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Réseau canadien du CRSNG sur la recherche et l'innovation en technologies d'usinage (2010-2014)

Le défi

Pour que l’industrie canadienne de l’usinage demeure compétitive à l’échelle internationale, elle doit disposer de mécanismes d’élaboration et de déploiement rapides de stratégies d’usinage. Ceci peut être accompli grâce à la simulation et à l’optimisation des phases complètes de conception et de développement des produits par la modélisation dans un environnement numérique. Bien que l’analyse technique des scénarios de conception soit largement employée dans l’industrie sous forme d’outils d’analyse pour la conception assistée par ordinateur et la fabrication assistée par ordinateur (CAO/FAO) ainsi que l’ingénierie assistée par ordinateur (IAO), la modélisation des processus d’usinage se faisait jusqu’à présent à la pièce et de façon isolée par des chercheurs universitaires. L’industrie a besoin de mécanismes intégrés de modélisation et de simulation des opérations d’usinage dans un environnement virtuel afin de concevoir et d’optimiser le cycle complet de fabrication.

De nombreux défis de recherche attendent le nouveau Réseau canadien du CRSNG sur la recherche et l’innovation en technologies d’usinage (CANRIMT). La prévision des erreurs et l’optimisation des conditions de coupe dépendent de la précision avec laquelle les modèles mathématiques peuvent prévoir l’interaction entre le matériau usiné et la machine-outil. La modélisation du comportement des matériaux lors de l’usinage dépend des propriétés du matériau, des conditions de coupe et de la géométrie de l’outil. Les conditions de coupe peuvent modifier la microstructure du matériau, ce qui, à son tour, va modifier sa résistance et ses propriétés thermiques et tribologiques. Les vibrations relatives entre la machine-outil et le matériau usiné peuvent mener à la destruction des deux; par conséquent, la modélisation mathématique doit être aussi précise que possible. Les chercheurs du Réseau CANRIMT concevront des modèles complets et les intégreront à un système d’usinage virtuel en vue de maximiser la productivité de l’industrie canadienne.

Structure du réseau

Le Réseau CANRIMT est composé de vingt chercheurs provenant de six universités canadiennes (la University of British Columbia, la McMaster University, la University of Toronto, l’École Polytechnique de Montréal, la University of Windsor et la University of Calgary), et est appuyé de partenaires de l’industrie (Pratt & Whitney Canada, Automation Tooling Systems Inc., Memex Automation Inc., Origin International Inc., Bombardier Aerospace et ASCO Aerospace Canada Ltd.) et de chercheurs du Centre des technologies de fabrication en aérospatiale du Conseil national de recherches Canada et du Laboratoire de la technologie des matériaux de CANMET (qui se spécialise dans la modélisation des matériaux et l’élaboration de normes). Bon nombre des chercheurs universitaires ont une grande expérience de la recherche, de la formation, de la publication d’articles et du travail en milieu industriel en ce qui trait à l’usinage, aux systèmes CAO/FAO, à la conception de machines de précision, aux systèmes de commande, à la cinématique, à la dynamique, aux vibrations et à la métrologie.

L’interaction entre l’industrie canadienne de l’usinage, ces grands laboratoires nationaux et les membres du Réseau CANRIMT jouera un rôle déterminant dans l’échange d’expertise et de données de recherche complémentaires.

Le directeur scientifique du réseau est le professeur Yusuf Altintas de la University of British Columbia. M. Altintas est actuellement titulaire de la Chaire de recherche industrielle CRSNG-Pratt & Whitney en usinage virtuel à haut rendement, et il compte 24 années d’expérience comme professeur et 4 années d’expérience dans l’industrie. Il a publié plus de 110 articles dans des revues, qui ont été cités plus de 2 500 fois. Le professeur Altintas a également conçu des processus d’usinage de pointe et la technologie de simulation avec commande numérique par ordinateur, utilisée sous licence par plus de 130 entreprises et universités à travers le monde.

Le Réseau CANRIMT recevra 5 millions de dollars en financement du CRSNG et 350 000 $ de l’industrie sur cinq ans. Le bureau administratif du réseau est situé au Département de génie mécanique de la University of British Columbia, et il sera supervisé par le directeur scientifique et la coordinatrice du réseau.

Objectifs de recherche

Le Réseau CANRIMT a été formé afin de faire du Canada le chef de file mondial dans le domaine émergeant des simulations de systèmes d’usinage grâce au développement de la technologie d’usinage virtuel la plus avancée au monde pour les opérations de micro-usinage et de macro-usinage.

Le Réseau CANRIMT mettra au point un ensemble complet d’outils de modélisation et d’analyse pour planifier les opérations d’usinage optimal dans un environnement de technologie d’usinage virtuel. Cela permettra la fabrication économique de produits novateurs sans recourir à de coûteux essais physiques. Le réseau permettra de tester les modèles de simulation sur les machines industrielles et sur une nouvelle méso-fraiseuse à cinq axes en cours d’élaboration pour les industries de fabrication de matériel médical et électronique.

Afin d’atteindre ces objectifs, la recherche menée par le Réseau CANRIMT s’articulera autour de cinq thèmes.

Thème I : Modélisation et analyse du comportement des matériaux
Ce thème constitue la base scientifique de l’étude du comportement des matériaux pendant l’usinage, et il alimente tous les sous-thèmes relatifs à l’usinage. La micromécanique et la macromécanique de la coupe à l’interface outil-copeau, qui sont utilisées pour déterminer la charge de coupe sur le système structurel de la machine-outil, seront étudiées dans ce thème central.

Thème II : Modélisation et analyse des machines-outils
L’objectif de ce thème est la prévision et l’évitement hors ligne, et la compensation des erreurs en ligne. À cette fin, il faut modéliser la cinématique, la dynamique, le contrôle et les erreurs volumétriques des machines-outils.

Thème III : Planification et validation des processus
Sous ce thème, les chercheurs étudieront la géométrie d’engagement outil-pièce pour la simulation fiable de l’usinage, la re-planification du processus d’inspection basé sur l’inspection en ligne, ainsi que la validation hors ligne du processus et de la pièce usinée par rapport aux tolérances spécifiées.

Thème IV : Machines-outils modulaires reconfigurables – Synthèse, analyse et modularité des éléments
On étudiera sous ce thème la modélisation mathématique des modules de machines-outils modernes, leur connectivité et l’intégration de capteurs et d’actionneurs. Les résultats seront validés sur une nouvelle machine reconfigurable de méso-usinage à cinq axes.

Thème V : Intégration de la technologie d’usinage virtuel
Les résultats des modèles de matériaux et d’usinage (thème I), les modèles de machines-outils (thèmes II et IV) et les modèles géométriques des pièces et des outils (thème III) seront intégrés dans une plate-forme de technologie d’usinage virtuel.

Résultats attendus

Le Réseau CANRIMT aidera l’industrie canadienne de l’usinage à devenir un leader mondial en matière de technologie d’usinage virtuel dans les secteurs de l’aérospatiale, de l’automobile, de la machinerie et des pièces pour moules et matrices. La technologie d’usinage virtuel permettra la fabrication plus rentable de pièces de qualité dès le premier passage sur la machine-outil.

Au cours des cinq années du projet, les laboratoires du réseau formeront plus de 70 nouveaux ingénieurs, pourvus de connaissances en fabrication intégrée et de compétences supérieures en communication et en collaboration, qui feront des stages dans les usines des partenaires industriels. Ces ingénieurs faciliteront le transfert des résultats de la recherche vers diverses industries canadiennes : l’aérospatiale, l’automobile, la production d’électricité, les moules et matrices et l’automatisation. Ils seront les leaders de demain dans l’industrie manufacturière, les universités et les centres de recherche au Canada.

Avantages pour les partenaires industriels

Pratt & Whitney Canada, Bombardier Aerospace et ASCO Aerospace Canada Ltd. sont les principaux fabricants canadiens de moteurs à réaction, d’aéronefs et de pièces pour l’aérospatiale, respectivement. Les pièces sont principalement fabriquées par usinage à des coûts élevés et avec de long de cycle d’usinage. L’objectif des partenaires de l’industrie aérospatiale est de produire des pièces au premier passage à la machine-outil, et ce, au moindre coût en utilisant la technologie d’usinage virtuel qui sera élaborée par le réseau.

Automation Tooling Systems Inc., Origin International Inc. et Memex Automation Inc. produisent des modules d’automatisation pour l’industrie de l’usinage. Les modèles de simulation des modules d’automatisation leur permettront d’accélérer le processus de conception et d’effectuer des essais dans un environnement virtuel avant de procéder à des essais physiques coûteux.

Les partenaires industriels du réseau participeront activement à la recherche en testant les modèles et en encadrant conjointement les étudiants diplômés dans le cadre de stages de transfert de technologie dans leurs usines. Les ingénieurs principaux de chacun des partenaires industriels participeront à chaque projet d’intégration et de validation en tant que membres actifs du réseau.

Les connaissances et l’expertise découlant du Réseau CANRIMT auront d’importantes répercussions économiques, sociales et environnementales sur les pratiques d’usinage de l’industrie manufacturière canadienne.

Personnes-ressources

Yusuf Altintas
Directeur scientifique et chercheur principal
Tél. : 604-822-5622
Courriel : altintas@mech.ubc.ca

Deborah Varley
Coordinatrice du réseau
Tél. : 604-827-4292
Courriel : management@nserc-canrimt.org
Site Web : This link will take you to another Web site www.nserc-canrimt.org


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