Optimisation des modèles de coupe du fraisage du bois massif

Contexte – Projet PropUsiBot

La filière de la transformation du bois joue aujourd’hui un rôle stratégique dans les contextes de développement durable et de résilience de l’industrie. Elle s’appuie sur une ressource biosourcée, présentant une balance positive entre croissance et exploitation, qui favorise les circuits courts par son foisonnement à travers tout le territoire. Cumulées à son caractère écologique, ses qualités esthétiques et mécaniques en font un matériau toujours plus valorisé. Les filières sont très diverses : construction, ameublement, ébénisterie,... mais le bois est également de plus en plus utilisé pour l’équipement de tous types de véhicules, qu’ils soient terrestres, aériens ou maritimes.

Lors de l’usinage de pièces en bois massif, il est par contre complexe d’obtenir des états de surfaces satisfaisants en tout point et une finition en ponçage est quasiment systématique. Ce ponçage est un point moins vertueux de l’industrie de la transformation du bois : il est long, coûteux, et bien souvent manuel et délétère pour les opérateurs qui sont exposés aux poussières générées et soumis à des gestes qui engendrent des troubles musculo-squelettiques sévères.

Le projet PropUsiBot, qui s’appuie sur les compétences de l’Institut Clément Ader (Université de Technologie de Tarbes Occitanie Pyrénées) et du LaBoMaP (Arts et Métiers, Cluny), vise donc à participer à la croissance et la performance de cette filière en résolvant cette problématique par le développement simultané d’outils d’optimisation complémentaires portant sur :

• L’optimisation des conditions et trajectoires de coupe au regard des particularités du matériau bois, notamment sa forte anisotropie et son hétérogénéité, afin de réduire le recours aux opérations de ponçage.
• L’optimisation et l’automatisation des opérations de ponçage restantes au regard de la qualité produite en cours d’usinage.

Description du sujet de thèse et objectifs

Le sujet de thèse proposé traite de l’optimisation, principalement des conditions de coupe, du fraisage du bois. Ces travaux, très expérimentaux, ont comme premier objectif d’améliorer, dans le cadre d’usinages réalisés avec un robot polyarticulé, les performances des modèles de coupe prédictifs des états de surface produits et des efforts de coupe, pour des essences de bois typiques de notre territoire (chêne, hêtre, sapin). Ils viseront ensuite à proposer une méthode d’optimisation de la coupe exploitant ces modèles pour usiner des pièces avec des objectifs de rugosité ciblées et quantifiées. Enfin, ils s’intéresseront également à la notion d’optimisation de trajectoires de coupe dans le cas de scénarios à choix limités pour établir le plus performant.

à Le premier objectif donnera donc lieu à une campagne expérimentale importante : des échantillons de bois, préalablement caractérisés pour en connaître la densité et la direction des fibres en tous poins et en 3D, seront usinés selon un plan d’expérience défini. Les efforts de coupe et les états de surfaces produits seront mesurés au cours des essais avec pour objectif le développement d’un modèle empirique qui permettra ensuite de prédire ces derniers avec beaucoup plus de fiabilité que les modèles actuels. L’approche méthodologie sera fortement inspirée de travaux récents issus de la littérature et des travaux antérieurs de l’équipe projet [1, 2, 3].

à Le modèle produit sera ensuite exploité dans une seconde campagne expérimentale au cours de laquelle l’objectif sera, pour des trajectoires d’usinage prédéfinies du robot, de déterminer les conditions de coupes optimales pour obtenir un état de surface souhaité tout en minimisant le temps d’opération. Les états de surfaces obtenus seront ainsi confrontés à ceux estimés par le modèle. Cela permettra à la fois de valider la qualité du modèle de coupe et de montrer son intérêt industriel, notamment en vue de minimiser le « takt time » d’un produit usiné en bois.

à Enfin, le modèle sera exploité une nouvelle fois dans des scénarios où plusieurs trajectoires du robot sont prédéfinies avec le même objectif : déterminer celle qui permet d’obtenir l’état de surface souhaité le plus rapidement possible.

[1] Goli, Giacomo, and Jakub Sandak. "Proposal of a new method for the rapid assessment of wood machinability and cutting tool performance in peripheral milling." European Journal of Wood and Wood Products 74.6 (2016): 867-874. Lien DOI

[2] Goli, Giacomo, et al. "Specific cutting forces of isotropic and orthotropic engineered wood products by round shape machining." Materials 11.12 (2018): 2575. Lien DOI

[3] Curti, Rémi, et al. "Generalized cutting force model for peripheral milling of wood, based on the effect of density, uncut chip cross section, grain orientation and tool helix angle." European Journal of Wood and Wood Products 79.3 (2021): 667-678. Lien DOI

L’institut universitaire de technologie de Tarbes (ou IUT de Tarbes) est un institut universitaire de technologie (IUT) interne à l'UTTOP (Université de Technologie de Tarbes Occitanie Pyrénées).

Il est situé à Tarbes, dans le département des Hautes-Pyrénées, en région Occitanie.

L’Institut Clément Ader (ICA) est un laboratoire de recherche qui s’attache à l’étude des structures, des systèmes et des procédés mécaniques. Nos secteurs d’activités s’inscrivent dans ceux des industries mécaniques avec une attention particulière accordée aux projets des domaines de l’aéronautique, de l’espace, du transport et de l’énergie. Nos travaux portent généralement sur la modélisation du comportement, l’instrumentation et l’étude de la durabilité des structures ou produits considérés. Une part importante de nos recherches porte sur les matériaux composites, lesquels prennent aujourd’hui une place importante dans les structures.

Les travaux s'effectueront en collaboration étroite et co-direction avec le LaBoMaP (https://labomap.ensam.eu).

Diplômé d’un Bac+5 (Master universitaire ou école d’ingénieur), le(la) candidat(e) devra disposer de compétences solides en fabrication mécanique. La maîtrise d’un langage de programmation et/ou de traitement de données est importante (Python ; Matlab ; etc …), ou à minima de premières expériences dans leurs usages.

Des compétences pratiques en usinage, en FAO, et en robotique seraient appréciées et utiles pour appréhender convenablement les campagnes expérimentales. Des connaissances théoriques sur les matériaux anisotropes tels que le bois ou les composites seraient également des atouts supplémentaires.