Comment gérer un excès de pression sur la cabine de métrologie?
Dans une entreprise d'usinage, la cabine de métrologie est évidement au cœur de la production. En effet, c'est là que s'effectue l'étalonnage pour la production de composants de précision et le contrôle final. Tant du côté du matériel de la cabine de métrologie que du côté du logiciel, il existe des développements destinés à améliorer l'efficacité du processus de mesure en particulier. Nous les présentons plus en détail dans ce dossier sur la cabine de métrologie.
Importance de la cabine de métrologie
Le nombre d'entreprises métallurgiques disposant de leur propre cabine de métrologie est en augmentation. Cela s'explique par la complexité et la précision croissantes des composants, ainsi que par l'augmentation des pièces nécessitant un contrôle de qualité à 100%. Plusieurs cabinets d'études prévoient que le marché mondial des machines à mesurer tridimensionnelles (MMT) augmentera d'environ 8 à 9% par an jusqu'en 2030. Il en va de même pour l'Europe.
En réalité, seuls deux facteurs ralentissent la croissance: les coûts d'investissement élevés et le manque de professionnels qualifiés ayant des connaissances en métrologie. L'investissement ne concerne pas seulement l'investissement initial dans une MMT, mais aussi les coûts supplémentaires liés aux sondes, aux logiciels associés et, enfin et surtout, à l'espace climatisé.
Ces deux obstacles peuvent être surmontés grâce à l'efficacité accrue des systèmes de mesure. Cela est dû en partie à la numérisation. Tant au niveau de la programmation que de la mesure elle-même, on assiste ces dernières années à des développements visant à raccourcir les délais dans la cabine de métrologie. En effet, un cycle de mesure plus court permet de mesurer plus de produits dans le même laps de temps.
Mesure tactile
La machine à mesurer tridimensionnelle (MMT) est la machine de mesure classique. Les plus connues sont les machines à mesurer à portique, où la tête de mesure est fixée au pont. Il existe également des MMT en version horizontale et des MMT à bras, ainsi qu'un bras de mesure, la solution la plus flexible. Le choix est principalement déterminé par le type de pièce que l'on veut mesurer, ainsi que par la précision que l'on recherche.
Les MMT pour les mesures tactiles sont généralement des machines à mesurer à 3 axes. Depuis quelques années, elles peuvent être transformées en machines de mesure à 5 axes, afin de réduire considérablement le temps de cycle d'une mesure. Cela se fait à l'aide d'une tête de mesure spéciale qui comprend un axe rotatif et pivotant supplémentaire.
Le principal avantage de la mesure à 5 axes est que le temps de cycle est considérablement réduit. En fonction des dimensions et de la complexité, la mesure peut être effectuée jusqu'à trois fois plus vite. En outre, les systèmes de mesure à 5 axes sont plus précis, tant sur le plan absolu qu'en termes de précision de répétition. Les machines de mesure existantes peuvent souvent être adaptées à la nouvelle solution de mesure à 5 axes.
Une MMT est essentiellement utilisée lorsque l'on recherche la plus grande précision. Pour des mesures plus rapides et une plus grande polyvalence, les systèmes de mesure optiques(voir ci-dessous) se prêtent beaucoup mieux.
Palpeurs à déclenchement par contact
Traditionnellement, les MMT sont équipées de palpeurs à contact avec un stylet. Le palpeur à commutation classique est une invention datant de plus d'un demi-siècle; il s'agit d'un système électromécanique.
Un ressort presse le stylet contre des tiges métalliques, les points de contact cinétiques. Lorsque la bille du stylet touche la surface de la pièce, une force contraire est créée. Juste avant que le stylet ne rompe le contact avec un ou deux des trois points, un signal est déclenché qui détermine sa position. Dès que le stylet s'éloigne de la surface de la pièce, il retourne à sa position initiale avec une précision de 1 µm.
La génération actuelle de palpeurs fonctionne toujours selon ce principe et présente un écart de mesure de quelques dixièmes de micron au maximum.
Importance du stylet
La précision d'une MMT dépend en partie du stylet choisi. Un stylet de qualité inférieure ou usé peut coûter jusqu'à 10% de la précision de mesure d'une MMT.
La précision de la forme de la bille (le degré auquel elle est parfaitement sphérique) est exprimée en degrés; plus le degré est faible, plus la bille est parfaitement sphérique. Le problème est que l'on ne peut pas voir les différences à l'œil nu. Il est donc conseillé de choisir un grade 5 plutôt qu'un grade 10, car avec ce dernier, la probabilité d'erreur augmente. La bille est généralement en rubis.
La longueur du stylet est un deuxième facteur qui influe sur la précision. La plupart des palpeurs ne sont pas activés immédiatement après le contact avec la pièce. Cela signifie que plus la longueur du stylet augmente, plus la probabilité d'erreur augmente, car le stylet dévie légèrement. La déviation du stylet est donc un autre facteur à surveiller de près.
La température est le troisième facteur affectant le résultat de la mesure. Les chambres de mesure sont généralement climatisées, mais le matériau du stylet est néanmoins important. Il est préférable d'utiliser des matériaux dont le coefficient de dilatation est le plus faible possible.
Palpeurs de scanning (et leur combinaison)
Outre le palpeur tactile classique, les palpeurs à balayage sont en vogue depuis quelques années. Il s'agit de faire glisser la sphère du stylet sur la surface et de mesurer beaucoup plus de points de mesure en peu de temps. Les palpeurs à balayage fonctionnent avec un scanner linéaire qui peut mesurer jusqu'à 75 000 points par seconde.
Il existe également une combinaison, les palpeurs tactiles-optiques. Le stylet ne sert qu'à positionner la bille du palpeur. Un capteur optique est utilisé pour mesurer la déviation. Cette technique se prête bien à la mesure de trous de forage, entre autres. Pour les petits trous de forage (< 0,5 mm), il existe des palpeurs à fibre optique spéciaux dont les billes ont un diamètre inférieur à 20 µm.
Mesure optique
Nous l'avons déjà évoqué brièvement, mais outre la mesure tactile, il existe aussi la mesure optique, avec un laser ou une autre forme de lumière. Les principaux avantages de la mesure optique sont que la mesure est sans contact et que l'on mesure rapidement de nombreux points de données. La mesure optique permet de recueillir beaucoup plus de données en peu de temps, sans risque d'endommagement. La fixation est également moins importante, puisqu'il n'y a pas de contact.
La mesure optique est parfaitement adaptée au contrôle des tolérances de position et de forme d'un grand nombre de pièces en production. Ou de pièces de forme complexe, avec de nombreux trous profonds. En effet, la vitesse de la mesure optique est beaucoup plus élevée qu'avec les MMT. Le principal inconvénient de la mesure tactile par rapport à la mesure optique est qu'elle prend du temps. Chaque point à mesurer doit être touché par le palpeur. Pour les grandes pièces ou les pièces comportant de nombreux points critiques, cela prend du temps, car le palpeur doit palper chaque point individuellement.
D'un autre côté, la mesure tactile reste plus précise, notamment parce que cette technique de mesure est moins sensible aux facteurs environnementaux perturbateurs, tels que la lumière, la poussière et d'autres contaminants. Les matériaux durs se prêtent également mieux aux mesures tactiles. Pour les matériaux souples, qui se déforment rapidement, la mesure optique est un avantage. Une mesure optique 1D est effectuée avec une précision de 1,6 µm + l/200 µm; pour une mesure 3D, cette précision est de 2,4 µm + l/150 µm. En comparaison, pour une mesure tactile, la précision est d'environ 0,9 µm + l/350 µm.
La mesure optique étant un processus numérique, elle peut être automatisée relativement facilement. La mesure optique est régulièrement combinée à la mesure tactile dans une MMT. Cela augmente l'efficacité de la machine de mesure et permet d'utiliser la meilleure solution pour les pièces complexes, sans devoir serrer la pièce sur plusieurs machines.
Numérisation 3D: lumière blanche ou lumière bleue
L'une des techniques de mesure optique est le balayage 3D. Cette solution est particulièrement intéressante lorsqu'il s'agit de mesurer de grandes surfaces. On distingue deux techniques de balayage 3D: les scanners à lumière blanche et les scanners à lumière bleue. La première technique est souvent utilisée dans les scanners bon marché. En effet, la source de lumière est moins chère que celle de la lumière bleue.
La seconde technique offre une plus grande précision. Un scanner à lumière bleue fonctionne avec une longueur d'onde comprise entre 405 et 450 nanomètres. La plage de longueur d'onde est beaucoup plus étroite, de sorte qu'un scanner à lumière bleue souffre moins d'interférences et de bruit, ce qui permet d'obtenir des données de mesure plus précises. En outre, ce type de scanner est mieux adapté pour mesurer les surfaces réfléchissantes. Enfin, ces scanners 3D sont plus rapides qu'un scanner à lumière blanche, qui couvre l'ensemble du spectre visible.
Les scanners à lumière structurée constituent la troisième variante. Ils éclairent la surface à mesurer avec un motif spécifique, après quoi une caméra enregistre les écarts dans le motif. Sur la base de ces écarts, un logiciel calcule la forme et les dimensions.
La numérisation 3D est beaucoup plus rapide que la mesure tactile. Les scanners à lumière blanche et à lumière bleue conviennent tous deux pour capturer les détails les plus fins. En outre, il est plus facile d'automatiser ces scanners. Certains fabricants proposent des solutions clés en main à cet effet. Dans d'autres situations, il est possible d'automatiser le chargement des pièces à l'aide d'un cobot. Si un grand nombre de produits doivent être mesurés, cette solution permet d'améliorer l'efficacité.
Développements logiciels
De nombreux développements dans le domaine de la mesure se produisent actuellement du côté des logiciels. D'une part, il s'agit de logiciels permettant de comparer automatiquement les résultats des mesures avec, par exemple, un modèle CAO, ce qui est surtout le cas pour les mesures optiques. Dans ce cas, il est possible d'automatiser cette étape car la numérisation 3D crée une image complète de la pièce à usiner. D'autre part, des logiciels sont développés pour la programmation des machines à mesurer classiques.
Logiciel indépendant de la marque
Une caractéristique frappante de ces derniers est qu'un certain nombre de nouveaux acteurs développent des logiciels qui ne dépendent pas du matériel. Ceux-ci fonctionnent avec des MMT de différentes marques, à condition qu'elles soient dotées de l'interface adéquate. Comme pour la programmation FAO d'une machine CNC, l'avantage est que l'on ne dépend plus du fournisseur de matériel.
Les entreprises qui ont déjà constitué une vaste bibliothèque de programmes de mesure sont moins enclines à changer de fournisseur, car elles doivent alors recréer les programmes de mesure. Ou bien on travaille avec différents programmes côte à côte. Les logiciels indépendants des marques permettent d'éviter cela.
Ces parties s'efforcent tout particulièrement de rendre la programmation d'une MMT ou d'un système de mesure optique plus facile et plus rapide. Ils le font, par exemple, en proposant le ballooning et l'extraction GD&T, ce qui permet d'éviter de nombreuses étapes de programmation manuelle.
En outre, ils mettent souvent l'accent sur la génération rapide d'un rapport de qualité basé sur de grandes quantités de données. Il devient alors possible de combiner des données de mesure provenant de différentes sources, même si elles proviennent de machines de mesure de marques différentes. Ils répondent également plus rapidement à la numérisation en offrant des liens standard avec, par exemple, un système ERP.
Programmation automatique
Aux Pays-Bas, de plus en plus de grands équipementiers optent pour la définition basée sur le modèle (MBD). Il s'agit d'ajouter toutes les données de production importantes, telles que les tolérances de forme et de position, au modèle 3D en tant que données PMI. Cela permet de programmer les machines et les MMT de manière largement automatique. Les fabricants de MMT sont à l'avant-garde dans ce domaine.
Dans la pratique, cela augmentera la demande de connaissances en matière de mesure au cours de la phase de développement des composants. L'ingénieur concepteur devra savoir quelles sont les tolérances réalisables à un prix acceptable en production, afin de ne pas tolérer excessivement; il devra également savoir comment vérifier. Et surtout, les tolérances devront être traitées minutieusement du côté de l'ingénierie, car l'étape de vérification qui se fait encore actuellement sur le site de fabrication sera supprimée. C'est pourquoi certains experts de la mesure dans les entreprises manufacturières critiquent la percée de la programmation automatique d'une MMT. Et en fin de compte, qui sera tenu pour responsable si les choses tournent mal?
