Industrialisation d’une éolienne

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1 Industrialisation d’une éolienne
D. Taraud Industrialisation d’une éolienne Questions et réflexions sur la spécification d’un produit dans un environnement numérique, sa cotation ISO et ses conséquences sur sa fabrication

2 Besoin CdCF produit Produit Processus Matériau Procédé Moyens
Pré conception du produit Conception détaillée pièce Pré conception de la pièce détaillée produit Par pièce, spécification dimension- nelle et géométrique critique spécifiée pièce Validation d’un principe d’outillage Par pièce, analyse de la relation produit – matériau – procédé Par pièce, élaboration du processus prévisionnel, validation du procédé, définition d’un brut capable Choix des moyens Étude, réalisation et qualification des outillages Définition du processus et des paramètres de production Validation du processus par simulation Optimisation du processus Rédaction du dossier d’industrialisation Élaboration CdCF outillage Conception spécifiée pièce Validation d’un principe d’outillage Qualification du produit Configuration des moyens Lancement de la production Production Gestion des ressources humaines et matérielles Contrôle et suivi de la production

3 Quelques constats… L’éducation nationale ne cote plus, ou presque… après les périodes de cotation géométrique complète, de la cotation fonctionnelle unidirectionnelle , les pratiques dans ce domaine se réduisent au savoir-faire de quelques spécialistes en CPI et Productique… La maîtrise de la qualité des procédés et des processus, de la capabilité des moyens de production questionnent fortement les démarches de cotation fonctionnelles « pures »… Les pratiques industrielles de cotation, pragmatiques, fondées sur l’expérience locale , visant à l’opérationnalité immédiate et rarement formalisées ne peuvent pas servir de modèle de formation… Le concept GPS et la cotation ISO associée, l’apprentissage de leur maîtrise et de leur codification renforcent cette impression de difficulté…

4 Quelques réflexions prospectives…
Pourquoi la CAO volumique, qui bouleverse les modes de conception, n’aurait aucune influence sur les spécifications ? Pourquoi «coter» des volumes géométriquement parfaits, définis de façon mathématiquement juste ? Comment prendre en compte l’augmentation exponentielle de la précision et de la répétabilité des moyens de production modernes? Pourquoi la spécification fonctionnelle d’un produit ne serait pas prise en compte dans les processus de fabrication

5 Des propositions d’études…
Un exemple concret : une éolienne pour bateaux de plaisance, fortement optimisée du point de vue de son industrialisation, intégrant des pièces de toutes formes, tous matériaux, tous procédés… Zoom sur une pièce particulière, le support tournant en alliage d’aluminium retenu pour son processus de fabrication double (fonderie et usinage) Mise en relief de concepts nouveaux à valider dont l’intérêt pourrait être de formaliser des démarches de formations intégrant les différents points de vue du concepteur et des fabricants…

6 Industrialisation d’une éolienne
1ère partie Industrialisation d’une éolienne De l’expression du besoin à la maquette de conception préliminaire

7 Principe retenu Dynamo Pales Girouette Vent Liaison Pivot
Liaison complète réglable Raccord électrique tournant

8 Squelette numérique fonctionnel

9 Structure fonctionnelle de l’éolienne

10 Maquette numérique de conception préliminaire de l’ensemble

11 Conditions fonctionnelles géométriques et dimensionnelles
T1 et T2 T5 S1 C4 4 J2 1 3 T3 et T4 C3 J1 2

12 Industrialisation d’une éolienne
2ème partie Industrialisation d’une éolienne Optimisation de la relation produit matériau procédé d’une pièce

13 Environnement du support tournant
Rotor dynamo Dérive Stator dynamo Carter Axe stator Support tournant Support tournant Collecteur tournant Support fixe

14 FAST d’analyse de conception
Convertir l’énergie cinétique du vent en électricité Convertir l’énergie cinétique du vent en énergie mécanique Convertir l’énergie mécanique en électricité S’orienter par rapport au vent selon le rendement optimal Transmettre l’électricité produite Hélice à pales à pas fixe Dynamo Orienter l’hélice par rapport au mat Support tournant et dérive Collecteur électrique tournant Permettre la rotation de l’éolienne Guider l’hélice Supporter le carter de protection Supporter les raccord tournant Positionner et maintenir la dérive Permettre le passage des fils

15 Bilan des contraintes fonctionnelles
Fonctions associées au support Solution technique Contraintes fonctionnelles Niveau de flexibilité Orienter l’hélice par rapport au mat L’axe de rotation de l’hélice et à l’axe du mat sont perpendiculaires et concourants Support en une pièce positionnant les deux axes CF1 : 1 perpendiculaire et concourant à 2 (1, 2) < 1mm  ( 1,  2) < 3° Permettre la rotation de l’éolienne Guider le support en rotation Montage de roulements CF2 : 2 coaxial à 4  ( 1,  2) < 0,05 mm Arrêter le support en translation Epaulement et circlips CF3 : Jeu de fonctionnement J1 J1 = ] 0, 1mm] Maintenir l’hélice et régler l’entrefer Créer une liaison pivot glissant entre support et axe d’hélice Emmanchement cylindrique CF4 : C3 coaxial à C4 CF5 : Jeu diamétral J2  (3, 4) < 0,1mm J1 = ] 0; 0,2mm] Blocage en position de l’axe d’hélice par vis de pression 2 vis de pression CF6 : Trous taraudés appartenant au plan diamétral P1  (T1, T2, P1) < 1mm Supporter les peignes du raccord tournant Créer des liaisons complètes entre supports de peigne et support 2 trous taraudés 1 surface de contact de mise en position axiale CF 7 : T3 et T4 ont des axes concourants et perpendiculaires à 4 La surface d’appui est perpendiculaire à T3 et T4 et parallèle à 3  (T1, T2, P2) < 1mm d(T3, T4) < 0,5 mm D(Sa, 4) < 0,5 mm  (Sa,  3) < 3° Permettre le passage des fils électriques Prévoir ouverture de passage des fils dans le support Trou CF8 : T5 : Trou de passage 10 * 10 mini Dimensions indifférentes, éviter arêtes agressives Supporter le carter de protection Prévoir surface de butée entre carter et support Epaulement CF9 : H = 3 mini Simple butée Positionner et maintenir la dérive Créer une surface d’appui dans le plan diamétral vertical Surface plane « verticale » CF 10 : S1 coplanaire plan diamétral vertical P2  (S1, P2) < 1mm Prévoir fixation complète par éléments filetés 2 vis de fixation Aucune Positions indifférentes

16 Relation produit matériau procédé du support tournant
Une méthode d’optimisation de la relation produit matériau procédé du support tournant peut être menée à l’aide d’une démarche spécifique

17 Résultat du couple retenu pour le support tournant
Contraintes : Résistance conditions marines Résistance mécanique normale Production moyenne série Optimisation des coûts Matériau : Alliage d’aluminium Légèreté Résistance aux éléments extérieurs Résistance mécanique Usinable pour guidages précis Fonderie coquille métallique par gravité Etats de surface corrects Précision dimensionnelle suffisante avec reprises d’usinages limités Coûts intéressants en moyenne série

18 Validation du principe d’outillage
Demie coquille avec poignards Zones de décarottage Support et ses attributs de coulée Demie coquille sans poignards

19 Modèle nominal de conception détaillée du support tournant
Support brut Support usiné

20 Intégration des contraintes associée aux usinages
Pas de possibilité de diminuer le nombre de directions d’approches… Validation du brut de fonderie et des usinages associés Direction d’approche 1 Direction d’approche 2 Direction d’approche 3

21 Analyse des contraintes fonctionnelles critiques compte tenu du procédé
Niveau de flexibilité Analyse des contraintes CF1 : 1 perpendiculaire et concourant à 2 (1, 2) < 1mm  ( 1,  2) < 3° Empilement de liaisons, risque de non respect CF2 : 2 coaxial à 4  ( 1,  2) < 0,05 mm Montage de roulements, besoin de précision CF3 : Jeu de fonctionnement J1 entre circlips et bague de roulement J1 = ] 0, 1mm] Peu de charges, fonctionnement unilatéral, peu de risques CF4 : C3 coaxial à C4 CF5 : Jeu diamétral J2  (3, 4) < 0,1mm J1 = ] 0; 0,2mm] Conditions d’assemblages à respecter CF6 : Trous taraudés appartenant au plan diamétral P1  (T1, T2, P1) < 1mm Pas de fortes contraintes de précision, position peu critique CF 7 : T3 et T4 ont des axes concourants et perpendiculaires à 4 La surface d’appui est perpendiculaire à T3 et T4 et parallèle à 3  (T1, T2, P2) < 1mm d(T3, T4) < 0,5 mm D(Sa, 4) < 0,5 mm  (Sa,  3) < 3° Orientation et position des balais assez précise pour le bon fonctionnement CF8 : T5 : Trou de passage 10 * 10 mini Dimensions indifférentes, éviter arêtes agressives Aucune contrainte CF9 : H = 3 mini Simple butée d’arrêt du carter CF 10 : S2 usinée pour esthétique et sécurité Minimum de matière avec la gorge de circplis Peu précis

22 Surfaces fonctionnelles à privilégier en cotation
Existe-t-il des surfaces qui seraient plus importantes que d’autres dans la cotation fonctionnelle du support…? Quantitativement : de par le nombre de fois où elles interviennent dans le respect d’une contrainte fonctionnelle Qualitativement : de par l’importance de leurs caractéristiques géométriques, dimensionnelles… Si oui, il faut les identifier avant de spécifier fonctionnellement le support de manière à privilégier une cotation partant de ces surfaces prépondérantes

23 Typologie des surfaces en conception
Epaulement Surfaces géométriques Trou de fixation Surfaces fonctionnelles Surfaces influentes Alésage Surfaces prépondérantes Portée de roulement Surfaces de départ de la cotation

24 Recherche des surfaces prépondérantes
Question ? Si il existe une ou plusieurs surfaces prépondérantes appartenant au support, comment les identifier ? Réponse En analysant chaque contrainte fonctionnelle critique En identifiant pour chaque contrainte les surfaces influentes En recherchant les surfaces influentes les plus utilisées

25 Graphe des liaisons Support Support vertical Hélice rotor Axe stator
Pivot Pivot glissant Vis pression Contact ponctuel Hélicoïdal Hélice rotor

26 Surfaces influentes du support tournant
H I J C2 C1 G S2 T3 T4 S1 S3

27 Surfaces influentes sur le support fixe

28 Surfaces influentes sur l’axe stator
M1 M2 C3

29 Bilan partiel des surfaces influentes du produit éolienne
H Vis pression Support T5 T1 H2 S1 T2 S2 G S7 T3 C1 S4 T4 C4 C2 Support vertical S5 C3 Axe stator M1 C5 M2 C6 S6 Hélice rotor

30 Analyse des contraintes fonctionnelles CF1
CF1 : 1 perpendiculaire et concourant à 2 (1, 2) < 1mm  ( 1,  2) < 3° Vis pression H2 S7 1 2 4 3 Support C4 H T1 T2 G C1 C2 T5 S1 S2 T3 T4 C 3 US2 C5 C6 US1 (2) Axe stator M1 C3 M2 CF1 C3 (1) Support vertical S4 S5 C5 C6 S6 CF1 C4 (3) C1 C2 US2 (4) US1

31 Analyse des contraintes fonctionnelles CF2
CF2 : 2 coaxial à 4  ( 1,  2) < 0,05 mm Vis pression H2 S7 1 2 4 3 Support C4 H T1 T2 G C1 C2 T5 S1 S2 T3 T4 US1 C5 C6 CF2 US1 US2 C1 C2 C3 Axe stator M1 M2 Support vertical S4 S5 C5 C6 S6 US2

32 Analyse des contraintes fonctionnelles CF4
CF4 : C3 coaxial à C4 et jeu diamétral J2  (3, 4) < 0,1mm J1 = ] 0; 0,2mm] Vis pression H2 S7 1 2 4 3 Support C4 H T1 T2 G C1 C2 T5 S1 S2 T3 T4 C3 Axe stator M1 M2 Support vertical S4 S5 C5 C6 S6 C3 C4 CF4

33 Analyse des contraintes fonctionnelles CF6
CF 6 : T3 et T4 ont des axes concourants et perpendiculaires à 4 La surface d’appui est perpendiculaire à T3 et T4 et parallèle à 3  (T1, T2, P2) < 1mm d(T3, T4) < 0,5 mm D(S2, 4) < 0,5 mm  (S2,  3) < 3° Vis pression H2 S7 1 2 4 3 Support C4 H T1 T2 G C1 C2 T5 S2 S1 T3 T4 T3 T4 CF6 US2 C1 C2 C4 S2 US2 C3 Axe stator M1 Support vertical S4 S5 C5 C6 S6 M2

34 Bilan des relations fonctionnelles entre surfaces influentes par condition
CF1 C4 US1 US2 C1 C2 C3 C4 CF4 T3 T4 CF6 US2 C1 C2 C4 S2 C5 C6 CF2 US1 US2 C1 C2

35 Graphe de contraintes relatif au produit
Graphe récapitulant les contraintes fonctionnelles relatives au produit devant être respectées… Identifie les surfaces concernées dites surfaces influentes Exprime des associations fonctionnelles de surfaces construites artificiellement C3 C5 C6 CF1 C4 US1 US2 C1 C2 CF6.a CF4 T3 T4 S2 CF6.b CF2

36 Surfaces influentes et surfaces prépondérantes
US1 US2 CF1 1 CF2 CF4 CF6.a CF6.b Bilan 3 2 Surfaces prépondérantes de l’embase à privilégier en cotation et fabrication

37 Surfaces prépondérantes du support
CF1 C4 US1 US2 C1 C2 CF6.a CF4 T3 T4 S2 CF6.b CF2 C4 C2 C1 US2

38 Industrialisation d’une éolienne
3ème partie Industrialisation d’une éolienne Arbre de cotation critique et spécifications ISO

39 Contraintes fonctionnelles critiques
Niveau de flexibilité CF1 : 1 perpendiculaire et concourant à 2 (1, 2) < 1mm  ( 1,  2) < 3° CF2 : 2 coaxial à 4  ( 1,  2) < 0,05 mm CF4 : C3 coaxial à C4 et jeu diamétral J2  (3, 4) < 0,1mm J1 = ] 0; 0,2mm] CF 6.a : T3 et T4 ont des axes concourants et perpendiculaires à 4  (T1, T2, P2) < 1mm d (T3, T4) < 0,5 mm CF6.b : La surface d’appui est perpendiculaire à T3 et T4 et parallèle à 3 d (S2, 4) < 0,5 mm  (S2,  3) < 3°

40 Géométrie critique du produit
Surfaces géométriques participant à la spécification critique du produit C3 C4 S2 T3 T4 C5 C1 C6 C2

41 Graphe des surfaces influentes produit et pièce
CF1 C4 US1 US2 C1 C2 CF6.a CF4 T3 T4 S2 CF6.b CF2 C4 US2 C1 C2 CF6.a T3 T4 S2 CF6.b Arbre de cotation du support

42 Traitement de la condition CF1
CF1 : 1 perpendiculaire et concourant à 2 (1, 2) < 1mm  ( 1,  2) < 3° C5 C6 1 2 4 3 CF1 C3 US1 C4 US2 C1 C2

43 Traitement de la condition CF1 relative au support
CF6.a T3 T4 S2 CF6.b B A Codification ISO A Cylindres, dont les éléments de situation sont des droites qui doivent coïncider B Relation «droite/ droite» coïncidentes créant une union de surfaces US2 ISO

44 Traitement de la condition CF1 relative au support
CF6.a T3 T4 S2 CF6.b ø ø1 ø2 B A C Codification ISO Cylindres, dont les éléments de situation sont des droites perpendiculaires et concourantes D C Relation «droite droite» perpendiculaires et concourantes

45 Traitement de la condition CF2
CF2 : 2 coaxial à 4  ( 1,  2) < 0,05 mm C5 C6 2 4 US1 CF2 US2 C1 C2

46 Traitement de la condition CF2 relative au support
CF6.a T3 T4 S2 CF6.b B A Ø Aj Codification ISO Cylindres, dont les dimensions doivent coïncider avec les roulements Coïncidence C1-C2 : fait en CF1 Ø Aj Relation dimensionnelle entre alésages et bagues de roulement : ajustement

47 Traitement de la condition CF4
CF4 : C3 coaxial à C4 et jeu diamétral J2  (3, 4) < 0,1mm J1 = ] 0; 0,2mm] 1 2 4 3 øAj Codification ISO CF4 C3 C4 Relation dimensionnelle entre alésage C4 et axe de stator Ø Aj

48 Traitement de la condition CF6
CF 6.a : T3 et T4 ont des axes concourants et perpendiculaires à 4  (T1, T2, P2) < 1mm d(T3, T4) < 0,5 mm C4 CF6.b : La surface d’appui est perpendiculaire à T3 et T4 et parallèle à 3 d (S2, 4) < 0,5 mm  (S2,  3) < 3° 1 2 4 3 d S2 T3 T4 US2 C1 C2

49 Traitement de la condition CF6.a
US2 C1 C2 D D T4 Codification ISO Relation «droite- droite» perpendiculaires et concourantes : Fiche 9.3 Cylindres T3 et T4 D T4 Union des cylindres C1 et C2

50 Traitement de la condition CF6.b
S2 d D D T4 T4 Codification ISO Cylindres T3 et T4 Relation «droite- plan» perpendiculaires : Fiche 13.2 T4 T1 Plan S2

51 Traitement de la condition CF6.c
S2 d Codification ISO Cylindre C4 Relation «droite- plan» parallèles et à distance : Fiche 12.1 d T4 C4 Plan S2 C4

52 Cotation critique du support
ø1 ø2 B A ø C D D

53 Arbre de cotation critique relatif au support
Arbre de cotation du support Aj

54 Codification ISO Tolérance générale ISO

55 Dossier de fin de conception détaillée d’une pièce
Conception spécifiée de la pièce : Maquette numérique (cotes nominales ou moyennes, à préciser) Cotation critique : arbre de cotation et plan

56 Dossier de fin de conception détaillée d’une pièce
Programme de production prévisionnel Processus de fabrication prévisionnel : Validation du principe d’outillage Axes d’approches en usinage 1000 pièces par an par lots de 100 durant 3 ans Coquille métallique : 2 directions de tiroirs 2 zones de décarottage Usinages complémentaires : 3 axes d’approche

57 Vers un nouveau savoir-faire en cotation ?
Maquette numérique produit Maquette numérique pièce Cotation nominale ou moyenne intrinsèque Pour l’assemblage Arbre d’assemblage Graphe des contraintes fonctionnelles critiques Pour chaque pièce Arbre de construction Arbre de cotation critique Cotation critique explicite Indice de tolérancement général ISO