir donné l'autorisation de le reproduire ici. Cette revue est une lecture indispensable si vous envisagez la construction d'un bateau. Ils publient aussi des numéros hors-série très fouillés sur tous les aspects de la construction amateur ou professionnelle.

Les secrets de la découpe numérique

Des avantages indiscutables

La FAO en direct, étude de cas

Le montage en dix phases

Les architectes n'ont pas tous achevé leur passage à l'informatique qu'un nouveau débouché s'offre à eux : la fabrication assistée par ordinateur. Après vous avoir montré quelques principes et applications de la CAO (Conception Assistée par Ordinateur) à l'étude des bateaux, à la fois pour le dessin des carènes (voir LN 327) et le rendu photo-réaliste d'un projet (voir LN 339), voici donc la phase suivante consacrée très logiquement à la FAO. C'est dans ce domaine que l'informatique risque de provoquer les mutations technologiques les plus importantes car peu de chantiers y sont aujourd'hui préparés. Dans le même temps, la puissance et la souplesse de ces nouveaux procédés ouvrent des perspectives parfois spectaculaires et largement insoupçonnées à la plupart des ateliers.

Texte et photos - JEAN-YVES POIRIER et PIERRE-MARIE BOURGUINAT

 

Les secrets de la découpe numérique

Jusqu'à présent, le seul moyen de construire une carène en trois dimensions consistait à tracer son plan de formes en grandeur nature sur un plancher à partir des plans de l'architecte à petite échelle (en général 1/10'). Il fallait ensuite reporter une partie de ce tracé sur une série de gabarits érigés sur un chantier et contrôler le tout à l'aide du tracé grandeur. Inutile de préciser que cette cascade d'opérations de reports, d'interprétations, de relissage et de transferts induisait de nombreuses erreurs cumulatives dans la géométrie du modèle (souvent supérieures à plusieurs millimètres). Afin de réduire les tolérances à un niveau acceptable pour la construction navale, l'opérateur doit être à la fois expérimenté et particulièrement soigneux car la qualité finale du bateau dépend très étroitement du soin apporté à ces opérations fondamentales. La découpe assistée par ordinateur vise à raccourcir cette phase initiale puisqu'elle permet, sans intervention manuelle, de fournir au constructeur tous les gabarits et bordés en 2D et certains modèles en 3D (jusqu'à une carène complète). Appelée CNC (pour Computerized Numerical Cutting - découpe numérique informatisée), cette technique vise à contrôler par ordinateur le mouvement d'un outil dans l'espace. Grâce à des moteurs pas à pas ultra précis et au calcul en temps réel de coordonnées spatiales rigoureuses, l'opérateur peut, sans aucun tracé manuel préalable, parfaitement et rapidement placer l'outil au dixième de mm près sur la pièce à découper ou à usiner. Le contrôle des mouvements peut se faire dans les trois axes, X, Y et Z sur lesquels on peut rajouter deux rotations supplémentaires A et B pour obtenir des déplacements libres sur cinq axes. Voir croquis 1

Cette première technique, la plus simple et la moins coûteuse, s'apparente à celle d'une table traçante de bureau, mais à échelle industrielle, où l'on remplace la feuille de calque ou de papier par un panneau de particules, contreplaqué, métal ou composite. Le stylo, placé sur un bras mobile, se substitue à une tête de coupe qui peut être une fraise diamantée, un puissant faisceau laser, une buse à jet d'eau hyperbare ou une torche à plasma. Selon les machines, la pièce à découper est fixe et l'outil mobile, ou l'inverse, mais la solution la plus courante consiste à déplacer les deux, ce qui augmente la surface de travail sans modifier celle de la machine. Le mou-vement vertical de l'outil, indispensable pour se dégager de la matière, peut dans certains cas être mis à profit pour usiner des pièces en trois dimensions, mais faute d'un axe de rotation supplémentaire, il n'est pas possible d'usiner des angles rentrants. Autre inconvénient, l'angle de coupe varie le long de la surface, ce qui complique le calcul du trajet de l'outil pour respecter le volume exact du modèle et laisse des traces sur la matière qu'il faut ensuite reprendre manuellement. Voir croquis 2
Cette sorte de 2D1/2 s'adapte néanmoins très bien à la réalisation de pièces de faible épaisseur (gouvernails, foils, ailerons, voiles et bulbes de quille, etc.) d'autant que ce système reste abordable aux petites structures, chantiers artisanaux et amateurs, qui peuvent ainsi faire découper tous leurs gabarits, bâtis de chantier, moules d'appendices ou shapes en mousse.

 

ET LA 3D, C'EST POUR DEMAIN?

Le rajout des deux axes supplémentaires A et B aux précédents permet de maintenir l'outil parallèlement à toutes les normales de la surface (axe perpendiculaire à un point donné de la surface). L'outil coupant toujours sous le même angle, l'état de surface est bien meilleur, voire parfait, et l'on peut ainsi usiner des angles rentrants. Voir croquis 3

L'usinage direct de formes complexes est donc tout à fait envisageable au prix d'un investissement matériel très important - les machines 5 axes sont beaucoup plus coûteuses que les 3 axes - et d'une complexité de programmation nettement plus élevée.

Certaines sociétés, essentiellement américaines, ont même conçu des fraiseuses 3D à grande échelle avec une enveloppe de travail (limites géométriques du trajet de l'outil) de 24 x 6 x 3 m, certes spectaculaire, mais dont la rentabilité commerciale reste à prouver : les investissements, se comptant en millions de dollars, freinent quelque peu la diffusion de ce genre d'engin et plombent sérieusement le coût final de l'usinage!

Dans l'état actuel de la technologie, on peut sans beaucoup de risques prédire un bel avenir aux méthodes mixtes "découpe 2D de gabarits - inserts de pièces 3D", car elles représentent une approche rationnelle et économiquement viable de la CNC dans le nautisme.

Peut-on usiner tous les matériaux ?

A peu près tous les matériaux sont usinables mais ils doivent répondre aux critères suivants : peu coûteux, dimensionnellement stables, faciles à couper avec un état de surface satisfaisant après usinage. En 2D, on utilise principalement le bois et ses dérivés (panneaux de particules, médium, CP et massif). En 3D, on utilise plutôt des mousses polyuréthanes de différentes densités, certaines matières plastiques ou résines de coulée, du médium pour des pièces de faible épaisseur, voire du polystyrène pour des pièces d'études (ce matériau est peu stable après découpe).

La 3D abordable...

  

Une alternative au fraisage 3D consiste à fabriquer une pièce mère en découpant des couples numériquement, en les montant sur un chantier puis en remplissant les volumes intermédiaires avec des blocs de mousse polystyrène ou polyuréthane. En se servant des couples comme référence, le shape manuel est très facile et rapide. Il suffit ensuite de stratifier la pièce avec des tissus légers, à l'enduire et à la peindre pour obtenir une pièce mère de qualité. cette technique bien connue des modélistes allie les avantages du numérique (précision, rapidité, absence de tracé) avec la facilité de travail des composites. Une machine 3 axes de base peut aussi servir à la fabrication d'un volume complexe en le divisant en lignes d'eau avec un intervalle égal à l'épaisseur du matériau utilisé. En découpant en 2D chaque tranche conformément au périmètre de chaque ligne d'eau on peut, en les superposant, reconstituer un volume complet semblable à une pyramide à degrés. Il suffit ensuite de casser les angles de chaque tranche, les lignes d'eau servant de référence. Ce système ancestral permet de réaliser rapidement des demi-coques ou des maquettes complètes (pour les bassins de carène en particulier) car il ne demande aucune réinterprétation du plan de formes. Un détail cependant : comme pour toutes les pièces assemblées et collées, il faut veiller à employer une colle dont la densité est aussi proche que possible du matériau utilisé, faute de quoi des points durs apparaîtront le long des joints qui se traduiront par autant de bosses.


DES AVANTAGES INDISCUTABLES, au prix de certaines précautions

Les trois raisons principales qui poussent à l'adoption généralisée des techniques de CNC sont la précision, le gain de temps, et la réduction des coûts qui en découle. Une partie de ces "gains chantier" résulte d'un transfert de la charge de travail sur l'architecte qui doit, en plus, veiller à contourner tous les pièges de transferts de fichiers.

Les premières utilisations de la FAO en construction navale sont nées des besoins de la course. Dans ce domaine, la précision de forme et la définition générale de la pièce sont des avantages déterminants. Certaines fabrications ne devenaient réalisables dans des conditions cohérentes que de cette façon. C'est en particulier le cas des appendices. Les foils du dernier trimaran Banque Populaire, signé Marc Lombard, ont par exemple des tolérances de construction très faibles : lesprofils étudiés puis choisis ne se différencient souvent les uns des autres que de quelques dixièmes de mm, mais ils conservent pourtant des caractéristiques hydrodynamiques très différentes. Pour que les intentions du bureau d'études puissent trouver une expression conforme dans la réalité, le degré de précision doit être maintenu tout au long de la fabrication. Si l'ensemble du bateau est conçu à l'aide de l'outil informatique, tous les composants qui vont venir s'y ajouter s'adapteront parfaitement les uns aux autres sans exiger la moindre correction de tracé.

GAIN DE TEMPS ET PRÉCISION, LA BONNE ÉQUATION DE LA FAO

Lorsqu'on connaît parfaitement la géométrie définitive de chaque pièce, on peut réaliser tout l'outillage en une seule fois, sans attendre qu'une partie soit finie avant de pouvoir continuer sur une autre... Ce gain de temps a aussi des répercussions commerciales lorsqu'il s'agit de proposer un produit fini au plus tôt sur un marché concurrentiel. La suppression des phases de tracé et de découpe manuelle, opérations exigeant beaucoup de soin et de méticulosité — qualités incompatibles avec l'urgence —, fait gagner un temps précieux que l'on peut alors consacrer à d'autres étapes de la construction, la finition en particulier.Les techniques numériques peuvent sensiblement diminuer les coûts de l'outillage (jusqu'à 50, voire plus), mais il ne faut cependant pas perdre de vue le rapport coût d'usinage en sous-traitance/coût de main d'œuvre en chantier. Ces techniques engendrent d'autre part un certain nombre de difficultés qu'il convient de bien connaître sous peine de coûteuses déconvenues



DÉFAUTS DE JEUNESSE
Les premières difficultés se situent en amont, du côté de l'architecte qui voit d'ailleurs son rôle évoluer en même temps que ses outils. Traditionnellement, sa mission se bornait à préparer la phase d'exécution à la charge du chantier. Lorsqu'il fournit un fichier de CAO servant à découper numériquement tous les gabarits sans aucune intervention manuelle, il pose le pied dans la fabrication dont il n'a en principe pas la charge. En cas d'erreur, sa responsabilité est alors engagée... La suppression du tracé manuel et de l'interprétation d'un tableau de cotes, réduit à quelques valeurs seulement, a augmenté le travail de l'architecte qui doit maintenant fournir la totalité des données à l'aide de logiciels, certes puissants, mais qui exigent une grande compétence de la part de l'opérateur, avec un temps d'apprentissage très important que tous ne peuvent s'offrir. D'autres complications apparaissent ensuite sur la machine numérique elle-même. Une fois définies, les coordonnées du modèle virtuel doivent être échangées puis transformées par un logiciel de pilotage en ordres compréhensibles par la machine afin qu'elle puisse déplacer l'outil au bon endroit sur la matière. Ces échanges et traitements se font sur la base de fichiers plus ou moins standard dont l'interprétation varie d'un logiciel à l'autre. En 3D, la définition du modèle mathématique doit être très fine, sans trou ni superposition, faute de quoi le parcours de l'outil sur la pièce finale pourra être erratique ou erroné. La principale difficulté consiste à gérer proprement les raccords de surface qui doivent être parfaits, et à contrôler les capacités du logiciel de modelage à générer ces raccords — très peu sont capables de créer correctement un congé à rayon variable le long de deux surfaces complexes, comme un fond de coque ou un voile de quille par exemple. L'opérateur doit en outre connaître suffisamment son programme pour repérer d'éventuelles erreurs le plus souvent indétectables à l'écran. La même remarque s'applique au travail du programmeur de la machine qui doit définir les trajets d'outils à partir des coordonnées géométriques du modèle (postprocessing d'ordres ISO ou G-code). L'exercice, à l'évidence complexe, n'a rien d'anodin, surtout avec un dispositif 5 axes, si l'on souhaite obtenir des résultats exploitables, et peut être aussi long que l'usinage lui-même, d'autant qu'il faut aussi calepiner les différentes pièces (répartition optimale des morceaux sur des formats de panneaux standard afin de minimiser les chutes). Les dernières difficultés proviennent de la matière utilisée (mousse ou médium) qui se déforme souvent après usinage par manque de stabilité propre. Heureusement, il y a toujours une face plane de référence qu'il n'est pas difficile de redresser au chantier pour retrouver toute la précision initiale. Il existe des mousses ou des résines syntactiques beaucoup plus stables, mais leur coût extrêmement élevé limite sérieusement les applications 3D actuelles d'autant que les pertes de matière sont souvent très importantes. Pour toutes ces raisons, l'usinage 3D appliqué au nautisme porte plutôt sur des petites pièces qui subissent moins de déformations, réduisent les déchets, et dont l'usinage est moins coûteux. On voit donc, en conclusion, que les problèmes rencontrés sont encore nombreux, mais vu la relative jeunesse de la filière et la qualité actuelle des résultats obtenus, on peut parier à coup sûr que la plupart d'entre eux seront résolus très prochainement. Les progrès réalisés dans ce domaine sont à la hauteur de ceux constatés dans l'informatique en général...

Une fois programmée, la machine n'a aucun état d'âme. Elle passe d'un point à un autre sans tricher. C'est à l'architecte de contrôler, en place, le bon transfert des données de son système informatique à celui de la machine à découpe.

Quelques conseils

Pour tous ceux qui souhaitent préparer des documents en vue d'une opération de découpe numérique, il convient de respecter les consignes suivantes :

- n'empilez pas les tracés les uns par-dessus les autres mais juxtaposez-les sur l'espace d'une feuille à l'échelle 1 (sa taille est illimitée);

- ne faites pas un fichier par pièce mais regroupez-les dans un fichier unique;

- n'augmentez pas la résolution par défaut des courbes splines;

- respectez les formats standard DXF, AutoCAD DWG et IGS, mais évitez autant que possible le format DXF qui, outre un encombrement important sur disque, ne permet pas d'échanger certaines entités vectorielles et présente, en dépit de son caractère universel, de nombreuses incompatibilités. Les DWG et IGS sont plus complets et un peu plus fiables mais ils demandent parfois des paramétrages fins, pas toujours accessibles au commun des mortels.


En collaboration avec la société Polytech, nous n'avons pas résisté à l'idée d'une petite démonstration à l'usage des constructeurs individuels de l'intérêt d'investir dans la FAO. Visite d'atelier.

La FAO en direct

Pour profiter de la FAO à l'échelle d'une construction individuelle, il existe en gros deux solutions : la première, intermédiaire, consiste à coller directement des tracés numériques 2D (papier calque ou mylar) directement sur le gabarit qu'il suffit ensuite de découper à la main. Les voileries équipées de découpe laser pourront très bien réaliser ce travail. Cette technique, très économique, est à la fois précise, rapide et bien adaptée à la confection de petites pièces en quantité réduite. On peut aussi être tenté de faire réaliser les couples directement. C'est ce que nous avons fait avec la société Polytech de La Rochelle. 21 demi-couples ont été commandés à partir d'un fichier d'architecte pour la réalisation d'un bateau de 22 pieds. L'optimisation du calepinage, réalisé par informatique par Jean-Noël Delevoy, permet de loger tous les couples sur quatre feuilles d'aggloméré hydro avec parements médium (ce qui évite tout éclatement lors du fraisage). Compte tenu des échantillonnages de la coque, l'épaisseur finale du bordé doit être de 17 mm. Nous avons demandé que la découpe soit faite avec une fraise de diamètre 20 mm. Ainsi, les complémentaires de certains couples peuvent directement servir de conformateurs, sans surcroît de travail ni de matière. Enfin, pour le placement des couples sur le bâti, Polytech propose désormais un système très efficace de plancher, à plaquer sur le bâti. Réalisé lui aussi en aggloméré de 19 mm, cette grande plate-forme est dotée de plusieurs mortaises à chaque position longitudinale des couples. Ces derniers sont, eux, équipés de tenons, ce qui élimine tout travail de mesure lors du placement des sections sur le bâti. Des entretoises, ou étrésillons (découpés dans les chutes des panneaux), sont livrés à la largeur exacte de l'espacement des couples.

Les sous-traitants

Compte tenu de l'importance des investissements lourds préalables à la découpe numérique, le recours à la sous-traitance est absolument indispensable. Bien que leur application dans le nautisme semble encore ressortir de l'innovation, les techniques numériques sont pratiquées au quotidien dans l'industrie depuis plus de quinze ans. On trouvera donc des centres d'usinage un peu partout en France (se renseigner auprès des chambres de commerce régionales) avec cependant une densité plus forte dans la région Rhône-Alpes, mais rares encore sont les sociétés spécialisées dans la filière nautique, comme Polytech. Cette jeune entreprise rochelaise, fondée il y a quatre ans par les responsables d'une ébénisterie déjà sous-traitante de gros chantiers, est née de la nécessité de disposer d'un outil aussi adapté que possible à la production. Contrairement à ce qui se faisait à l'époque, Polytech a opté pour la découpe mécanique des matériaux non métalliques à l'aide d'outils diamantés. Bien implantée dans la filière, qui représente la plus grosse partie de ses activités et qu'elle connaît bien, cette société dispose de toute la souplesse et de l'expérience nécessaires pour pouvoir s'adapter aux nombreuses contraintes pratiques posées à un chantier, amateur ou professionnel.

Le montage en dix phases

1 - Mise en place du bâti au sol dont on s'assure de la planéité. Dans notre cas, nous avons utilisé un caisson en aggloméré déjà réalisé pour une autre construction.

2-3 - Vissage du plancher mortaise sur le châssis et mise de niveau. Vu sa longueur, le plancher est débité en trois tranches dont la jonction se fait par emboîtement, comme pour un puzzle. La tenue et l'alignement sont parfaits.
4 - On peut pré équiper les couples d'une partie de leurs entretoises avant de les monter et ainsi repérer les lignes de perçage sur les suivants.
5-6 - Le montage des gabarits sur le châssis est d'une remarquable simplicité. L'emboîtement évite de se poser les questions classiques d'alignement et de perpendicularité.
7- 8 Avec deux entretoises par couple, ces derniers avaient cependant une légère tendance à se voiler. Un grand nombre d'entretoises est donc le bienvenu pour bloquer les couples.

9 Le contrôle de la verticalité se fait à l'équerre de maçon sur toute la largeur du couple grâce au plancher et au niveau à bulle, comme d'habitude .

10 - Le griffage (réalisé en CN sur chaque couple) à la flottaison et à l'axe de symétrie vertical permet enfin un contrôle de l'alignement dans tous les axes.

Main d'œuvre/matière : Combien ça coûte ?

Voici la décomposition des heures de main d'œuvre pour le constructeur, par comparaison à une mise en œuvre traditionnelle par traçage :

  FAO TRADITIONNEL
fabrication du châssis, scellement au sol 4 heures 4 heures
traçage 0 heure 30 heures
découpe 0 heure 20 heures
Montage (supplément dû à la fixation de chaque couple sur le bâti) 8 heures 12 heures
Total 12 heures 66 heures
coût main-d'œuvre (découpe numérique) + 1 850 F HT  
matière avec plancher et entretoises 1 400 F HT 1 400 F HT

* (à facturer ou non selon qu'il s'agit d'une construction amateur ou pro)

Et la 3D?

Le recours à des fraisages 3D peut être séduisant dans le cadre de la réalisation d'appendices, cônes d'étrave... A titre indicatif, un jeu de demi-moules femelles d'un safran de 1,20 à 1,80 mètre de longueur pour un bateau de croisière, réalisés en médium et prêts à être laqués, coûte de 3 000 à 5 000 francs. Une valeur qui est à comparer, même dans le cadre d'une construction à l'unité, avec le temps passé et le résultat qui, en amateur, a peu de chances d'être de même qualité. Il nous paraît d'autre part particulièrement judicieux que les constructeurs d'une même unité se regroupent afin de profiter à la fois de tarifs plus intéressants et de rentabiliser l'investissement : un moule de safran permet d'envisager une fabrication en petite série; son prix de revient diminuera alors proportionnellement au nombre de pièces... De même, de nombreux architectes sont encore bien frileux et pourraient commencer à concevoir leurs plans en fonction de ces techniques au prix, il est vrai, d'une redéfinition de leur responsabilité et des documents fournis - un fichier numérique peut-il être contractuel ?