CAO et chaîne numérique

Introduction

La CAO (Conception Assistée par Ordinateur) et la chaîne numérique intégrée automatisent le passage de l'idée à la production, tout en garantissant la traçabilité et la collaboration entre bureau d'études, méthodes et atelier.

Logiciels de CAO 3D

• SolidWorks, CATIA, NX : bureaux d'études industriels.
• Fusion 360, Onshape, Inventor : cloud, PME et enseignement.
• FreeCAD, OpenSCAD : open source.
• Blender, Rhino : formes libres, design.

Modélisation paramétrique

• Basée sur des esquisses cotées (contraintes géométriques et dimensionnelles).
• Historique de fonctions : extrusion, révolution, congé, coque, patron.
• Design intent : cotations pilotantes, modifications faciles.
• Assemblages : contraintes (concentricité, coïncidence, parallélisme).

Formats et interopérabilité

• Formats natifs : SLDPRT, CATPART, IPT (propriétaires).
• Échanges neutres : STEP (AP242, ISO 10303), IGES, JT.
• Fabrication additive : STL, 3MF (recommandé, couleurs et propriétés).
• Fabrication CNC : Gcode (ISO 6983 / RS-274), STEP-NC (ISO 14649).

Chaîne numérique

1. CAO : géométrie 3D.
2. CAE : simulations (MEF, thermique, fluide).
3. CAM/FAO : génération du parcours d'outil, Gcode.
4. CIM : intégration MES/ERP, suivi production.
5. CMM : contrôle 3D par palpage.

PLM (Product Lifecycle Management)

Plateformes : Windchill, Teamcenter, Enovia, Aras Innovator.

• Gestion de versions, workflow d'approbation, nomenclatures BOM.
• Base unique pour tous les métiers (BE, méthodes, achats, SAV).

Jumeau numérique

Réplique virtuelle d'un produit ou d'un système physique, mise à jour en temps réel par les capteurs IIoT. Utilité : simulation prédictive, optimisation, maintenance.

Standards et bonnes pratiques

• GD&T (ISO 1101, ASME Y14.5) : tolérancement géométrique.
• PMI (Product Manufacturing Information) : annotations 3D lisibles machine.
• Modélisation propre : nommer les fonctions, éviter les faces overlapped, exporter STEP AP242.

Cas d'application

Reconception d'une pièce plastique en Fusion 360 :

• Esquisse paramétrique → extrusion 20 mm → coques 2 mm → congé 1 mm.
• Simulation MEF : identification zones sursollicitées.
• Export STEP → import HSMWorks → programme 3 axes.
• Compte-rendu ACV avec plugin CES EduPack.

Exemple chiffré 1 — de la CAO à la FAO

Pièce alu 6060, poche 80 × 50 × 12 mm usinée avec une fraise Ø10 mm à 3 dents.

• Vitesse de coupe conseillée $V_c = 300$ m/min → $N = \dfrac{1\,000\,V_c}{\pi D} = \dfrac{300\,000}{31{,}4} = 9\,554$ tr/min.
• Avance par dent $f_z = 0{,}05$ mm → $V_f = f_z \times z \times N = 0{,}05 \times 3 \times 9\,554 = 1\,433$ mm/min.
• Volume à enlever : $80 \times 50 \times 12 = 48\,000\ \text{mm}^3$ ; avec une passe axiale de 2 mm et radiale de 5 mm, débit copeau $Q = a_p a_e V_f = 2 \times 5 \times 1\,433 = 14\,330\ \text{mm}^3/\text{min}$.
• Temps de coupe théorique : $48\,000/14\,330 = 3{,}3$ min, majoré ~30 % (approches, finition) → ≈ 4,3 min.

Exemple chiffré 2 — impression 3D, tolérances et coût

Même pièce en FDM PETG : volume matière 32 cm³ + supports 6 cm³, densité 1,27 g/cm³ → 48 g. Bobine 1 kg à 25 € → 1,20 € de matière ; temps machine 3 h 20 à 1,50 €/h → 5 €. Total ≈ 6,20 € contre ~18 € en usinage, mais tolérance ±0,3 mm au lieu de ±0,05 mm et $R_m$ divisé par 5.

Exemple chiffré 3 — formats et pertes d'information

Format	Type	Contenu conservé
.sldprt / .prt	natif	Historique, paramètres, contraintes
STEP AP242	neutre	Géométrie BREP + tolérances GD&T + PMI
IGES	neutre ancien	Surfaces, pas d'arbre de construction
STL	maillage	Triangles seuls : ni couleurs, ni tolérances

Un STL avec une tolérance de corde de 0,01 mm sur un cylindre Ø50 génère ~450 facettes par cercle et des fichiers 10× plus lourds qu'à 0,1 mm : on ajuste selon le procédé.

Points-clés à retenir

• La chaîne numérique CAO → simulation → FAO → contrôle ne doit jamais rompre : chaque export neutre perd de l'information paramétrique.
• Les paramètres de coupe se déduisent du couple outil/matière : $V_c$ donne $N$, $f_z$ donne $V_f$.
• STEP AP242 est le format d'échange à privilégier pour transmettre géométrie et tolérances.