Un centre d'usinage Fehlmann Versa 645 Linear à l'EPFL Une Fehlmann Versa 645 au cœur de la recherche

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C'est dans l'atelier de l'institut de microtechnique de la Faculté des sciences et techniques de l'ingénieur de l'EPFL qu'est installée la Versa 645 Linear.

Cette machine Fehlmann contribue activement aux travaux de recherche de la faculté grâce à des performances surprenantes rendues possibles par le haut niveau de savoir-faire du personnel de l'atelier sous la supervision d'Alfred Thomas, responsable de l'atelier de l'instit de microtechnique du STI.

Des projets de recherches high-tech dans des domaines très variés

Les travaux menés par l'atelier de l'institut de microtechnique de la Faculté des sciences et techniques de l'ingénieur de l'EPFL sont nombreux et variés. S'il n'est pas possible de tous les détailler dans cet article nous pouvons cependant présenter une liste non exhaustive de réalisations effectuées dans cet atelier. Par exemple lors de notre visite un pied de foil pour un bateau solaire était en cours d'usinage sur la Versa 645 Linear. « Nous travaillons sur de nombreux projets internes à l'EPFL mais également pour des start-ups basées sur le campus. Parmi nos dernières réalisations nous avons une nouvelle génération d'antenne 5G, un projet d'horloge atomique, un robot martien, des circuits imprimés en céramique avec une précision de +/- 0,005 mm. Il y a également les projets des étudiants qui occupent une part importante de notre temps comme Swiss Solar Boat, Racing Team, Explorer ou encore Rocket Team », précise Alfred Thomas.

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L'utilisation de la Versa 645 Linear ne se cantonne pas uniquement à ce que la machine peut faire sur le papier. Tout ce qui peut être envisagé sera testé et permettra à l'avenir d'étoffer encore plus l'offre de solutions d'usinage que l'atelier pourra proposer aux différents instituts de la faculté. « Par exemple nous usinons du verre ce qui n'a jamais été fait. Lorsque nous avons choisi cette machine ça n'était pas d'actualité mais les performances révélées par ce centre d'usinage nous ont mis suffisamment en confiance pour tenter cette expérience. Nous avions préalablement demandé l'option « matériaux abrasifs » de Fehlmann qui protège les éléments sensibles de la machine et assure une excellente filtration de l'émulsion » précise encore le responsable.

Parmi les pièces usinées avec ce centre d'usinage nous pouvons citer un système d'injection multiple et simultané de différents produits pour le domaine médical. Cette pièce d'environ 10 mm de côté en acier inoxydable 1.4435 est constituée de 4 aiguilles creuses de 3 mm de haut. Le diamètre extérieur de ces aiguilles est de 0,3 mm pour un diamètre intérieur de 0,15 mm. Tout le fraisage a été effectué avec une fraise de 2,5 mm et les perçages avec un foret de 0,15 mm. Cette pièce peut sembler bien petite pour une machine qui peut aisément usiner une pièce cubique de 250 mm de côté mais ses nombreuses qualités détaillées dans cet article prouvent que presque rien ne semble impossible pour cet étonnant centre d'usinage.

Un autre exemple est celui d'une mini éolienne pour l'ECAL présentée lors de la « Milan Design Week » en avril 2023. Le défi avec ce projet était principalement esthétique. Usinée en 5 axes simultanés cette tête d'éolienne devait visuellement avoir des raccords d'outils invisibles. Pour atteindre ce résultat les cycles Fehlmann HSC-Setup ont été utilisés pour optimiser la dynamique des axes. Le résultat final est une pièce à la finition parfaite à la sortie de la machine ne nécessitant aucunes opérations ultérieures de polissage. Là encore les performances de la Versa 645 Linear et le savoir-faire des opérateurs ont permis l'obtention d'une pièce à la finition qui force le respect.

Un dernier exemple pour terminer est celui d'une plaque en titane grade 5 de 140 x 160 mm pour la fabrication d'hydrogène à partir d'une parabole solaire. Le principal défi à relever pour fabriquer cette pièce se trouve dans le fraisage du serpentin qui assure le refroidissement de l'élément. Ce fraisage d'une profondeur de 2 mm a nécessité l'utilisation d'une fraise de 1,5 mm de diamètre avec arrosage par le centre. La planéité tout comme la qualité des états de surface est à nouveau irréprochable malgré la faible usinabilité du matériau.

Une machine à 5 axes polyvalente mais surtout très dynamique

Si la Fehlmann Versa 645 Linear n'est plus a présenter, nous en avons maintes fois parlé dans les colonnes de notre magazine, elle continue de surprendre pas son adaptabilité extraordinaire tout comme par ses performances et tout particulièrement sa dynamique importante. Mais être dynamique n'est rien sans la précision. Et à ce niveau l'optimisation des pièces mobiles en fonte grise à graphite sphéroïdal associées à un bâti stable permettent d'atteindre un grand degré de précision et de rigidité malgré des déplacements très dynamiques. Les guidages linéaires rigides et précis sont vissés sur des faces d'appuis finement grattées à la main. Les moteurs, les encodeurs et les règles de mesure de haute précision sont associés à la puissance de calcul de la commande Heidenhain TNC 640 et aux « customisations » apportées par Fehlmann pour piloter les axes rapidement et précisément. Ces déplacements à très haute dynamique sont possibles grâce aux moteurs linéaires qui équipent les axes X et Y de la Versa 645 Linear. « Les moteurs linéaires affichent leur supériorité lors des opérations de fraisage avec des outils en diamant par exemple. Les états de surface sont exceptionnels, sans aucun défauts », précise Alfred Thomas.

L'axe Z conserve une vis à bille et les axes rotatifs A et C sont équipés de moteurs couples à entrainement direct. Le portique fixe soutient les axes Y et Z alors que l'axe X qui supporte la table, repose sur le banc et se déplace entre les montants du portique. Le berceau basculant autorise une inclinaison de + 130° à - 135° par rapport à l'horizontale et il est soutenu par un contre-palier pour une rigidité maximale. Cette plage de rotation de 265° offre une importante polyvalence et un grand degré de liberté quant à la complexité des pièces pouvant être usinées avec cette machine. Pour atteindre les performances souhaitées par l'EPFL, la broche sélectionnée est le modèle le plus « rapide » que propose Fehlmann. Il s'agit d'une électrobroche HSK-E40 qui atteint les 42 000 tr/min. Les broches qui équipent les machines Fehlmann sont suffisamment stables et précises pour permettre la rectification en coordonnées ce qui va dans la continuité des capacités offertes par la machine. De cette manière il est possible de d'ébaucher par fraisage et de finir par rectification avec la même machine et en un seul serrage des pièces trempées ou en matériaux durs. Pour des travaux nécessitant des fréquences de rotation encore plus importantes, Fehlmann propose une broche motorisée qui atteint les 80 000 tr/min. Cette broche auxiliaire se monte directement dans la broche principale avec toutes les connexions électriques nécessaires à son fonctionnement.

Mais qui dit dynamique élevée dit également bon ancrage et cela d'autant plus lorsque les masses mobiles sont importantes. La dalle de l'atelier de l'institut de microtechnique n'était pas adaptée pour permettre à la Versa 645 Linear de fonctionner dans les meilleures conditions. Alfred Thomas revient sur ce problème et la solution mise en œuvre pour le résoudre : « Il était exclu pour nous de devoir réduire les avances pour ne pas trop solliciter la dalle. De plus nous avons une machine laser dans le même local qui ne doit pas être soumise aux vibrations. Nous avons donc pris la décision de faire couler 3 pieux en béton pour y fixer la machine. Cela assure une excellente stabilité même avec une haute dynamique d'usinage tout en préservant la machine laser des vibrations. »

« La dynamique est essentielle pour nous. Elle permet d'utiliser les bonnes vitesses de coupe tout en respectant les avances même sur des pièces très petites et complexes comme des turbines par exemple », conclut Alfred Thomas.

L'installation et la mise en œuvre de cette Versa 645 Linear est un cas d'école comme l'explique Martial Marmy, ingénieur de vente Suisse Romande chez Fehlmann : « Il y a ici un important savoir-faire et une application rigoureuse de nos recommandations pour utiliser la machine dans les meilleures conditions. Les mécaniciens de l'institut de microtechnique ont commencé à tester toutes les possibilités de la machine et les ont rapidement intégré dans leurs stratégies d'usinage. »

Une très haute précision sous certaines conditions

Le choix de la machine a été dicté par les performances de précision et c'est la raison pour laquelle l'option Fehlmann « Précision accrue de positionnement et de géométrique » a été sélectionnée dès le départ.

Une fois familiarisés avec la machine, Fehlmann a donné des cours de fraisage haute performance sur site, les mécaniciens ont commencé à usiner les premières pièces. Et au fur et à mesure des prototypes qui passaient sur le centre d'usinage et de l'expérience acquise ils ont poussé de plus en plus loin la machine. Pour finir par atteindre une précision toujours plus fine et se rapprocher du « zéro ». Le savoir-faire est évidemment essentiel pour obtenir un tel résultat mais cela ne fonctionne que si la machine est à la hauteur. Et lorsque l'on parle de précision un paramètre est incontournable c'est celui de la gestion de la chaleur et donc de la dilatation.

Fehlmann a intégré ce paramètre dès la phase de conception de la machine. Les influences négatives de la dilatation thermique sont réduites de manière conséquente pour garantir une précision géométrique maximale. La conductivité thermique reste homogène grâce à la structure de la machine en fonte grise fortement nervurée et la température de fonctionnement est atteinte rapidement. Un refroidissement actif et une isolation systématique de tous les éléments qui pourraient transférer la chaleur dans la structure de la machine assure la stabilité de l'ensemble. De très nombreux capteurs mesurent les dilatations des éléments sensibles, tout particulièrement celles de la broche et envoient ces données à la commande qui les compense automatiquement.

Le fabricant propose une méthode supplémentaire pour garantir un très haut niveau de précision, c'est le cycle propriétaire Fehlmann baptisé Cycle 333. Il s'agit d'un cycle d'auto-calibration qui permet en quelques minutes d'étalonner le palpeur d'outils laser, le palpeur pièces et la cinématique de la machine. La calibration du système de mesure d'outils laser de chez Blum s'effectue avec un outil étalon monté dans un mandrin stocké dans le magasin d'outils. Il est à noter que ce système de mesure laser sans contact permet une mesure dynamique de l'outil à sa fréquence de rotation nominale. Pour la calibration du palpeur pièces et de la cinématique, une pièce étalon fixée sur une palette ITS148 ou UPC est fournie par Fehlmann. Elle peut être stockée dans le magasin de pièces pour un déroulement du cycle entièrement automatique. « Je recommande régulièrement à nos clients d'utiliser ce cycle qui assure une haute précision de la machine. Lorsque l'on cherche à atteindre une précision micrométrique avec une répétabilité très fine, l'utilisation du cycle d'auto-calibration Fehlmann est essentiel. L'investissement reste raisonnable à la vue du gain de précision qu'il est possible d'obtenir avec cette méthode de calibration », explique Martial Marmy.

En effet selon la stabilité thermique du local où est installée la machine, Fehlmann recommande d'utiliser le cycle 333 une ou plusieurs fois dans la journée. À l'EPFL, les opérateurs de la Versa 645 Linear utilisent régulièrement le cycle d'auto-calibration pour garantir une précision maximale et il en est de même pour le palpeur pièces. « Grâce à la rapidité et la facilité d'utilisation des cycles de palpage pièces nous pouvons nous permettre de faire des contrôles après ébauche pour assurer une finition parfaite sans rebus. C'est essentiel lorsque l'on fabrique des prototypes qui par nature sont des pièces unitaires », détaille Alfred Thomas.

Obtenir la machine la mieux adaptée à un cahier des charges exigeant

Si aujourd'hui la Fehlmann Versa 645 Linear apporte entière satisfaction à l'atelier de l'institut de microtechnique de l'EPFL son obtention n'a pas été de tout repos. Pour en arriver là la route a été longue, car si monsieur Thomas qui a découvert cette machine lors de sa présentation au SIAMS en 2018 a été rapidement convaincu de son potentiel, il fallait encore qu'elle remporte l'appel d'offre public européen lancé par l'EPFL. « Un dossier comme celui de la Fehlmann c'est 3 ans de travail. Cela commence par la prospection avec une sélection de machines appropriées. Ensuite il faut soumettre une demande au comité des ateliers de l'EPFL pour obtenir le financement », explique Alfred Thomas.

Techniquement parlant plusieurs points ont suscité l'intérêt de l'atelier à commencer par la stabilité de la machine. « Lorsque j'ai découvert cette machine au SIAMS elle usinait du trempé et on n'entendait rien. À ce moment je me suis dit que cette machine avait vraiment d'intéressantes capacités. En plus la pièce de démonstration avait des dimensions assez similaires aux pièces que nous usinons régulièrement. Un second point qui m'a convaincu c'est son ergonomie et l'accessibilité à la zone de travail pour l'opérateur. Ici nous faisons du prototypage, chaque jour c'est une nouvelle pièce c'est pourquoi la visibilité sur la zone de travail est essentielle pour nous. La position du berceau de la Versa 645 Linear offre une visibilité sans commune mesure. C'est une des raisons pour laquelle plusieurs machines concurrentes ont été éliminées d'office. Sa compacité est également un atout certain qui m'a beaucoup plu », détaille Alfred Thomas. D'autres critères comme la capacité du magasin d'outils ont été prépondérants dans le choix de cette machine. « Lorsque l'on usine du petit on est souvent limité par des magasins trop petits. Il nous est arrivé d'usiner des pièces nécessitant jusqu'à 30 outils. Avec 86 outils nous avons là un minimum pour travailler dans les meilleures conditions possibles. Assez rapidement après la livraison de la machine il y avait déjà une septantaine d'outils stockés dans le magasin », précise encore Alfred Thomas. Le magasin de base de la Versa 645 Linear comporte 50 outils. Le passage à 86 outils n'a aucun impact sur l'encombrement de la machine qui reste identique.

La décision finale qui valida le choix de Fehlmann comme fournisseur du nouveau centre d'usinage est une décision collective. Lors de sa deuxième visite à l'usine Fehlmann de Seon, Alfred Thomas était accompagné de tous les mécaniciens qui allaient travailler avec cette machine ainsi que des responsables des achats de l'EPFL.

Une collaboration fructueuse entre l'EPFL et Fehlmann

La Versa 645 Linear est disponible depuis déjà quelques années au catalogue du fabricant argovien, cependant elle n'a toujours pas fini de surprendre son monde. De nombreuses mises à jour software de la commande TNC 640 maintiennent cette machine au sommet de son art mais cela ne pourrait être possible sans une base mécanique de premier ordre. Les outils actuels permettent l'utilisation de vitesses de coupe très importantes et donc d'avances en proportion. Et lorsque les déplacements sont faibles, comme c'est le cas avec de petites pièces, la dynamique se doit d'être conséquente pour conserver des paramètres de coupe optimaux.

« C'est une grande fierté pour Fehlmann d'avoir pu installer cette machine à l'EPFL d'autant plus que la procédure de sélection a été longue et fastidieuse. L'équipe de mécaniciens de Mr Thomas est allée encore plus loin que ce que nous savions possible avec cette machine. Nous connaissions son potentiel mais peu d'utilisateurs ont poussé la Versa 645 Linear à de pareils niveaux », conclut Martial Marmy. Du côté de l'atelier de l'institut de microtechnique c'est la qualité du service de Fehlmann qui est très appréciée. « Nous sommes allés réellement très loin avec cette machine. Bien évidemment tout cela n'aurait pas été possible sans les qualités intrinsèques de la Versa 645 Linear mais c'est également et surtout grâce au soutien technique indéfectible apporté par Fehlmann que nous y sommes parvenus », complète Alfred Thomas. Si l'utilisation de ce centre d'usinage jusqu'à l'extrême limite de ses capacités est rendue possible par le haut niveau de qualification du personnel de l'EPFL cela confirme également la pertinence des choix techniques fait par Fehlmann avec sa gamme Versa. La famille de centres d'usinage Versa comprend aujourd'hui six modèles différents disponibles en configuration 3 ou 5 axes de la petite 643/645 en passant par la 743/745 à la grande 943/945. MSM

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