Machine-outil, la mécanique

Avec un ami, Igor, nous avons développé une machine-outil de gravure mécanique (photo) orientée pour l’horlogerie manufacturière.

gravure mécanique, nouvelle machine-outil

Pourquoi concevoir une « nouvelle » machine ?

Plusieurs raisons nous ont conduit, dans les années 2010-2015, sur la voie d’une nouvelle machine de gravure mécanique

  • Igor, utilisateur professionnel via sa société Fatio-Gravage Sàrl, de ce type de machines, ne trouvait pas son bonheur sur le marché. Ci-dessous un échantillon des travaux, les photos des pièces sont en sortie de machine, pas d’autre traitements hormis la gravure
  • Les fabricants de machines-outils ont une vue de rentabilité relativement semblable et donc les produits se différencient plus sur le prix que sur le résultat.
  • Une tendance à cette époque d’un retour de la gravure mécanique.
  • La taille des objets à fabriquer (à graver) permettait un développement accessible pour un budget « acceptable ».
  • On avait un exemple d’une machine ancienne au concept spécifique gravure.

L’ancienne machine

Igor avait repris l’entreprise Orco Systems (ancien fabriquant de machine) et produisait en sous-traitance (chut on ne doit le dire …..) pour Jeager-LeCoultre, Piaget, Vacheron Constantin, etc des gravures et/ou squelettes pour ces prestigieuses marques. Son problème étant que les machines Orco vieillissaient et impossible de trouver une machine du marché capable de répondre à ses exigences.

Pour prolonger la vie de ces anciennes machines, voir photo. On commença par rétrofiter une des machines d’Igor, mais après plusieurs déboires et discussions :-)), on se décida à produire une nouvelle machine.

gravure mécanique, ancienne machine-outil

La nouvelle machine

Voici les points à améliorer par rapport à l’ancienne, les quatres derniers points sont traités dans l’article sur la commande de la machine, la CNC

  1. Insensibilité au monde externe et stabilité
  2. Fluidité des mouvements.
  3. Facilité du nettoyage.
  4. Accessibilité à la zone de travail.
  5. Moins d’un mètre carré sol et doit passer une porte standard sans démontage.
  6. Facilité d’apprentissage.
  7. Option sans surcoût CNC.
  8. Standard dans les formats de fichiers transmis à la machine.
  9. Connexion externe au standard informatique et remontée d’information.

Insensibilité au monde externe et stabilité

Ce monde externe, c’est tout ce qui peut par une chute d’outil, un pas trop marqué, un camion qui passe ou une autre machine amener des vibrations, des mouvements intempestifs au niveau de la gravure.

Nous avons choisi de suspendre complètement la machine pour éviter la transmission des vibrations externes. La machine fut donc séparée en deux parties : un châssis et un bloc de base.

Pour la stabilité, c’est dans le sens de l’inertie (masse, « insensibilité » à la température, poids), nous avons donc maintenu l’idée de l’ancienne machine: un bloc de marbre comme bloc de base.

châssis nouvelle machine

Pour l’anecdote, on a mis plus de pieds seulement pour le look et rassurer le client, mais quatre étaient vraiment nécessaires. L’écran tactile, qui est l’interface de commande de la machine, est lui directement fixé au châssis tubulaire afin de l’isoler au mieux la zone de gravure.

Fluidité des mouvements

Le terme de fluidité pour les mouvements est prendre dans le sens : « pas d’à-coups ». En gravure mécanique le moindre mouvement intempestif se traduit par une marque d’usinage ou à la casse de l’outil. Malheureusement la casse de l’outil est relativement fréquente vu les faibles dimensions des pointes de gravure.

Chaque point est important pour sauvegarder cette fluidité, par exemple, pour équilibrer le mouvement vertical descendant ou ascendant de la broche, nous avons choisi une compensensaion magnétique du poids du chariot de l’axe Z. Pourquoi ? Parce que cette compensation est complètement liénaire donc non fonction de la position.

gravure mécanique, outil de gravage

Petite métaphore, pour expliquer la liaison entre la vitesse des axes de la machine et la régulation de leurs mouvements.

métaphore régulation moteurs

Si vous ne voulez pas les réveiller, vous adapterez votre régime moteur (sa vitesse de rotation) avec le bon rapport. Comme le rapport 1 pour la vitesse de 10 km/h, sinon les à-coups secoueront vos passagers ! Comme pour les moteurs de voiture, les moteurs électriques se régulent bien que dans une certaine plage de vitesse. En gravure l’outil (vu sa finesse) n’avance pas vite dans la matière et donc il est essentiel d’avoir une très bonne régulation en basse vitesse d’usinage. Dans l’industrie de la machine-outil, les vitesses des axes les plus élevées possibles sont généralement la règle. Nous avons dans un premier temps démultipliés la vitesse de rotation des moteurs pour pouvoir utiliser du matériel industriel standard (diminution du risque technique) mais nous avions amorcé une voie plus adaptée (moteur/driver) à notre besoin.

Pour obtenir de la précision on peut avoir un système mécaniquement peut stable et compenser par divers moyen électronique/informatique ou au contraire maximiser la stabilité mécanique et faiblement compenser. Il nous est apparu plus sûr d’avoir une base mécanique extrêmement sûr pour pouvoir par exemple se passer de règle de contrôle que l’on installait si le client le voulait.

Facilité de nettoyage et grande accessibilité

Métaux précieux et haute horlogerie vont de paire, donc lors de l’usinage ou de la gravure, une récupération des copeaux est exigée. Qui dit récupération, parle de filtrage des liquides de refroidissment et du nettoyage de la machine. Pour quiconque ayant travaillé sur une machine-outil, classique comprendra facilement la difficulté d’un nettoyage pour récupérer la matière usinée. Avec ce problème de récupération des matière, la rentabilité d’une machine ne se mesure pas seulement à la vitesse des déplacements des axes, mais tient compte du temps de nettoyage (récupération d’un type de matière) entre chaque type de travail. Outre la facilité du nettoyage, si vous avez un accès difficile à la zone de travail, ce nettoyage ne sera pas simple.

Ce que l’on constate facilement, c’est que les câbles et tuyaux sont autant de recoins difficiles à nettoyer, donc on les a supprimés (caché en réalité). Comme très souvent en usinage et gravure, on travaille sous un flux de liquide de refroidissement, donc la filtration et le changement de bac à huile (liquide de refroidissement souvent utilisé en horlogerie) doit être simple et rapide. Bac amovible avec deux décanteur, posé sur rails de tiroir.

bac à huile, nouvelle machine-outil

Nous avons conçu un capot entièrement en matière transparente, ceci pour diverses raisons :

  • Pouvoir profiter de la luminosité de l’atelier au plus près de la gravure.
  • Enlever ce capot très facilement, une personne de chaque coté et hop on soulève !
  • Avoir une grande porte qui fait pratiquement la largeur de la machine.
  • Adaptable aisément pour adjoindre un accessoire, un robot ou un automate.

L’éclairage de la zone de travail revêt une grande importance pour la gravure, tant d’un point de vue de contrôle de la qualité de l’usinage que de l’ensemble de la gravure. Il ne faut pas oublier que très souvent la gravure est avant tout une affaire d’esthétisme et que le seul vrai moyen de contrôle est l’oeil humain.

En horlogerie tout se juge à la loupe d’horloger, donc il faut avoir le nez sur le travail pour bien voir, donc juger de l’aspect (luminosité et accessibilité).

Surface au sol et encombrement

En Suisse, chaque mètre carré est précieux donc cher. Nous voulions donc une machine compacte et facilement transportable (par un simple transpalette). Pas de démontage, l’idée : « transportée, posée, utilisable dans la foulée », bien sûr c’est un peu utopique, mais nous souhaitions nous approcher de cette vue de l’esprit. Un mètre carré sol avec l’opérateur, ce fût une réalité. Pour ce faire nous avons utilisé la place libre dans le chassis, pour y installer la commande numérique, les drivers des moteurs et les divers éléments pneumatiques. Comme nous n’avions pas de boutons (sauf l’arrêt d’urgence) le cablâge à fortement diminué et s’est transformé en un problème de software et d’ergonomie de l’écran tactile.

Conclusion

C’est certainement le moment de se référer à Nelson Mandela :
« Je ne perds jamais. soit je gagne, soit j’apprends. »

Une machine fonctionnelle n’est pas le seul élément pour vendre. Avec un prix vente approximatif 100’000 €, comme dans l’immobilier, le client demande une garantie financière. Ce qui est compréhensible, le client n’a comme assurance que deux personnes en face de lui, et ce, même si le produit est fantastique.
Nous avions la technique, nous avions une machine fonctionnelle, on prouvait nos affirmations, mais nous n’avions pas cette nécessaire garantie financière. En fin de compte, nous avons volontairement retiré nos offres avant que cette aventure ne tourne à un trop grand fiasco financier et la vraie conclusion de ce projet : plusieurs personnes ont appris 🙂

Pour ceux qui sont intéressés par ce développement complètement abandonné : Flyer machine


Qu’est-ce que la gravure mécanique ?

En horlogerie, mais pas seulement, pour marquer les diverses pièces ou pour les décorer, plusieurs techniques sont possibles, l’une d’elle est la gravure mécanique. Voici les principales techniques de gravures avec de courtes vidéos de visualisation.

La gravure mécanique

C’est un peu le même principe que pour la gravure manuelle, sauf que le mouvement de l’outil de gravure n’est pas pareil. La gravure main, c’est assez évident, c’est un peu pareil au mouvement de votre cuillère lorsque vous prenez un peu de glace. Dans le cas de la gravure mécanique, l’outil tourne sur lui-même et coupe un peu la matière. On reviendra plus loin sur ce principe.

La gravure manuelle.

Cette gravure s’effectue avec des outils à main et enlève des morceaux de matière (on voit réellement les copeaux), L’aspect des surfaces de la gravure est lisse. Il y a un glaçage des flancs de la gravure ce qui donne un très bel aspect.

La gravure laser

L’outil ici, c’est très souvent un « pulse » de lumière qui arrache un petit peu de matière et par là marque la pièce. Ceci provoque de minuscules cratères qui sont plus marqués en fond de gravure, c’est un piège à lumière ce qui présente un aspect visuel pas très « parfait », pas « lisse ». De plus pour creuser profondément (quelques dixièmes), il faut beaucoup d’impacts, donc plusieurs passes et cela peut-être long en définitive.

La gravure chimique

Pas de souci pour l’aspect mais le problème se situe au niveau des bords de la gravure qui présentera presque toujours un « arrondi ». L’aspect visuel pas très « propre en ordre », non « tranché » peut poser problème. Autres soucis une grande profondeur, c’est compliqué. Autre point, il faut des gabarits de protection qui n’est pas très souple lors de changement de gravure sur chaque pièce, pour la numérotation par exemple.

La gravure par micro-percussion

Les chocs peuvent poser problèmes aux pièces ou assemblages. L’aspect n’est pas très lisse du fait des coups sur la matière.