Intégration de fonctions avancées à l’inter-strate de pièces réalisées par le procédé de Stratoconception : méthodologie et développement des outils associés, Advanced facilities in the parts inter-layer made by Stratoconception process : methodology and development of associated tools

Benoît Delebecque

Description

Sous la direction de Gabriel Ris, Claude Barlier
Thèse soutenue le 19 novembre 2007: Nancy 1
Nos travaux de recherche s’inscrivent dans le contexte du prototypage rapide, plus particulièrement dans celui de la Stratoconception. Ce procédé consiste en la décomposition automatique de l’objet en une série de couches élémentaires appelées strates. Chacune de ces strates est directement fabriquée par micro-fraisage rapide 2,5 axes à partir de matériaux en plaques. Tous ces éléments sont ensuite assemblés afin de reconstituer la pièce finale. Si l’usinage est entièrement automatisé, l’assemblage est une opération qui demande encore une intervention manuelle. Un bilan des méthodes actuelles utilisées pour l'assemblage des strates montre les inconvénients et les limitations de ces techniques. Notre contribution porte sur une nouvelle méthode d’assemblage, l’emboîtement. Elle permet l’intégration d’entités d’assemblage au sein des couches. Pour cela, nous avons développé un système de génération automatique des entités dans le processus. Les outils et méthodes logicielles permettent d’automatiser cette opération, en définissant les entités d’assemblage, leur forme, leur dimensionnement et surtout leur positionnement au sein des couches. Nous présentons diverses approches de localisation de ces entités au travers d’algorithmes de placement par grilles, par forces de répulsion ou par un algorithme génétique de recherche du k-gon maximum inscrit. Le développement d’un algorithme original de localisation automatique des entités par squelettisation a permis d’optimiser le placement des entités par rapport à la géométrie des couches. Une seconde approche est proposée : l’emboîtement complet. La génération de l’emboîture à partir des contours de l’inter-strate induit la problématique des formes imbricables, c’est-à-dire la création de formes mâles et femelles complémentaires et réalisables par l’outil d’usinage. Enfin, nous concluons le mémoire en mettant en évidence les premiers résultats industriels au travers des outils implémentés dans le logiciel du procédé et des pièces réalisées par cette nouvelle méthode.
-Stratoconception
Our research works are related to rapid prototyping, and specially to the Stratoconception process. The process consists in automatically decomposing the object into a series of elementary layers, called strata. Each of these strata is directly manufactured using high-speed 2.5 axis micro-milling of slabs of material. All of these elements are then assembled in order to reconstruct the final part. If machining is automated, assembling is a manual task. An assessment of the current used methods for layers assembly show the disadvantages and the limitations of these techniques. Our contribution relates to a new assembly method: jointing. It allows the integration of assembly features into layers, it improves fixing and reduces the manufacturing time and costs. We developed a process planning system in the process to generate this features. The software tools are abled to automate this operation, by generating assembly features, their form, their dimensioning and especially their location into layers. We present various approaches of localization of these features through placement algorithms based on grids, forces of repulsion or genetic algorithm. The development of an original localization skeleton-based algorithm made it possible to optimize the placement of the features taking into account layers geometry. One second approach is proposed: complete jointing. The joint is generated from inter-layers contours induced the build-in shape problem, i.e. male and female complementary shapes machining by the tool. Lastly, we conclude the manuscript by highlighting the first industrial results through the tools integrated into the process software and the parts manufactured by this new method.
Source: http://www.theses.fr/2007NAN10102/document

Informations

• Publié par: Thesee
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FACULTE DES SCIENCES & TECHNIQUES

U.F.R. S.T.M.I.A. (Sciences et Techniques Mathématiques, Informatique et Automatique)
École Doctorale IAEM Lorraine (Informatique, Automatique, Electronique, Mathématiques Lorraine)
Département de Formation Doctorale Automatique, Traitement du Signal et Génie Informatique




Thèse
présentée pour l’obtention du titre de
Docteur de l’Université Henri Poincaré, Nancy-I
en Automatique, Traitement du Signal et Génie Informatique
par Benoît DELEBECQUE






Intégration de fonctions avancées à l’inter-strate de pièces
réalisées par le procédé de Stratoconception
Méthodologie et développement des outils associés



Soutenance publique le 19 Novembre 2007



Membres du jury :
Président :
Rapporteurs : M. Benoît EYNARD Enseignant-Chercheur HDR, ODIC, Université de Technologie
de Compiègne
M. Yvon VOISIN Professeur, LE2I, Université de Bourgogne
Examinateurs : M. Alain BERNARD Professeur, IRCCyN, Ecole Centrale de Nantes
M. Gabriel RIS Professeur, CRAN, UHP Nancy I (Co-directeur de thèse)
M. Claude BARLIER Professeur, Directeur du GIP-InSIC, Saint-Dié-des-Vosges
(Co-directeur de thèse)

Laboratoire CRAN (Centre de Recherche en Automatique de Nancy) / Equipe NUMCOP2
Faculté des sciences et techniques – 54500 Vandoeuvre-lès-Nancy



Laboratoire CRAN (Centre de Recherche en Automatique de Nancy) / Equipe NUMCOP2
Faculté des sciences et techniques – 54500 Vandoeuvre-lès-Nancy

Intégration de fonctions avancées à l’inter-strate de pièces réalisées par le procédé
de Stratoconception - Méthodologie et développement des outils associés

Résumé
Nos travaux de recherche s’inscrivent dans le contexte du prototypage rapide, plus
particulièrement dans celui du procédé de fabrication par couches solides, la Stratoconception. Ce
procédé consiste en la décomposition automatique de l’objet en une série de couches élémentaires
appelées strates, dans lesquelles des inserts de positionnement sont placés. Chacune de ces strates est
directement mise en panoplie, puis fabriquée par micro-fraisage rapide 2,5 axes ou par découpe 5 axes
à partir de matériaux en plaques. Tous ces éléments sont ensuite assemblés afin de reconstituer la
pièce finale. Si l’usinage est aujourd’hui entièrement automatisé grâce aux logiciels et aux machines
dédiés, l’assemblage est une opération qui demande encore une intervention manuelle de l’utilisateur
du procédé.
Un bilan des méthodes actuelles utilisées pour l'assemblage des strates (collage, brasage,
assemblage mécanique…) montre les inconvénients et les limitations de ces techniques de fixation.
L’étape d’assemblage est essentielle car elle influe sur la qualité géométrique, sur la tenue mécanique
et sur le temps de réalisation de la pièce. Les techniques utilisées aujourd’hui ne garantissent pas
toujours la répétabilité du système et peuvent entraîner une rupture de la chaîne numérique du
procédé.
Notre contribution porte sur une nouvelle méthode d’assemblage, l’emboîtement. Elle permet
l’intégration d’entités d’assemblage au sein des couches, elle améliore la fixation de celles-ci et elle
réduit le temps de montage et surtout les coûts qu’il engendre. Pour cela, nous avons développé un
système de génération automatique des entités dans le processus. Ce système permet de réduire le
travail nécessaire pour réaliser l'assemblage des pièces et rend ainsi l'opération d'assemblage
systématique, en minimisant les interventions manuelles et les incertitudes dues au choix de
l'utilisateur. Les outils et méthodes logicielles permettent d’automatiser cette opération, en définissant
les entités d’assemblage, leur forme, leur dimensionnement et surtout leur positionnement au sein des
couches. Nous présentons diverses approches de localisation de ces entités au travers d’algorithmes de
placement par grilles, par forces de répulsion ou par un algorithme génétique de recherche du k-gon
maximum inscrit. Le développement d’un algorithme original de localisation automatique des entités
par squelettisation a permis d’optimiser le placement des entités par rapport à la géométrie des
couches. Ses résultats sont analysés et comparés à une localisation par grille.
Une seconde approche est proposée : l’emboîtement complet. La génération de l’emboîture à
partir des contours de l’inter-strate induit la problématique des formes imbricables, c’est-à-dire la
création de formes mâles et femelles complémentaires et réalisables par l’outil d’usinage (problème
d’accessibilité de l’outil).
Enfin, nous concluons le mémoire en mettant en évidence les premiers résultats industriels
au travers des outils implémentés dans le logiciel du procédé et des pièces réalisées par cette nouvelle
méthode.
Mots-Clés: Prototypage et Outillage Rapide, Stratoconception, Assemblage, Emboîtement, Entités
d’Assemblage, Inter-Strate

Laboratoire CRAN (Centre de Recherche en Automatique de Nancy) / Equipe NUMCOP2
Faculté des sciences et techniques – 54500 Vandoeuvre-lès-Nancy

Advanced facilities in the parts inter-layer made by Stratoconception process -
Methodology and Development of associated tools

Abstract
Our research works are related to rapid prototyping, and specially to a solid layer
manufacturing process, the Stratoconception.
The process consists in automatically decomposing the object into a series of elementary
layers, called strata, into which positioning inserts are placed. Each of these strata is directly laid out,
and then manufactured using high-speed 2.5 axis micro-milling or 5-axis laser cutting of slabs of
material. All of these elements are then assembled in order to reconstruct the final part. Today, if
machining is automated by dedicated software and machines, assembling is a manual task made by the
process operator.
An assessment of the current used methods for layers assembly (glueing, brazing, mechanical
assembly…) show the disadvantages and the limitations of these fixing techniques. The stage of
assembly is essential because it influences the geometrical quality of the part, the mechanical
resistance and the manufacturing time. The used techniques do not guarantee the system repeatability
and can break the numerical chain of the process.
Our contribution relates to a new assembly method: jointing. It allows the integration of
assembly features into layers, it improves fixing and reduces the manufacturing time and costs. We
developed a process planning system in the process to generate this features. This system makes it
possible to reduce work of parts assembly and thus makes this operation systematic, to minimize the
manual interventions and hazardous user choices. The software tools are abled to automate this
operation, by generating assembly features, their form, their dimensioning and especially their
location into layers. We present various approaches of localization of these features through
placement algorithms based on grids, forces of repulsion or genetic algorithm. The development of an
original localization skeleton-based algorithm made it possible to optimize the placement of the
features taking into account layers geometry. The results are analyzed and compared with a grid-based
localization.
One second approach is proposed: complete jointing. The joint is generated from inter-layers
contours induced the build-in shape problem, i.e. male and female complementary shapes machining
by the tool (accessibility tool problem).
Lastly, we conclude th