Brevet FR3022527A1 — publié le 20151225

PROCEDE ET DISPOSITIF POUR LA FABRICATION DIRECTE D'UNE PIECE SUR UNE STRUCTURE La présente invention concerne un procédé permettant la fabrication directe d'au moins une pièce sur une structure, notamment un fuselage d'aéronef, et un dispositif pour mettre en oeuvre ce procédé. Un fuselage comprend une structure primaire, formée notamment de cadres transversaux et de lisses longitudinales, d'une peau externe supportée par la structure primaire, ainsi que d'un plancher fixé à la structure primaire. Lors de la fabrication du fuselage sur un site de production, de nombreuses pièces de différents types sont fixées à la structure primaire afin de la renforcer, comme par exemple une éclisse et une contre éclisse fixées l'une à l'autre à la jointure entre deux cadres coplanaires et enserrant lesdits deux cadres afin de les coupler l'un à l'autre. Actuellement, les pièces à fixer sont fabriquées par différentes entités extérieures au site de production puis amenées sur ce dernier où elles sont rangées dans le magasin du site de production. Les opérateurs doivent, préalablement à la fixation de la pièce au fuselage par vissage ou rivetage - aller chercher les pièces au magasin pour les transporter dans le fuselage vers une position où elles doivent être fixées, - caler ces pièces, au moyen de calage liquide ou pâteux, nécessitant un temps de séchage important, afin de prendre en compte les défauts de contact entre la structure primaire et la pièce, lesdits défauts étant dus aux jeux (inférieurs au millimètre) inhérents à l'assemblage d'éléments de grandes dimensions. Ces dispositions ralentissent la cadence de production des fuselages. Une solution à ce problème serait de fabriquer directement les pièces sur le fuselage à l'endroit où elles doivent être fixées. On connait du document EP2537642 un dispositif d'impression de pièces en 3D mais ce dispositif est arrangé dans une enceinte fermée spécifiquement dédiée à l'impression et permet uniquement de fabriquer une pièce selon un gabarit prédéterminé, la pièce ainsi fabriquée (nécessitant une phase d'usinage pour l'extraire de sa plaque support) devant toujours être amenée sur le site de production puis calée. L'un des objets de la présente invention est de remédier en tout ou partie à l'inconvénient mentionné ci-dessus. A cet effet, la présente concerne un procédé de fabrication directe d'au moins une pièce sur une position prédéterminée d'une structure, ledit procédé comprenant les étapes successives suivantes : 3022527 2 a) scan, via un scanner tridimensionnel, de la structure au niveau de la position prédéterminée ; b) comparaison, par une unité centrale, d'un maillage surfacique virtuel de la position prédéterminée avec un maillage surfacique réel de ladite position prédéterminée, 5 ledit maillage surfacique réel étant calculé par l'unité centrale à partir de données obtenues suite au scan réalisé à l'étape a); c) détermination, par l'unité centrale, des écarts entre lesdits deux maillages ; d) calcul, par l'unité centrale, des données de modélisation d'une pièce, dite pièce intercalaire, dont les dimensions comblent lesdits écarts calculés à l'étape afin 10 d'obtenir un modèle d'une pièce intercalaire ; e) fusion, par l'unité centrale, d'un modèle virtuel d'une pièce associée à ladite position prédéterminée avec le modèle de la pièce intercalaire calculé à l'étape d) afin d'obtenir un modèle d'une pièce ajustée, dit modèle ajusté, à la géométrie de la structure au niveau de la position prédéterminée ; 15 f) fabrication par dépôt de matière, par des moyens de dépôt, de la pièce ajustée sur la position à partir du modèle ajusté calculé à l'étape e). Les caractéristiques de l'invention mentionnées ci-dessous, ainsi que d'autres, apparaîtront plus clairement à la lecture de la description suivante d'exemples de réalisation, ladite 20 description étant faite en relation avec les dessins joints, parmi lesquels: - la figure 1 est un schéma synoptique du dispositif pour le dépôt directe d'une pièce sur une position prédéterminée d'une structure par dépôt de matière selon un mode de réalisation de l'invention ; - la figure 2 est une vue schématique d'un exemple de réalisation du dispositif de la 25 figure 1, disposé à l'intérieur d'un fuselage ; - la figure 3 est une vue schématique d'une position prédéterminée du fuselage sur laquelle doit être fabriquée une éclisse au moyen du dispositif illustré à la figure 2 ; - la figure 4 est une vue similaire à la figure 3 montrant un modèle virtuel d'une éclisse à fabriquer sur ladite position prédéterminée ; 30 - la figure 5 est un agrandissement du dispositif de la figure 2 montrant les détails d'un bras articulé ; - la figure 6 est un diagramme illustrant une mise en oeuvre du dispositif selon l'invention pour la fabrication d'une éclisse sur la position prédéterminée de la 3022527 3 figure 3 ; et la figure 7 est une vue similaire à la figure 3 montrant une éclisse fabriquée au moyen du dispositif de l'invention selon la figure 2. 5 En référence avec la figure 1, le dispositif 1 selon l'invention comprend une unité centrale 2 contrôlant des moyens de déplacement 3 conçus pour déplacer le dispositif 1, des moyens de mesure 4, des moyens de dépôt de matière 6 associés à un bras articulé 5, ainsi qu'une unité de positionnement 7 fournissant à l'unité centrale 2 des données sur la position du dispositif 1. Tel que représenté à la figure 2, le dispositif 1 se présente sous la 10 forme d'un robot mobile autonome 100 comprenant un châssis 11 de forme parallélépipédique monté sur des roues 14 et sur lequel est fixé le bras articulé 5. Selon l'invention, le robot 100 est conçu pour se déplacer dans un fuselage T et déposer des couches de matière métallique ou plastique à des positions prédéterminées Z1,Z2,...Zn (n 15 entier ; les positions prédéterminées sont représentées par des zones hachurées à la figure 2) du fuselage T via les moyens de dépôt de matière 6 et le bras articulé 5 afin de former des pièces directement sur ledit fuselage T. Selon l'invention, les dimensions de chacune des pièces fabriquées par le dispositif 1 sont ajustées à la géométrie du fuselage T en fonction de mesures effectuées par les moyens de mesure 4 à l'endroit du dépôt afin de 20 prendre en compte les spécificités géométriques (jeux d'assemblages, irrégularités de surfaces...) dudit fuselage T. En référence à la figure 1, les moyens de mesure 4 comprennent au moins un scanner tridimensionnel 30 configuré pour scanner des zones du fuselage T, ainsi que deux bases 25 de données DB1, DB2 contenant chacune des données, sous forme de coordonnées de points, obtenues par modélisation assistée tridimensionnelle d'un fuselage virtuel Tg qui est un modèle générique du fuselage T. Contrairement au fuselage T réel, le fuselage virtuel Tg est un modèle parfait dont les assemblages entre les éléments le constituant ne présentent aucun jeu. 30 Les données de la première base de données DB1 comprennent la modélisation de tous les éléments formant le fuselage virtuel Tg, notamment sa structure primaire (cadres, lisses, peau, traverses, ...) et sa structure secondaire (plancher, supports, montants...). En outre, des ensembles de points adjacents représentant les positions prédéterminées Z1....,Zn sur 3022527 4 le fuselage virtuel Tg sont enregistrées dans la première base de données DB1. En référence avec la figure 3, une position prédéterminé Z1 (hachurée sur la figure 3) enregistrée dans la première base de données DB1 comprend, par exemple, les données de modélisation tridimensionnelle de deux lisses longitudinales 10 et de deux cadres 12. 5 Chacun des deux cadres 12 repose perpendiculairement sur les lisses 10 au niveau de la semelle 12a du cadre et les deux cadres 12, bien que situés dans un même plan, sont non jointifs. La peau 13 est rapportée sur la semelle 10a des lisses 10. Les données de la seconde base de données DB2 comprend la modélisation virtuelle de la 10 pièce, y compris ses spécifications de tenue mécanique, dit modèle virtuel de la pièce, à fabriquer sur chaque zone prédéterminée Z1,..,Zn. En référence avec la figure 4 et en reprenant l'exemple précédant, le modèle virtuel de la pièce à fabriquer sur la zone prédéterminé Z1 correspond à une éclisse 14 reposant sur chacun des deux cadres 12, de telle sorte que l'éclisse 14 forme une jointure entre les deux cadres pour les coupler l'un à 15 l'autre. Un scanner tridimensionnel 30 est prévu, en utilisation, pour scanner des zones du fuselage T et ainsi collecter des coordonnées réelles d'une pluralité de points des zones scannées. Les points collectés sont ensuite transmis à l'unité centrale 2 qui en utilisation, calcule un 20 maillage surfacique, dit maillage réel MR, de la zone scannée. De préférence, un scanner tridimensionnel 30 est à technologie sans contact optique, du type laser, photogrammétrie, ou encore vidéogrammétrie et analyse une zone située à une distance comprise entre 5 cm et 1 m dudit scanner et peut scanner une zone d'un diamètre de 1 m à une distance de 1 m. On notera sur la figure 2, que le dispositif 1 comprend un unique scanner tridimensionnel 25 30 monté à l'extrémité libre 20 du bras articulé 5. Selon l'invention, et comme cela sera détaillé plus loin avec un exemple de fabrication d'une éclisse, les dimensions du modèle virtuel de la pièce enregistré dans la seconde base de données DB2, ledit modèle formant un gabarit, est ajustée par l'unité centrale 2 en fonction des données réelles fournies par le scanner tridimensionnel 30 afin de fabriquer une pièce adaptée aux spécificités 30 géométriques du fuselage T. Les moyens de déplacement 3 comprennent des moteurs électriques et des servocommandes associés aux roues 14 et permettant de déplacer ces dernières. 3022527 5 L'unité de positionnement 7 est de tout type connu, et est par exemple une unité de positionnement optique par analyse d'images, potentiellement combinée à une unité de positionnement par onde (de type radiofréquence lorsque des étiquettes radiofréquence sont arrangées sur le plancher du fuselage, ou de type triangulation via un réseau maillé de 5 communication sans fil...). En utilisation, l'unité de positionnement 7 fournit des données de positionnement à l'unité centrale 2 qui détermine la position du dispositif 1 dans le fuselage virtuel Tg à partir des données enregistrées dans la première base de données DB 1. 10 Les moyens de dépôt de matière 6 permettent le dépôt direct de matière plastique ou métallique couche après couche sur une position prédéterminée Z1, ...,Zn et sont associés au bras articulé 5. Ce dernier, illustré à la figure 5, comprend une tête pivotante 21 fixée à l'extrémité libre 20 du bras ainsi qu'une pluralité d'articulations conférant au moins six degrés de libertés à la 15 tête pivotante 21, permettant à cette dernière d'être orientée et déplacée dans toutes les directions par rapport au châssis 11. Le mouvement du bras articulé 5 est assuré par des servocommandes et des moteurs pilotés par l'unité centrale 2. Les moyens de dépôt de matière 6 sont par exemple prévus pour la mise en oeuvre d'un procédé de construction laser additive directe par dépôt de poudre métallique fondue et 20 comprennent alors une buse coaxiale 41 montée à l'extrémité libre de la tête pivotante 21, un système de distribution de poudre métallique 42, un système de distribution de gaz neutre 43 et un laser 44 arrangé dans la buse 41 de sorte à émettre un rayon au travers de l'ouverture libre 41a de la buse. 25 Le système de distribution de poudre métallique 42 ainsi que le système de distribution de gaz neutre 43 comprennent chacun une pompe (non représentée sur les figures) arrangée dans le châssis, un ombilic amont et un ombilic aval (non représentés sur les figures). L'ombilic amont relie la pompe à un réservoir externe au dispositif 1, respectivement de poudre métallique ou de gaz neutre. L'ombilic aval est quant à lui fixé au bras articulé 5 et 30 relie la pompe à la buse 41 de sorte que, respectivement des grains de la poudre métallique ou le gaz neutre, puissent être éjectée via l'ouverture libre 41a de la buse sous l'effet de la pompe. A titre d'exemple, le gaz neutre utilisé est de l'argon, les grains constituant la poudre 3022527 6 métallique sont sphériques avec une granulométrie comprise entre 45 et 150 jam où le métal est par exemple une nuance de Titane ou encore d'Aluminium. Le laser 44 a une puissance moyenne comprise entre 500 Watts à 6000 Watts. 5 La fabrication, au moyen du dispositif 1, d'une éclisse métallique à la jointure entre deux cadres 12 sur une position prédéterminée Z1 afin de coupler les deux cadres 12 l'un à l'autre va maintenant être décrite en relation avec la figure 6. On considèrera que le dispositif 1 selon l'invention est disposé sur le plancher 50 d'un fuselage T. 10 Dans une première étape El qui correspond à la mise en marche du dispositif 1, l'unité centrale 2 met en oeuvre un programme dédié pour fabriquer une éclisse métallique directement sur une position prédéterminée Z1 d'un fuselage T, ladite position étant modélisée dans la première base de données DB1. Selon le programme mis en oeuvre par l'unité centrale 2, cette dernière utilise les données 15 de modélisation de la première base de données DB1 pour calculer les déplacements et la position du dispositif 1 dans le fuselage T à partir des données fournies par l'unité de positionnement 7. Dans une seconde étape E2, l'unité centrale 2 calcule, en consultant la première base de données DB1, un trajet que doit prendre le dispositif 1 afin de que son bras articulé 5 ait 20 une portée suffisante pour atteindre la zone prédéterminé Zl. L'unité centrale 2 envoie, une fois ce calcul effectué, des consignes aux moyens de déplacement 3 afin que le dispositif 1 se déplace au niveau du point final du trajet. Il est à noter que la portée du bras articulé 5 est déterminée en fonction des dimensions dudit bras et du débattement de ses articulations et est une donnée enregistrée dans les mémoires de l'unité centrale 2. 25 Dans une troisième étape E3, l'unité centrale 2 envoie des consignes aux moteurs et servocommandes du bras articulé 5 de sorte à placer la buse 41 à proximité ( REVENDICATIONS1°) Procédé de fabrication directe d'au moins une pièce à une position prédéterminée (Z1, ...Zn) d'une structure (T), ledit procédé comprenant les étapes successives suivantes : a) scan, via un scanner tridimensionnel (30), de la structure au niveau de la position prédéterminée (Z1) ; b) comparaison, par une unité centrale (2), d'un maillage surfacique virtuel (MV) de la position prédéterminée (Z1, ...Zn) avec un maillage surfacique réel (MR) de ladite position prédéterminée, ledit maillage surfacique virtuel (MV) étant calculé par l'unité centrale (2) à partir de données de modélisation enregistrées dans une première base de données (DB1) et ledit maillage surfacique réel (MR) étant calculé par l'unité centrale à partir de données obtenues suite au scan réalisé à l'étape a) ; c) détermination, par l'unité centrale (2), des écarts (d) entre lesdits deux maillages, lesdits écarts étant représentatifs de jeux d'assemblages présent dans la structure; d) calcul, par l'unité centrale (2), des données de modélisation d'une pièce, dite pièce intercalaire (INT), dont les dimensions comblent lesdits écarts calculés à l'étape c) afin d'obtenir un modèle d'une pièce intercalaire ; e) fusion, par l'unité centrale (2), d'un modèle virtuel d'une pièce (14) associée à ladite position prédéterminée (Z1, ...Zn) enregistré dans une seconde base de données (DB2) avec le modèle de la pièce intercalaire (INT) calculé à l'étape d) afin d'obtenir un modèle d'une pièce ajustée, dit modèle ajusté (AJST), à la géométrie de la structure (T) au niveau de la position prédéterminée (Z1, ...Zn); f) fabrication par dépôt de matière, par des moyens de dépôt (6), de la pièce ajustée sur la position prédéterminée (Z1, ...Zn) à partir du modèle ajusté (AJST) calculé à l'étape e. 2°) Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le procédé comprend un étape, préalable à l'étape a), de déplacement dans la structure (T) via des moyens de déplacement (3), du scanner tridimensionnel (30) et des moyens de dépôt (6) au niveau de la position prédéterminée. 3022527 12 3°) Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 2, caractérisé en ce que la structure comprend au moins un trou (12c) au niveau de la position prédéterminée (Z1) scannée à l'étape a), le procédé comprend : - une étape supplémentaire e', successive à l'étape e, dans laquelle l'unité centrale (2) 5 calcule une projection du au moins un trou (12c) et reporte la projection du au moins un trou sur le modèle ajustée (AJST) ; - à l'étape f, la pièce ajustée est fabriquée en excluant un dépôt de matière à l'emplacement de la projection du au moins un trou de sorte que la pièce ajustée fabriquée comprend un trou (14c) traversant concentrique avec chaque trou de la 10 structure (T). 4°) Procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que l'étape f) comprend la mise en oeuvre d'un procédé de construction laser additive directe par dépôt de poudre métallique ou plastique fondue. 15 5°) Dispositif (1) pour la mise en oeuvre du procédé de fabrication directe d'au moins une pièce à une position prédéterminée (Z1, ...Zn) sur une structure (T) selon l'une quelconque des revendications précédentes, ledit dispositif comprenant une unité centrale (2), caractérisé en ce qu'il comprend des moyens de dépôt de matière (6), des 20 moyens de mesure (4) comprenant au moins un scanner tridimensionnel (30) ainsi qu'une première et une seconde base de données (DB1, DB2), la première base de données comprenant des données de modélisation d'une structure virtuelle (Tg) et la seconde base de données comprenant un modèle virtuel d'une pièce (14) à fabriquer sur ladite position prédéterminée (Zl...Zn), ledit au moins un scanner (30) fournissant 25 à l'unité centrale (2), en utilisation, des données relatives la géométrie de la position prédéterminée (Z1 ...Zn), l'unité centrale (2) étant conçue pour calculer un modèle d'une pièce ajustée (AJST) à partir du modèle virtuel (14) et des données fournies par le au moins un scanner (30) et pour commander les moyens de dépôt de matière (6) pour la fabrication d'une pièce par dépôt de matière sur la position prédéterminée (Z1, 30 ...Zn) selon le modèle de la pièce ajustée (AJST). 6°) Dispositif selon la revendication 5, caractérise en ce qu'il comprend en outre des moyens de déplacement (3) commandés par l'unité centrale (2). 3022527 13 7°) Dispositif selon l'une quelconque des revendications 5 à 6, caractérisé en ce qu'il comprend un bras articulé (5), ledit au moins un scanner (30) étant monté sur le bras articulé 5 8°) Dispositif selon l'une quelconque des revendications 5 à 7, caractérise en ce que les moyens de dépôt de matière (6) comprennent une buse coaxiale (41) montée à une extrémité libre (21) du bras articulé et un système de distribution de poudre (42) pour amener la poudre vers une ouverture libre (41a) de la buse coaxiale (41) 10 9°) Dispositif selon la revendication 8, caractérise en ce que la poudre est choisi parmi une poudre plastique ou une poudre métallique. 10°) Dispositif selon la revendication 8, caractérise en ce que la poudre est une poudre 15 métallique, les moyens de dépôt de matière (6) comprennent en outre un système de distribution de gaz neutre (43) et un laser (44) arrangé dans la buse (41) de sorte à émettre un rayon au travers de l'ouverture libre (41a) de la buse. 20