Lettre d'information "The Sharp-E" Janvier 2021

Lorsque ANCA s’est associé à Precorp (qui fait désormais partie du groupe Sandvik-Coromant) pour créer la machine ANCA EDG (Electro Discharge Grinding) en 2011, la mission était claire : les deux sociétés souhaitaient créer une plateforme d’usinage par électro-décharge rotative (EDM) capable non seulement de produire les meilleures géométries d’outils mais également de disposer de cycles inégalés sur le marché.

C'était l'idée de Pat Boland, fondateur et Directeur Général d’ANCA, qui s'est rapidement rendu compte que pour surpasser la concurrence en place, il fallait plus de cerveaux que de muscles. « Le processus d'érosion est simple dans sa complexité. La base du processus utilise des électrodes positives et négatives avec un électrolyte pour créer des étincelles le long d'un matériau. ANCA a un historique de 45 ans dans la fabrication des meilleurs outils en carbure et HSS au monde et nous voulions utiliser cet ensemble de compétences pour les outils PCD », a déclaré Pat.

Les enjeux dans le développement de la machine ANCA EDG étaient qu’il fallait faire simple pour tous les outils brasés à goujures droites pour que leurs créations soient simples mais aussi aborder des outils beaucoup plus complexes et permettre la création d’une large variété d’outils hélicoïdaux avec insert PCD en bout, veinés ou de type chevron. Pat ajoute : “ Nous avons très vite réalisé qu’au vu de  la complexité de la géométrie des outils que nous voulions permettre à nos clients de créer, l’interpolation 5 axes tout en maintenant la distance précise pour l’érosion, allait être un défi”.

C’est alors que Boland, avec son Master en Génie Electrique de l’Université de Melbourne en poche, a frappé à la porte de l’Université RMIT de Melbourne et a été mis en contact avec Kotler Tee, candidat au Doctorat de Génie Electrique, et qui maintenant diplômé Docteur. D^r Tee est arrivé avec des recommandations élogieuses et a été rapidement embauché par ANCA pour diriger la création et le déploiement du processus d’érosion EDG. Travaillant ensemble, Boland et Tee ont formulé des idées et se sont mis à l’ouvrage pour créer sans doute le processus d’érosion le plus avancé techniquement actuellement sur le marché.

 
Etape 1  : Maintenir une distance optimale pour l’étincelle d’érosion grâce à IAC

La première tâche qui a été abordée était de maintenir une distance optimale pour l’étincelle lors des interpolations de trajectoire 2D simples et 3D complexes. “Pendant le processus d’érosion, maintenir cette distance optimale est fondamental pour que le processus puisse fonctionner avec une haute efficacité. C’est très simple pour l’interpolation de trajectoire 2D rotative. Cependant, lorsque l’interpolation de trajectoire 3D implique 4 ou 5 axes se déplaçant simultanément, les changements de surface, de volume et de trajectoire deviennent un défi”, a déclaré le D^r Tee. “D’après nos tests, nous savions que l’idéal serait de simplement régler la vitesse d’avance de la machine le plus bas possible afin de maintenir la distance d’érosion. Cependant, cela génère beaucoup de temps « en l’air » et donc beaucoup de perte de temps”. Pour permettre une avance de travail élevée et conserver la distance idéale d’érosion le Contrôle Adaptatif Intelligent, IAC (Intelligent Adaptive Control) a été créé.
 
Le contrôle adaptatif intelligent (IAC) est une fonction asservie dans le temps qui surveille et contrôle automatiquement la distance pour l’érosion au cours de processus. En utilisant le port EtherCAT du système de contrôle ANCA Motion AMD5x, l’IAC synchronise les mouvements de la machine avec les performances du générateur. IAC ajuste et maintient la distance optimale de l’étincelle, ce qui est très important pour l'érosion des géométries 3D telles que les goujures PCD et les entailles sur les forets et les fraises 2 tailles. Avec une géométrie utilisant jusqu'à 5 axes à la fois, l’IAC ajuste automatiquement la distance et la vitesse d'avance de la machine pour optimiser la vitesse d'érosion et l'état de surface. Cela veut dire de pouvoir accélérer l’avance lorsque l'érosion se produit le long de trajectoires linéaires, mais aussi de ralentir lorsque des changements de trajectoire se produisent.

“Les torsions et les virages le long de la trajectoire d'érosion conduisent à des scénarios dans lesquels l‘électrode rotative est susceptible d'entrer en contact avec l'outil ou de sortir de l'outil. Cela peut conduire à des étincelles optimales, mauvaises et imprécises le long de la trajectoire » ajoute D^r Tee. L’IAC en tient compte automatiquement et maintient la vitesse d'avance la plus rapide possible sur tous les changements de trajectoire. Cela se traduit automatiquement par une augmentation globale des vitesses d'avance, des dommages thermiques moindres, une qualité d’état de surface supérieure, une augmentation du MRR et une réduction du temps de cycle.
 
Un avantage supplémentaire de l'IAC est la facilité avec laquelle les micro-outils en PCD et en carbure peuvent être fabriqués. Comme l'IAC maintient la distance optimale, le risque de collision des meules et de casse d’outil est très faible. Ceci est essentiel lors de l'érosion d'outils de moins de 0,5 mm.


Etape 2 : Optimiser le processus d’érosion avec ASC
 
Le défi suivant était la génération d'étincelles optimales pour faciliter le processus d'érosion. Le courant, la tension, la durée, le temps d'arrêt et donc l'intensité des étincelles varient en fonction du matériau érodé. Autrement dit, le PCD nécessitera certains paramètres par opposition au carbure (HM) et à l'acier rapide (HSS). Le défi est que les plaquettes PCD sont généralement en PCD de 0,6 mm avec un support en carbure de 1 mm . Le PCD fritté, comme dans  le procédé « veiné » de Precorp-Sandvik, les outils chevron et les outils à pointe rapportée PCD sont également conçus sur un support en carbure. Lors de l'érosion agressive, telle que les opérations d'ébauche, l’électrode rotative en cuivre s'abime à la jonction carbure-PCD. Les paramètres d'érosion optimisés pour le PCD peuvent par inadvertance sur-éroder le support en carbure. Cela conduit du coup aussi à une sur-érosion au niveau de la jonction carbure-PCD, appelé contre-dépouille car il érode sélectivement le carbure derrière le PCD. De plus, cela peut conduire à une diminution du cobalt dans le liant PCD, car le cobalt est plus érodé que le reste, et laisse donc les grains de PCD plus exposés.
 
Cela revient à creuser sous les fondations d'un chemin pavé. Si vous enlevez trop de matière sous le chemin, à la fin il s’effondre. Des tests machine ont montré que la contre-dépouille et la diminution du cobalt lors de l'ébauche entraînent une bordure cassante le long du bord de coupe et une usure prématurée de l'outil. Pour éviter que cela se produise et pour optimiser le processus d'érosion, le contrôle adaptatif des étincelles (ASC) a été créé.

 

L’ASC utilise la liaison ultra-rapide EtherCAT avec le DSP (Digital Signal Processors) et le FPGA (Field Programmable Gate Arrays, réseaux logiques de portes programmables en Français) sur le générateur lui-même. Le générateur d'érosion EDG est capable de surveiller et traiter chaque étincelle, en temps réel. La forme d'onde de chaque étincelle est automatiquement surveillée et catégorisée en fonction du matériau en cours d'érosion, de la distance de l'écart d'érosion et d'autres facteurs essentiels au processus d'érosion optimal. Le générateur peut alors adapter dynamiquement le niveau d'énergie de chaque étincelle (courant, tension, durée et temps d'arrêt) en fonction du matériau érodé.

ASC optimise le processus d’érosion pour réduire l’impact sur le cobalt et sur la contre-dépouille à la jonction PCD-carbure. Cela permet d’obtenir une arête de coupe plus solide et un outil moins sensible au micro-fissures. La durée de vie est améliorée, l’usure moindre, et donc le cout global de l’outillage est aussi réduit. Des tests sur des outils adaptés à l’usinage des polymères renforcés en fibres de carbone (CFRP) ont montré une augmentation de la durée de vie jusqu’à 60%.
 
Ces systèmes de contrôle intelligents de l’érosion sont maintenant protégés par des brevets ANCA ;

 
Etape 3 : booster l’électronique de puissance grâce au générateur d’érosion SparX d’ANCA Motion

La dernière pièce du puzzle était l’optimisation de l’électronique pour permettre une érosion encore plus forte et plus agressive tout en conservant des résultats d’état de surface les plus élevés. Pour cela, ANCA s’est appuyé sur l’expertise de sa société sœur, ANCA Motion. Richard Colin, Ingénieur Electricien en chef, a été chargé de créer le générateur d’érosion leader de l’industrie sur la base de la plateforme des asservissements AMD5x. Richard est familier de l’électronique haute fréquence et haute puissance puisqu’il a déjà conçu des générateurs d’énergie externes (GPU / Ground Power Unit) pour l’industrie aéronautique avant de travailler pour ANCA Motion (encore aujourd’hui on peut voir Richard portant sa veste en cuir Pratt et Whitney). “En rencontrant ANCA, J’ai sauté sur l’occasion. J’attendais l’opportunité de travailler avec la dernière meilleure électronique de puissance à semi-conducteurs pour des vitesses de commutation à large bande”.

Par rapport à des composants équivalents, la technologie méga-ampère par impulsions permet aux clients ANCA d’élargir la plage de puissance auxquels ils peuvent accéder et utiliser. Le générateur d’érosion ANCA Motion SparX présente des performances supérieures sur toute la gamme des opérations, depuis l’ébauche importante jusqu’à la finition ultrafine, en utilisant la technologie Pico-pulse pour l’enlèvement à haute densité d’énergie. Cela élargit très nettement les possibilités, et offre aux clients des vitesses d’avance optimisées, une qualité d’état de surface supérieure et des temps de cycle considérablement réduits. Cette précision d’impulsion permet une érosion ultra-fine exceptionnelle avec des impulsions à très faible énergie et des enlèvements de matière importants grâce à des impulsions à haute énergie.
Dans le processus d’érosion PCD, le temps de cycle est directement à la capacité d’enlèvement de matière (MRR). Le générateur d’érosion ANCA Motion SparX offre des augmentations inégalées du MRR en utilisant les nouvelles opérations d’ébauche extra-lourdes, de finition super fine et de finition ultra-fine. Cela équivaut à une augmentation inégalée du MRR et à une diminution de 50 % du temps de cycle par rapport aux machines concurrentes – sans doute les temps de cycle les plus rapides du marché. De plus, la qualité d’érosion permet d’atteindre des meilleures qualités d’état de surface. Un Ra <0,1 µm et un Rz <0,5 µm peuvent être facilement atteints en utilisant le nouveau procédé « Finition Ultra-fine » qui utilise la technologie des Pico impulsions. Ces opérations permettent l’obtention d’arêtes de coupe de qualité supérieures pour des applications nécessitant des outils exigeants.
La combinaison de l'intelligence dans un domaine autrefois dominé par l'électronique de force brute, donne aux clients ANCA non seulement un avantage concurrentiel , mais permet aussi une approche plus intelligente de la fabrication de ces outils. « La différence entre notre approche et celle de nos concurrents est que ANCA se concentre sur ce que nos clients veulent accomplir avec leur processus d'érosion. Ils nous ont fermement dit qu'ils voulaient un processus optimisé pour les outils PCD hélicoïdaux  et ronds. Nous avons travaillé en étroite collaboration avec ANCA Motion pour concevoir notre générateur d'érosion pour l'adapter non seulement aux outils de cisaillement, mais aussi à la gamme infinie de géométries très complexes, plutôt que de réutiliser la technologie du générateur créée à l'origine pour l'usinage par électroérosion par fil (Wire-EDM). Notre approche a bouleversé l'industrie. Le besoin en géométrie dicte le processus à mettre en œuvre ; ce n’est pas le processus machine qui impose les géométries possibles. »

« Nous avons utilisé l'intelligence pour surpasser la force brute, tout comme le lièvre déjoue le renard », s’amuse de dire le Docteur Tee.
 

15 janvier 2021