EcoSwissMade - HES-SO

I N G É N I E R I E E T A R C H I T E C T U R E

EcoSwissMadeP R O G R A M M E D E R E C H E R C H E T H É M A T I Q U E H E S - S O

S U R L E M A N U F A C T U R I N G E T L A P E R F O R M A N C E I N D U S T R I E L L E

EcoSwissMadeP R O G R A M M E D E R E C H E R C H E T H É M A T I Q U E H E S - S O

S U R L E M A N U F A C T U R I N G E T L A P E R F O R M A N C E I N D U S T R I E L L E

2Comité de pilotage du programme EcoSwissMade

HE-Arc Ingénierie - Groupe Conception des moyens de productionClaude [email protected]+41 32 930 22 26

HEI-VS - Institut Systèmes IndustrielsJacques-Eric [email protected]

HEIA-FR - Institut iRAPJean-Marc Boé[email protected]

hepia - Institut inSTIJacques [email protected]

HEIG-VD – Institut COMATECAlain [email protected]

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I n g é n I E R I E E t A R C H I t E C t U R E - E C O S W I S S M A D E

La recherche appliquée et dévelop-pement est au cœur des missions de la HES-SO. Dirigée par des profes-seurs de l’institution, elle permet à tous les collaborateurs d’acquérir des compétences pratiques, pour répondre aux besoins de la société, mais aussi de l’industrie, et de garantir un enseignement de pointe à nos étudiants.

Depuis quatre ans, le Domaine Ingé-nierie et Architecture a structuré ses projets de recherche appliquée en six programmes thématiques qui, ensemble, couvrent tous les champs d’étude de la faculté. De l’énergie à l’optimisation de la chaîne agroalimentaire, en passant par l’étude de la densification urbaine ou des objets connectés, ces programmes thématiques ont pour objectif de trouver des solutions concrètes aux problèmes de notre temps et sur une durée relativement courte.

Nous avons souhaité expliquer au grand public et aux entreprises la nature de ces programmes, au travers d’une série de brochures présentant leurs points forts et les compétences clés qu’ils mobilisent. Les publications servent aussi à mettre en avant les réalisations concrètes aux- quelles les programmes ont permis d’aboutir, grâce à une collaboration forte avec des partenaires du secteur concerné.

La brochure que vous tenez entre vos mains présente le programme thématique EcoSwissMade, dédié au manufacturing et à la perfor-mance industrielle. Son nom comprend ainsi les concepts de l’écoconception et de l’efficience énergétique, qui ont aujourd’hui un impact fort sur le maintien et le développement d’une industrie manufacturière suisse. Enfant, je suivais mon papa avec fascination

dans l’atelier pour créer ma propre vis. L’odeur de l’huile, le bruit et la taille des machines me transpor-taient alors dans un autre monde. C’est la même fascination qui me saisit aujourd’hui quand je regarde les développements d’une micromachine capable de créer une pièce jusqu’à une demi-fois sa taille à partir d’un simple schéma conçu sur ordinateur. L’arrivée de l’industrie 4.0 ouvre une nouvelle ère pour notre production.

Apprenons à maîtriser les technologies qui équiperont et amélioreront la machine de demain, tout en étant conscients de l’ampleur de notre responsabilité en matière de développement durable.

Edito

Olivier Naef

Responsable du Domaine Ingénierie et Architecture de la HES-SO

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EcoSwissMadeL E P R O g R A M M E

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I n g é n I E R I E E t A R C H I t E C t U R E - E C O S W I S S M A D E I n g é n I E R I E E t A R C H I t E C t U R E - E C O S W I S S M A D E

demain devra être tout aussi performante en consommant moins d’énergie, moins de matière et de surface disponibles. Ce sont là les principes de l’écologie industrielle.

Aujourd’hui, les industriels pressentent ces évolutions. Malheureusement, comme il s’agit de considérations à long terme, ils ne se donnent souvent ni le temps ni les moyens de modifier les choses. Notre rôle est de réfléchir à des solutions potentiellement plus intéressantes permettant de continuer à produire autant avec une empreinte nettement diminuée. Voilà l’objectif des différents projets du programme EcoSwissMade, démarré en 2013. Dans les prochains mois, nous travaillerons à leurs développe-ments futurs en collaboration avec les industriels. Les compétences en recherche appliquée des HES-SO doivent constamment rester ancrées dans la réalité du monde de la production.

Les projets du programme EcoSwissMade sont orientés sur les procédés (production additive et soustractive), les machines (miniaturisation) et les processus de fabrication (C-lean). Ils couvrent ainsi un grand nombre des besoins industriels.

En plus des risques de délocalisation, le secteur industriel suisse doit faire face aux défis environnemen-taux. Le programme EcoSwissMade apporte des solutions concrètes pour améliorer l’efficience et réduire la consommation énergétique.

Trois questions à Jacques Richard

Chercheur en éco-ingénierie à l’Institut inStI de la Haute école du paysage, d’ingénierie et d’architecture de genève - hepia, Jacques Richard est responsable de LEMM, un projet de micro-fraisage par électro-érosion (micro-EDM-milling) épuré, réalisé en collaboration avec le Prof. Maurizio tognolini de la HEIg-VD.

1 – En quoi le procédé que vous développez peut-il être qualifié de light? L’objectif est de rendre le micro-EDM-milling modulaire. Actuellement, cette nouvelle technologie n’est pas encore utilisée en raison de ses problèmes de lourdeur: elle demande des machines et logiciels complexes. C’est très cher. notre objectif est d’en faire un système plug and play, de façon à pouvoir l’installer sur une fraiseuse classique et de rendre ce procédé abordable.

2 – Comment votre module se positionne-t-il en regard des procédés d’usinage plus classiques comme le fraisage? Il serait complémentaire. Le micro-EDM-milling permet de fabriquer des pièces qu’aucune autre technique ne parvient à produire. Des pièces avec des détails à haut facteur de forme, en particulier pour la réalisation de petites cavités profondes. Ainsi, on peut très bien imaginer l’implanter dans une machine standard pour s’occuper de la finition des pièces. tout pourrait être fabriqué sur la même machine.

3 – Qu’est-ce qui a permis d’alléger cette technique? Le défi du projet réside surtout dans la miniaturisation du générateur, de lui donner une intelligence propre lui permettant une certaine indépendance vis-à-vis de la commande numérique. Le générateur est responsable de gérer seul les processus d’étincelage de façon à permettre un usinage à vitesse constante. La subtilité est qu’aujourd’hui nous avons besoin de commandes numériques dédiées à l’électro-érosion qui régulent en permanence cette vitesse selon les conditions d’étincelage. Avec LEMM, en misant sur un petit générateur intelligent, il sera possible de se passer d’une commande numérique spécifique. Le micro-EDM-miling pourra ainsi communiquer avec une machine standard.

La Suisse romande est l’une des régions les plus innovantes et densément industrialisées d’Europe. C’est une grande force. En revanche, avec l’évolution des conditions-cadres, ces avantages pourraient se transformer en faiblesses. Le programme EcoSwissMade se projette dans l’avenir: la question qui sous-tend ses projets est de savoir si la région pourra maintenir sa situation particulière à l’horizon 2030.

Trois éléments centraux se détachent. Le premier concerne la situation économique et le niveau élevé des salaires en Suisse. Pour éviter des délocalisations, il faudra impérativement produire moins cher, d’autant plus qu’en 2017, l’entrée en vigueur du label Swiss made imposera de nouvelles contraintes en termes de produc-tion en Suisse. Le deuxième point touche à la législation, notamment en matière de protection de l’environnement. Dans les années à venir, nous devrons produire autant, voire davantage, en consommant moins. Enfin, divers grands changements nous attendent, notamment la crois-sance de la population mondiale, qui impliquera une hausse de la consommation des ressources naturelles et des ressources en énergie. Les surfaces industrielles seront de plus en plus chères et difficiles à trouver.

L’idée du programme EcoSwissMade consiste à innover sur le long terme pour obtenir des avantages économiques, mais aussi écologiques. Ces deux éléments ne doivent pas être opposés, mais vus comme complémentaires. En d’autres termes, l’industrie de

Claude Jeannerat Coordinateur du programme HES-SO EcoSwissMade Professeur HE-Arc Ingénierie

HE-Arc Ingénierie

HEIg-VD

hepia

HEIA-FR

HEI-VS

27% La part du PIB national qui se trouve dans le secteur secondaire. Ceci place la Suisse en tête des pays les plus industrialisés... osons la défendre!(Source: OFS, 2012)

Hautes écoles impliquées:

EcoSwissMade

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P R O J E t S E C O S W I S S M A D E

CleamaDate de lancement: Décembre 2015

But: Expérimenter et étendre l’utilisation des outils du Lean à l’analyse énergétique et environne-mentale pour mieux maîtriser ces aspects en production.

Haute école HES-SO: HEIA-FR

Descriptif: Le projet Cleama vise à analyser une zone de production selon les outils standards du Lean (VSM, SADT) – un système d’organisa-tion pour optimiser la gestion de production. L’idée consiste à réaliser un inventaire des utilisateurs, évaluer les consommations et procéder à une analyse de la consommation globale de la zone. Une campagne de mesure et une évaluation des outils sont aussi prévues, de même qu’un examen de la pertinence des méthodes et des outils mis en œuvre.

EcOptSurfDate de lancement: Janvier 2015

But: Rechercher un bon compromis entre productivité, bilan énergé-tique et état de surface d’une pièce à usiner.

Hautes écoles HES-SO: HEIG-VD, HE-Arc Ingénierie et hepia

Descriptif: Ce projet développe des algorithmes d’optimisation de trajectoire minimisant le temps de parcours et l’énergie consommée, en respectant la contrainte de la précision de trajectoire. Les algorithmes ainsi créés permettront d’extraire les motifs spatiaux de surface liés au comportement vibratoire de la machine.

EcoCaracDate de lancement: Novembre 2015

But: Evaluer les performances énergétiques et fonctionnelles des machines-outils. Hautes écoles HES-SO: hepia, HEIG-VD et HE-Arc Ingénierie

Descriptif: Le projet EcoCarac s’inscrit dans l’axe Microfactory du programme EcoSwissMade de la HES-SO. Il consiste à évaluer les performances fonctionnelles et énergétiques réelles de machines standards et orientées Eco (micro-machines). Basé sur la réalisation d’une pièce test et des mesures dédiées, ce projet permettra d’évaluer les gains énergétiques et d’encombrement offerts par l’utilisation d’une micro-machine.

AZATDate de lancement: Mars 2014

But: Améliorer la zone thermique-ment affectée.

Hautes écoles HES-SO: HE-Arc Ingénierie, HEI-VS, HEIA-FR et hepia

Descriptif: La surface des pièces usinées par des usinages classiques (fraisage, EDM, rectification) est souvent thermiquement affectée (microfissures, phases métallur-giques désordonnées). La technolo-gie développée dans le cadre du projet AZAT permet d’éviter ce problème grâce à un usinage laser pico- et femtoseconde.

BMF4.3Date de lancement: Mai 2015

But: Développer une petite broche 400 ktpm/250 W pour le micro-fraisage

Hautes écoles HES-SO: HEIG-VD et HE-Arc Ingénierie

Descriptif: Ce projet a pour objectif de concevoir une solution de rotor sur paliers à gaz hybrides (aéros-tatique et aérodynamique), de comparer des solutions de moteurs synchrones et de trouver une solution adaptée au développement d’un revêtement pour les surfaces de paliers.


BioMIMDate de lancement: Janvier 2016

But: Développer un nouveau procédé pour produire des pièces métalliques par moulage par injection de poudres (PIM), à l’aide de liants polymères biosourcés.

Hautes écoles HES-SO: HEI-VS, HEIA-FR et hepia

Descriptif: Le projet BioMIM vise à produire des pièces par moulage par injection de poudres métalliques (technologie MIM) à l’aide de liants naturels, dont des polymères synthétisés par fermentation bactérienne. Les pièces produites sont en métal biocompatible tel que le titane ou l’acier inoxydable sans nickel. Des solutions pour la récupération des liants et solvants utilisés sont aussi développées.



Micromac_DevDate de lancement: Décembre 2014

But: Développer, réaliser et pré-caractériser la micromachine.

Hautes écoles HES-SO: HE-Arc Ingénierie, HEIG-VD et hepia

Descriptif: Le projet Micromac_Dev représente une mini-révolution dans le monde de la machine-outil. L’utilisation de technologies microtechniques de très haute performance (démonstrateur en cinq axes, un développement de la taille d’une machine à café) permet une efficacité remarquable sans perte de qualité d’usage. Cette technique a été conçue pour une pièce de 50 mm de diamètre.

MicroCncDate de lancement: Janvier 2014

But: Développer un framework de calcul de trajectoires CNC modu-laire, orienté objet, et le démontrer en pilotant une machine à l’aide d’une carte embarquée.

Hautes écoles HES-SO: HEIG-VD, HE-Arc Ingénierie et HEIA-FR

Descriptif: Le projet MicroCnc vise à réaliser une brique logicielle CNC permettant de développer rapide-ment des applications dans le domaine des machines d’usinage et de robotique. Le framework développé permettra également de répondre aux besoins de fabricants de machines ayant des applications spéciales ou recherchant à diminuer leurs coûts en simplifiant l’architecture logicielle.

MAISO50001Date de lancement: Janvier 2014

But: Développer un système de management de l’énergie pour l’appliquer au projet Micromac, dans le cadre de la norme ISO 50001.

Hautes écoles HES-SO: HEI-VS et HE-Arc Ingénierie

Descriptif: Le projet MAISO50001 souhaite créer une base de données relationnelle permettant d’intégrer l’ensemble des données énergétiques d’un système mécanique. Il est possible de faire varier un paramètre énergétique et d’en prévoir les répercussions. L’approche permet d’éviter, dès la phase de conception, des choix techniques entraînant des conséquences énergétiques pénalisantes et difficiles à corriger par la suite.

FUNCUTDate de lancement: Novembre 2015

But: Améliorer les performances des micro-outils de coupe.

Hautes écoles HES-SO: hepia et HE-Arc Ingénierie

Descriptif: Le projet FUNCUT explore une voie innovante permettant d’augmenter la durée de vie des outils de coupe et de diminuer le coût d’opérations d’usinage par des dépôts ultra-durs (méthode HiPIMS) sur des subs-trats carbure usinés et micro- structurés par laser pico-seconde.

IcompositeDate de lancement: Octobre 2015

But: Tester une méthode de fabrication de composites par injection plastique ou extrusion pour favoriser leur utilisation dans des domaines industriels.

Hautes écoles HES-SO: HEIA-FR, HEIG-VD et hepia

Descriptif: Le projet Icomposite vise à injecter des composites par des méthodes dérivées des matériaux à fibres longues pour les adapter aux fibres continues ou extruder des composites. Cela permet de fabriquer des produits à bas coût. Ces techniques doivent être adaptées pour obtenir des propriétés utiles à base de thermoplastes et de fibres carbone.

LEMMDate de lancement: Avril 2015

But: Rendre le procédé de micro-fraisage par électroérosion modulaire et facile d’utilisation.

Hautes écoles HES-SO: hepia, HEIG-VD et HE-Arc Ingénierie

Descriptif: Il s’agit de rendre modulaire et accessible le procédé du micro-EDM-milling, qui permet-tra de réaliser des cavités pro-fondes alliant précision et rapport d’aspect élevé, ce qu’aucun autre procédé de fabrication ne permet. Par la gestion d’intelligence locale au niveau du générateur d’étin-celles, LEMM doit en démontrer une utilisation aisée et facilement intégrable sur une petite machine.


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SG-3DPDate de lancement: Avril 2016

But: Développer et réaliser une machine «table-top» pour l’impres-sion 3D de pièces métalliques et céramiques.

Hautes écoles HES-SO: HEI-VS, HEIA-FR, hepia, HEIG-VD, HE-Arc Ingénierie

Descriptif: Le projet SG-3DP porte sur une nouvelle méthode d’impres-sion 3D du type jet d’encre. Il s’agit de déposer du solvant sur des couches de granulés poudre-liant (SG-3DP: Solvent on Granule 3D Printing). Le solvant ramollit le polymère présent dans les granulés, permettant de les lier couche par couche. Les pièces ainsi générées sont ensuite soumises à des traitements de déliantage et de frittage. Le procédé s’applique à la fabrication de pièces métalliques aussi bien que céramiques.

TrajOptDate de lancement: Janvier 2014

But: Développer une génération de profils de mouvement pour des micro-machines.


Descriptif: TrajOpt vise à effectuer des analyses de compliance permettant de choisir une architec-ture de machine appropriée pour le développement d’algorithmes d’optimisation robustes et rapides et la réalisation de tests sur un démonstrateur.

Micromac_StudyDate de lancement: Mars 2014

But: Définir un cadre optimal pour réaliser une machine d’usinage intrinsèquement efficiente quant à ses performances fonctionnelles, énergétiques et spécifiques.

Hautes écoles HES-SO: HE-Arc Ingénierie, HEIG-VD et hepia

Descriptif: Le projet Micromac_Stu-dy explore une voie porteuse sur le plan des gains énergétiques réalisables: la miniaturisation. Le besoin réel du procédé représente 15% de l’énergie consommée. Il s’agit d’un concept technologique «small footprint» innovant et efficient de par l’adéquation de la taille machine/objet qu’elle fabrique (ratio 5/1).

Mini-Z-PhiDate de lancement: Avril 2016

But: Développer un petit actionneur à deux degrés de liberté capable de produire à la fois un mouvement de translation et un mouvement de rotation.


Descriptif: Le projet a pour objectif de développer et tester un mini- actionneur à deux degrés de liberté. Le dispositif comporte des codeurs optiques spéciaux pour la mesure précise de position. Ce type d’actionneur très compact, et inexistant sur le marché, permet de déplacer très rapidement et de positionner précisément des petites pièces.


MiniMaComp2Date de lancement: Mai 2015

But: Evaluer et caractériser l’utilisation industrielle de solutions non métalliques pour les compo-sants de mini-machines-outils de haute précision.

Hautes écoles HES-SO: HEIG-VD, hepia, HEIA-FR et HE-Arc Ingénierie

Descriptif: Le nouveau paradigme lié aux mini-machines d’usinage ouvre de nouvelles voies pour les matériaux intervenant dans leur construction. Les propriétés mécaniques requises sont différentes de celles d’une machine conventionnelle. Le projet va comparer différentes solutions non métalliques et réaliser un prototype de composant pour la micro-machine Micro5.


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U n P R O J E t P H A R E


«Quand nous parlons d’horlogerie, de biomédical, la plupart des pièces produites n’excèdent pas 50 mm d’arête. Pourquoi ne pas développer une machine adaptée à la taille de l’objet qu’elle fabrique?» Aux yeux de Claude Jeannerat, l’innovation se dessine en miniature. Un défi né d’un constat: les moyens de production actuels sont certes très performants mais aussi très gour-mands en énergie électrique. Au cœur de la problématique: le souci écologique.

Face aux mastodontes énergivores, le projet de Claude Jeannerat, déve-loppé en collaboration avec la HE-Arc Ingénierie, la HEIG-VD et l'hepia, propose une machine d’usinage cinq axes, de haute complexité, au maximum cinq fois plus grande que la pièce qu’elle produit. «Actuelle-ment, seuls 15% de l’énergie d’une machine standard servent au procédé d’usinage réel alors qu’un pourcentage important alimente les systèmes de refroidissement de ces mastodontes de plusieurs

Sous ses airs de machine à café, Micro5 est capable de produire tous les composants d’une montre. Miniaturiser un moyen de production sans perte de qualité ni de rendement en consommant un minimum d’énergie, c’est l’objectif de ce projet débuté en 2014. Une micromachine dans la cour des grandes.

MicroMac

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tonnes», souligne le coordinateur du programme EcoSwissMade. Une débauche d’énergie pour des clima-tiseurs qui rejettent à leur tour de la chaleur dans l’atmosphère.

Du haut de sa trentaine de kilos, Micro5 consomme dix fois moins d’énergie. L’air ambiant suffit à maintenir la micromachine à sa température optimale de fonction-nement. «Son empreinte carbone est intéressante et répond aux objectifs environnementaux fixés par la Confédération. Notre vision est de se dire que d’ici à 2030, on continuera à produire locale-ment.» La Suisse pourrait ainsi se démarquer en ajoutant la compo-sante écologique à son savoir-faire ancestral de précision et de grande qualité. Une empreinte verte visible également sur le paysage.

C’est mathématique: avec le micro-manufacturing, les usines aussi mincissent. «Micro5 peut tenir sur la table de votre salon, plaisante Claude Jeannerat. Elle peut se loca-liser n’importe où.» Cette logique colle à celle de l’industrie 4.0: la personnalisation de la production. Fabrication décentralisée rime avec diminution de la mobilité forcée des personnes et revitalisation de certains villages. «Ces petites machines ne nécessiteront plus obligatoirement d'usines telles que nous les connaissons.» En d’autres termes, elles permettent d’écono-miser sur l’investissement dans de grandes surfaces industrielles.

Une industrie à taille humaine devient aussi plus accessible: une technologie haut de gamme abor-dable pour d’autres acteurs que les géants du high-tech. «Par exemple, lorsqu’un médecin dentiste effec-tue une reconstruction dentaire, il doit déléguer l’usinage de la dent à une entreprise extérieure. Cette petite machine pourrait très bien réaliser cette tâche au sein du cabinet.» Pour l’ingénieur de la HE-Arc, le champ d’action de Micro5 est vaste. L’horlogerie, le monde médical, la connectique pourraient être les futurs clients de la micro-machine suisse. «Pourquoi ne pas

l’imaginer sur notre bureau, à côté de l’imprimante 3D?» Démocrati-ser son utilisation, voilà l’envie.Sur ce point, la micromachine développée dans le cadre du programme EcoSwissMade prend le contre-pied de sa cousine nippone. Au Japon, les micromachines sont miniaturisées à l’extrême et assignées à une tâche bien particulière. Micro5, à l’inverse, mise sur la flexibilité. L’objectif est de réaliser toutes les pièces d’une panoplie de production. Imaginée pour être un objet multifonctionnel, elle s’apparente au couteau suisse. «C’est une machine qui peut très bien accueillir de l’usinage par enlèvement de copeaux, laser ou encore EDM. Ce que nous voulons, c’est qu’elle soit capable de porter pratiquement tous les moyens de production modernes», explique Claude Jeannerat.

Reste un défi de taille, la bar-rière culturelle. «L’image qu’une machine se doit d’être lourde est gravée dans les mentalités. Psychologiquement, il faut réussir à dépasser le préjugé selon lequel une machine légère est moins performante. Micro5 n’est pas un jouet! L’industrie doit peu à peu changer de paradigme.» Claude Jeannerat croit en une production industrielle d’avenir en Suisse. Les exigences liées au nouveau label «Swiss Made» en 2017 inciteront les industriels à rapatrier une partie de leur production. Un obstacle qui pourrait se révéler une aubaine pour les projets EcoSwissMade et particulièrement pour le micro-ma-nufacturing. En collaborant avec le tissu industriel, les hautes écoles d’ingénierie et d’architecture de la HES-SO pourront apporter l’inno-vation nécessaire qui permettra aux entreprises suisses de rester concurrentielles.

35 kilosLe poids de la machine développée par le projet MicroMac.


Hautes écoles impliquées:

HE-Arc Ingénierie

HEIg-VD

hepia

« Pourquoi ne pas développer une machine adaptée à la taille de l'objet qu'elle fabrique? »

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Impressum

EcoSwissMade Programme de recherche thématique HES-SO sur le manufacturing et la performance industrielle Une publication de la HES-SO Haute école spécialisée de Suisse occidentale

EditionRectorat HES-SORoute de Moutier 142800 DelémontSuisse

Conception et graphismeLargenetwork, genève

PhotographiesCouverture – guillaume Perret / Lundi13P. 3 – Bertrand ReyP. 4 – thierry ParelP. 9 – guillaume Perret / Lundi13

EcoSwissMade

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