Brevet FR2772295A1 — publié le 19990618

ELEMENTS DECORATIFS, ET PLUS PARTICULIEREMENT DES PANNEAUX ET DES PIECES VOLUMIQUES FABRIQUEES PAR USINAGE. La présente invention concerne le domaine des éléments décoratifs, et plus particulièrement des panneaux et des pièces volumiques fabriquées par usinage. On connaît dans l'état de la technique diverses solutions pour fabriquer de tels éléments. La première solution consiste à travailler manuellement un matériau pour lui donner un relief et une forme quelconque. Dans ce cas, la variété des formes et reliefs est quasiment infinie, et seul l'imagination de l'artisan réduit les possibilités de réalisation. On connaît également des solutions consistant à usiner la surface d'un matériau avec une machine-outil commandée par un programme informatique. Habituellement, la machine-outil comportant un porte outil multi-axe, piloté dans un référentiel fixe, généralement un référentiel cartésien indépendant de l'objet à usiner. La production industrielle d'éléments décoratifs connaît alors deux limites. La première limite découle de la difficulté ,de concevoir le programme de commande en fonction de la forme recherchée. I1 est possible de transposer en langage informatique des formes simples et relativement régulières. Par contre, il est difficiel de concevoir le logiciel de pilotage qui permettra de réaliser des formes qui ne répondent pas de façon évidente à un modèle mathématique dans le référentiel fixe, sans recours à des méthodes de conception lourdes et non généralisables. La deuxième limite est celle découlant des déplacements de l'outil. Dans les dispositifs de l'état de la technique, l'outil est déplacé normalement à la surface à usiner. Ce mode de pilotage est adapté à des surfaces régulières, sans ruptures de pentes, et sans points d'inflexions trop marqués. Par contre, ce mode de pilotage rencontre rapidement ses limites en cas de profils irréguliers, présentant par exemple des arêtes vives, ou dont la fonction dérivée est discontinue. Pour pallier au premier problème, on a proposé dans l'art antérieur des interfaces utilisateurs intuitives. Ces interfaces intuitives fonctionnent par analogie avec les procédés manuels. Ces interfaces ne permettent toutefois pas de répondre totalement aux inconvénients susvisés. Au mieux, ils permettent de reproduire ce que l'on fait de façon artisanale, ce qui n'aboutit qu'à l'augmentation de la productivité, mais en aucun cas à l'accroissement de la créativité et de la qualité des dessins. L'objet de l'invention est de remédier à ces inconvénients en proposant un procédé de conception et de fabrication industrielle d'un élément décoratif, permettant de varier de façon quasiment infinie les reliefs et formes possibles et de visualiser facilement les formes possibles avant d'opter pour l'une d'entre elles. L'invention concerne a cet effet un procédé de fabrication d'éléments de décoration caractérisé en ce que l'on usine la surface d'une pièce à l'aide d'un outil de fraisage commandé pour décrire une équation biparamétrique de type x = f(u, v) y = g(u, v) z = h(u, v) où f et g sont des fonctions périodiques. Les formes engendrées par ces équations biparamétrique permettent une grande richesse de formes, tout en autorisant une production industrielle avec des machines à commande numérique. Selon un mode de mise en oeuvre préféré, on visualise les représentations des volumes correspondant aux équations biparamétrique x = f(ai(t); u, v) y = g(ai(t); u, v) z = h(ai(t); u, v) en faisant varier le paramètre t, et en mémorisant le paramètre tx correspondant à la forme sélectionnée, pour commander l'outil de fraisage afin de décrire l'équation biparamétrique x = f(ai(tx); u, v) y = g(ai(tx); u, v) z = h(ai(tx); u, v) En faisant varier séquentiellement le paramètre t, on balaye visuellement les formes possibles, et on peut mémoriser une ou plusieurs formes intéressantes pendant ce balayage, avant de sélectionner l'une des formes mémorisée et d'appeler le paramètres tx correspondant pour générer le programme de pilotage de l'outil de fraisage. La représentation graphique est avantageusement transmise en ligne pour sélection et validation, par exemple par un réseau de type INTERNET ou INTRANET. Selon une variante préférée, on calcule une surface guide constituant une enveloppe de l'élément à fabriquer, et en ce que l'axe de l'outil est commandé pour travailler principalement selon une direction normale à la surface guide. Ce mode de mise en oeuvre permet de réduire les points de rebroussement du porte-outil, et donc de limiter les mouvements brusques de l'outil. L'invention concerne également tout élément de décoration caractérisé en ce que sa surface est défini par une équation biparamétrique de type x = f(u, v) Y = g(u, v) z = h(u, v) où f et g sont des fonctions périodiques. Avantageusement, les fonctions f, g, et h sont des fonctions périodiques. Selon une variante préférée, les fonctions f, g, et h sont des fonctions trigonométriques. Selon un premier exemple de réalisation, l'élément de décoration constitue un panneau. Selon une variante particulière, il présente des trous perforants et des trois non perforants. De préférence, la section cumulée des trous perforants représente 15 à 22 % de la surface du panneau. Cette variante est particulièrement adaptée à la réalisation de panneaux acoustiques absorbants. Selon une autre variante avantageuse, le panneau usiné est un matériau multicouches. il est ainsi possible de réaliser des effets de esthétiques particulièrement agréables. Selon un deuxième exemple de réalisation, l'élément selon l'invention constitue une pièce formée par la juxtaposition dune pluralité de segments évidés. La figure 1 représente une vue de dessus d'un panneau acoustique réalisé selon le procédé de l'invention. Le matériau de base de présente sous forme d'un panneau de bois multiplies. Pour réaliser un tel panneau, on commence par définir une famille d'équation biparamétrique de type x = f(ai(t); u, v) y = g(ai(t); u, v) z = h(ai(t); u, v) où les fonctions f, g et h sont des fonctions périodiques trigonométriques, de type sinusoïdales ou cosinusoidales. En balayant le champs des paramètres u et v, on engendre un volume pouvant être visualisé sur un écran. La représentation graphique met en oeuvre un rendu cartographique, particulièrement adapté aux surfaces conçues comme des déformations d'un plan, de type z=F(x,y). Les valeurs de z sont étalonnées sur une palette de couleur, à la manière des cartes géographiques faisant apparaître le relief par des zones colorées correspondant à des classes d'altitude. Il est ensuite possible de faire varier les formes en balayant la famille d'équation par une évolution du paramètre t. L'opérateur peut sélectionner "à la volée" les représentations qui lui semblent intéressantes, et mémoriser le paramètre ti correspondant, et ensuite revisualiser la ou les formes correspondant aux paramètres mémorisés, et opter finalement pour l'une de ces formes présélectionnées. L'étape suivante consiste à générer le fichier de commande de la machine-outil. Le principe de commande de l'outil est de conserver, pour un panneau, une orientation toujours perpendiculaire à une surface guide qui est un plan parallèle au plan transversal du panneau à usiner. L'usinage peut produire des trous traversant et des traces non traversantes. Pour un panneau décoratif présentant des qualités acoustiques absorbants, il est proposé de rechercher une surface cumulée des trous traversant de l'ordre de 17%. Dans l'exemple décrit, une série de lignes non débouchantes, dont la profondeur correspond par exemple au diamètre de l'outil d'usinage, assure un réseau de diffusion améliorant les qualités sonores du panneau. la figure 2 représente un élément tridimensionnel. Dans ce cas, l'étape suivant la visualisation et la sélection de la forme est la génération automatique d'un brut d'usinage. Topologiquement, on peut distinguer plusieurs cas de formes tridimensionnelles susceptibles d'être engendrée par le procédé selon l'invention - les surfaces qui se déploient dans l'espace sans se boucler, un peu comme une voile solidifiée qui aurait une épaisseur - les surfaces qui se rebouclent sur ellesmêmes pour former un volume plein, par exemple un volume constituant une colonne ou un pied de table - les surfaces qui se rebouclent sur ellesmêmes et qui sont évidées, pour des questions d'économie de matière et de réduction du poids. Pour ces dernières topologies en particulier, l'automatisation de l'étape de préparation du brut est très importante pour permettre la réalisation d'objets uniques à un prix acceptable. Cette étape doit prendre en compte les contraintes suivantes - assurer une surface de contact suffisante d'une section donnée avec les deux sections supérieure et inférieure, de façon à assurer la solidité de l'assemblage ; - minimiser le poids de l'objet final - laisser une surépaisseur d'usinage adéquate - positionner correctement les tourillons qui servent à assembler les sections les unes sur les autres. Pour un objet de forme générale torique, on prépare un brut d'éléments plans, de même épaisseur, correspondant à des sections successives selon des plans perpendiculaire au plan général du tore. La figure 3 représente une plan de découpe engendré pour permettre la réalisation d'un objet tridimensionnel de forme générale torique. Les éléments une fois découpés sont empilés les uns sur les autres. Pour éviter des erreurs de positionnement, le logiciel de génération du brut comporte un algorithme de calcul de positionnement des trous des tourillons qui fait varier la distance enter les trois d'un couple de sections successives à l'autre. L'étape suivante concerne l'élaboration du programme d'usinage. Les programmes d'usinage selon l'art antérieur sont mal adaptés pour les topologies réalisées par le procédé selon l'invention. Ils présentent en effet un temps d'usinage trop long lorsque la normale à la surface est très perturbée, notamment dans les zones fortement texturées. Le fait de piloter l'outil selon une direction non perpendiculaire à la surface de l'objet permet de réduire les interférences de l'outil avec la surface de l'objet. Cela créé des marques très profondes dans certaines configurations, sur la ligne d'intersection de l'union booléenne de deux volumes. Le procédé d'usinage selon l'invention se distingue fondamentalement des procédés de l'art antérieur par le principe de commande du porte-outil. Dans l'art antérieur, l'orientation et les déplacements du porte-outil sont déterminées à partir de la détermination de la normale à la surface à usiner. Lorsque la surface est très irrégulière, par exemple lorsqu'elle présente des ruptures de pente et des arêtes vives, la variation / s où désigne l'angle solide formé par l'axe du porte-outil dans un référentiel absolu et S désigne la trajectoire de l'intersection entre l'outil et la surface à usiner, peut prendre des valeurs très grandes. De ce fait, les mouvements du porte-outils deviennent chaotiques et les déplacements du centre de l'outil sont beaucoup plus important que les déplacement de la tête d'usinage. Ceci entraîne pour le moins un ralentissement de l'opération d'usinage, et une fatigue inutile de la machine-outil, du à l'inertie de la machine. Le principe du procédé de commande des déplacement du porte-outil est de déterminer une surface guide homothétique à l'enveloppe lissée de l'objet à usiner. L'orientation du porte-outil est déterminées non pas en fonction de la normale de la surface à usiner, mais en fonction de l'intersection de l'axe de l'outil avec ladite surface-guide. Dans la plupart des situations, l'axe de l'outil est maintenu dans la direction de la normale à la surface-guide. Pour des surfaces planes avec des reliefs peu marqués, la surface-guide est un plan parallèle au plan médian du panneau à usiner. Pour des surfaces tridimensionnelles simples, la surface-guide peut être un cylindre en première approximation. Pour des formes plus complexes, les surfaces-guides sont avantageusement de type B-Spline. Selon le principe de la détermination de l'orientation de l'outil par rapport à la surface-guide, le problème de l'usinage consiste à déterminer le point d'intersection du champ de normales avec la surface parallèle à la surface de l'objet, ceci à une distance correspondant au rayon de l'outil. Une première solution, adaptée à des surfaces simples, consiste à construire des courbes parallèles à la surface de l'objet à usiner. Cette solution n'est toutefois pas adaptée à des formes élaborées, car elle se traduit vite par des courbes parallèles plus complexes que la courbes cible, ces courbes parallèles pouvant présenter des points de rebroussement ou des courbes incluses impossibles à suivre avec un outil d'usinage. De ce fait, pour des surfaces complexes, on calcule non pas la surface parallèle, mais un maillage de points sur la surface guide, points à partir desquels on cherche le point d'intersection de la normale avec le premier point rencontré sur la surface parallèle. L'étape d'usinage se décompose entre une première étape qui peut être réalisée avec un outil grossier, et une étape de reprise. Dans le cas le plus simple où la surface guide est un plan parallèle au panneau usiné, la direction de l'outil est fixée et reste en permanence perpendiculaire au plan de la surface guide. La surface peut ensuite être reprise par n'importe quelle courbe, que celle-ci soit dessinée par un opérateur humain ou soit générée par le programme de détection des zones où l'outil n'a pas pu descendre au fond des concavités. Cette étape est réalisée avec un outil plus fin. L'outil se déplace en vitesse rapide pour se placer sur chacune des zones à tout de rôle, qu'il va ensuite balayer en vitesse normale. Le déplacement de l'outil en vitesse rapide peut être optimisée pour se déplacer chaque fois vers la zone de reprise non usinée la plus proche. Pour obtenir des effets de gouge ou de cannes de bambos, les crêtes laisées par l'outil d'usinage présentent une hauteur supérieure à 0,5 mm et correspondent à un écrement du déplacement supérieur à 2 mm. Les crêtes ne sont pas lissées ni poncées pour conserver les reliefs formés par le balayage de l'outil. Une variante intéressante par les effets esthétiques et acoustiques qui en résulte consiste à procéder au déplacement entre trous débouchants avec l'outil non pas en position écartée de la surface à usiner, mais en position affleurante, de façon à marquer la surface d'un sillon peu profond, par exemple de la profondeur correspondant à la moitié de la section de la tête d'usinage. La surface de l'objet porte ainsi une trace reliant les zones de reprise d'usinage. L'usinage selon l'invention permet de réaliser des surfaces optimisées pour deux types d'effets acoustiques. Le premier effet qu'il est possible d'élargir de façon efficace est le spectre d'absorbtion par la densité respective des trous débouchants et des trous non débouchants, et par leurs répartitions. Le deuxième effet est la diffusion lorsque l'usinage du panneau crée une surface courbe dont les ondulations sont contrôlable. Le profil des surfaces courbes permet d'ajuster la direction de diffusion des ondes sonores. La figure 4 représente une vue de la surface d'un objet, où apparaissent les traces des zones de reprise, ainsi que les zones de reprise. Pour l'usinage de volumes, la question de textures est moins critique. Dans ce cas, la stratégie d'usinage privilégie l'aspect macroscopique. En premier lieu, le champ des normales à la surface-guide délimité une première zone par projection radiale sur la surface de l'objet. Pour cette opération, il n'est pas tenu compte des possibilité d'inclinaison et de déviation de l'outil par rapport à la normale. Puis, on délimite une seconde zone à la surface de l'objet en désignant six courbes du maillage iso-paramètrique de l'objet - deux iso u et iso v qui délimitent une sorte de quadrilatère iso-paramétrique - une iso u et une iso v supplémentaire dont l'intersection détermine un point qui désigne quelle plage, intérieure ou extérieure, on veut usiner par rapport au contour du quadrilatère iso-paramétrique. Finalement, la zone usinée sera le résultat de l'intersection des deux zones ainsi définies. Le coeur du problème de l'usinage des volumes est celui de la détermination de la stratégie d'usinage, en tenant compte des contraintes telles que - l'obligation de démarrer l'usinage du bas de l'objet avec un angle tel (demi-angle du cône d'ouverture) que le bord inférieur du porte-outil ne touche pas le plateau de la machine, au risque son de devoir surélever l'objet ; - l'obligation de ne pas dépasser le débattement autorisé par la machine, lequel n'est pas très large eu égard aux dimensions de l'objet à usiner - le fait que les surfaces guides sont d'abord destinées à déterminer le champ de normales, mais qu'elles servent également à calculer le point d'origine des dégagements parfois nécessaires lorsque par exemple il existe une zone où la surface parallèle n'est pas définie. Pour répondre à ces contraintes, l'invention met en oeuvre les moyens suivants - on décompose le volume en tranches suffisamment petites pour éliminer les situations de contraintes multiples - on recourt à plusieurs surfaces pour décomposer les problèmes, en déterminant l'orientation de la normale pour chaque cas singulier. L'invention est décrite dans ce qui précède à titre d'exemple non limitatif. L'homme du métier sera à même de procéder à différentes adaptations sans pour autant sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS 1 - Procédé de fabrication d'éléments de décoration caractérisé en ce que l'on usine la surface d'une pièce à l'aide d'un outil de fraisage commandé pour décrire une équation biparamétrique de type x = f(u, v) y = g(u, v) z = h(u, v) où f, h et g sont des fonctions périodiques. 2 procédé de fabrication d'éléments de décoration selon la revendication 1 caractérisé en ce que l'on visualise les représentations des volumes correspondant aux équations biparamétrique x = f(ai(t); u, v) y = g(ai(t); u, v) z = h(ai(t); u, v) en faisant varier le paramètre t, et en mémorisant le paramètre tx correspondant à la forme sélectionnée, pour commander l'outil de fraisage afin de décrire l'équation biparamétrique x = f(ai(tx); u, v) y = g(ai(tx); u, v) z = h(ai(tx); u, v) 3 procédé de fabrication d'éléments de décoration selon la revendication 1 ou 2 caractérisé en ce que l'on calcule une surface guide constituant une enveloppe de l'élément à fabriquer, et en ce que l'axe de l'outil est commandé pour travailler principalement selon une direction normale à la surface guide. 4 - Élément de décoration caractérisé en ce que sa surface est défini par une équation biparamétrique de type x = f(u, v) y = g(u, v) z = h(u, v) où f et g sont des fonctions périodiques. 5 - Élément de décoration selon la revendication 4 caractérisé en ce que les fonctions f, g, et h sont des fonctions périodiques. 6 - Élément de décoration selon la revendication 5 caractérisé en ce que les fonctions f, g, et h sont des fonctions trigonométriques. 7 élément de décoration selon la revendication 4 ou 5 caractérisé en ce qu'il constitue un panneau acoustique absorbant ou diffusant. 8 - Élément de décoration revêtant un matériau acoustique absorbant selon la revendication 7 caractérisé en ce qu'il présente des trous perforants et des trois non perforants. 9 - Élément de décoration selon la revendication 8 caractérisé en ce que la section cumulée des trous perforants représente 15 à 22 % de la surface du panneau. 10 - Élément de décoration selon la revendication 7, 8 ou 9 caractérisé en ce que le panneau usiné est un matériau multicouches. ll - Élément de décoration selon la revendication 4 ou 5 caractérisé en ce qu'il constitue une pièce formée par la juxtaposition d'une pluralité de segments évidés d'épaisseurs identiques. 12 - Élément de décoration selon la revendication 4 ou 5 caractérisé en ce que les crêtes laisées par l'outil d'usinage présentent une hauteur supérieure à 0,5 mm et correspondent à un écrement du déplacement supérieur à 2 mm, ce qui laisse un état de surface analogue au travail manuel à la gorge