Placement robotique des fibres, progrès de l'impression 3D

Les avantages promis par l'Industrie 4.0 sont réalisés chez Ingersoll Machine Tools à Rockford, Illinois. La simulation de conception de machine «jumeau numérique», une intelligence robotique supérieure et des mouvements complexes sont les outils essentiels ici. Ces outils rendent la production de moules à grande échelle, l'usinage de pièces et l'automatisation des processus accessibles aux secteurs plus larges de l'aérospatiale, de la marine et d'autres industries.

"La perturbation promise par l'industrie 4.0 a déjà commencé", a déclaré Jason Melcher, vice-président des ventes chez Ingersoll. "Ce qui est d'autant plus remarquable, c'est que cela se produit dans l'aérospatiale, où la conception de machines pour la production améliorée de moules et de pièces est à peu près la plus grande des grandes, la plus difficile des difficiles."

"Ici, l'impédance du processus est évaluée non seulement d'heure en heure, mais de minute en minute et en livres par heure", a expliqué Melcher. "Nous constatons une plus grande capacité de fabrication, soutenue à l'avenir par la meilleure plate-forme de technologie CNC et de mouvement de l'industrie aérospatiale."

L'amélioration des processus a toujours été importante chez Ingersoll. Pendant de nombreuses années, les ingénieurs mécaniques, logiciels et procédés de l'entreprise ont fait équipe avec les ingénieurs de Siemens pour développer des conceptions de machines grand format de nouvelle génération.

Mais que font exactement Ingersoll et Siemens qui sont vraiment révolutionnaires ?

Aujourd'hui, ces deux entreprises technologiques s'associent aux équipes d'ingénierie des clients pour inventer, valider et atténuer les risques. Ils collaborent à plus grande échelle, où le placement robotique intelligent des fibres et la production massive de pièces d'impression/usinage ne sont plus une vision mais une réalité.

Placement de fibre robotique

Acteur de longue date du placement automatisé de fibres (AFP) pour l'aérospatiale, l'aventure d'Ingersoll dans la robotique haut de gamme semble une progression naturelle. L'ambition de l'entreprise était de rendre le placement robotique des fibres abordable pour les producteurs de pièces aérospatiales de deuxième et troisième niveaux. Mais cette ascension sur le marché de l'aérospatiale avait été freinée par plusieurs réalités terrestres, notamment l'imprécision historique du positionnement robotique à grande échelle, le manque de contrôle robotique au niveau de l'opérateur de la machine et le coût élevé de la conception et de la construction à grande échelle, personnalisées. Systèmes AFP.

Positionnement robotique précis : Même ces dernières années, la précision de positionnement de la robotique à grande échelle n'a pas été supérieure à environ 5 mm et avec une faible répétabilité. Pour remédier à cette limitation, Siemens a fait évoluer sa puissante CNC Sinumerik 840D sl pour inclure Run MyRobot, son logiciel de compensation robotique hautement sophistiqué.

Cela a permis à Ingersoll d'intégrer la robotique dans ses nouvelles conceptions de machines de placement de fibres Robotic FP, atteignant des précisions de positionnement robotique répétables inférieures à 1 mm. La précision est maintenue pour les mouvements robotiques standard et inverses.

Contrôle robotique sur la machine : Le mouvement robotique d'une machine Robotic FP est facilement contrôlé sur la machine à l'aide de l'interface Siemens Sinumerik CNC Operate. L'interface graphique intuitive de la commande est universelle sur toute la plate-forme de commandes CNC Sinumerik. Les clients de l'aérospatiale peuvent améliorer l'efficacité des processus à l'échelle de l'usine, car les opérateurs se familiarisent rapidement et sont efficaces à l'aide d'une interface qui reste la même d'une machine à l'autre, même lors du passage de robots à trois axes à des robots à cinq axes ou à six axes avec de nombreux autres axes (plateau tournant, mandrin, rail linéaire, etc.). L'expérience de l'opérateur est la même, qu'il s'agisse de contrôler le placement de fibres traditionnel, le placement de fibres robotisé, l'impression 3D, l'impression 3D robotisée ou tout processus d'usinage CNC.

Simulation de conception de machine : L'industrie des machines-outils anticipe depuis longtemps la possibilité de concevoir, tester et reconcevoir virtuellement le jumeau numérique d'une machine, d'un moule ou d'une pièce avant de passer à la production réelle. Dans l'aérospatiale, la taille même d'une machine ou d'une pièce a rendu le prototypage physique particulièrement coûteux.

Le prototypage traditionnel par essais et erreurs entraînerait des pertes massives de temps et de matériel. Pour échapper à ces contraintes, les ingénieurs logiciels d'Ingersoll ont développé un logiciel de simulation qui permet aux ingénieurs procédés de concevoir et de développer virtuellement une machine, un moule ou une pièce. Le logiciel s'articule autour du logiciel de simulation Siemens Virtual NC Controller Kernel (VNCK). Le contrôleur traite et simule pratiquement toutes les données de cycle d'usinage et les trajectoires d'outils exactement comme ils le seraient sur la machine réelle, et l'interface Sinumerik Operate affiche graphiquement cette simulation exacte de jumeau numérique.

Impression et fraisage 3D à grande échelle

Les plus grandes imprimantes 3D thermoplastiques du monde attirent l'attention immédiate des ingénieurs aérospatiaux lorsqu'elles entrent dans l'immense centre de développement d'Ingersoll Machine Tools.

Après s'être adapté à la taille même de la machine MasterPrint, ce qui retient l'attention des ingénieurs, c'est la perspective d'un prototypage plus rapide, de délais plus courts et de réductions de 90 % des coûts de fabrication. L'innovation d'Ingersoll se poursuit avec le développement de la MasterPrint 5X, une machine d'impression et de fraisage clé en main avec des percées de productivité encore plus importantes qui est à nouveau rendue possible par la plate-forme CNC Siemens Sinumerik 840D sl.

Michael Falk est ingénieur en mécatronique et responsable de l'équipe commerciale de Siemens qui a soutenu Ingersoll dans le déploiement de la série MasterPrint. Falk a souvent été témoin des réactions des ingénieurs en aérospatiale qui visitent le centre de développement d'Ingersoll, et il peut attester de la raison pour laquelle le facteur « 5X » est une grande attraction. "Quatre-vingt-dix pour cent du temps, tout ce qui est imprimé en 3D devra être fraisé", a déclaré Falk. "Le nouveau MasterPrint fait exactement cela en tant qu'opération clé en main pour produire les plus grandes pièces du monde intégrant la technologie de tête de changement automatisée, développée par Ingersoll et prise en charge par Siemens."

Falk a déclaré que ce dont les ingénieurs aérospatiaux et navals sont maintenant témoins chez Ingersoll est leur capacité à explorer des objectifs d'amélioration des processus qui étaient autrefois inaccessibles. "En octobre 2019, l'Université du Maine a reçu trois records du monde Guinness pour l'impression 3D d'un bateau de 25 pieds de long qui peut réellement flotter et transporter des personnes", a-t-il déclaré. "Ce qui est remarquable, c'est que les ingénieurs d'Ingersoll ont dépassé plusieurs fois le record de taille depuis lors."

Efficacité de l'impression en usine : L'approche MasterPrint de l'impression 3D grand format combine la vitesse, la dextérité et la précision amplifiées du mouvement sur cinq axes. Le même portique peut désormais interagir avec les fonctions d'impression, de fraisage, de placement de fibres, de pose de ruban, d'inspection, de rognage, etc.

Impression 3D sous n'importe quel angle : Ingersoll lance le nouveau MasterPrint 5X, a déclaré Falk. La machine peut imprimer sous n'importe quel angle à son plein avantage. Ainsi, vous pouvez désormais fabriquer rapidement un moule ou une pièce massive en utilisant le séquencement le plus efficace. La buse d'impression à cinq axes change d'orientation en conséquence pour imprimer des pièces beaucoup plus compliquées.

Synchronisation à grande vitesse : "Les actions de synchronisation pendant l'impression 3D sont l'endroit où une grande partie de la magie se produit", a déclaré Falk. « Vous obtenez des pièces superbes avec une géométrie de cordon constante. L'impression ne ralentit que lorsque cela est nécessaire dans les coins, puis reprend sa vitesse optimale. Les coins ne sont pas trop remplis. Il n'y a pas de problèmes de remplissage, pas d'étranglement du cordon, pas de vides dans l'outillage et pas d'accumulation de matériau à l'intérieur de la pièce. »

Impression 3D robotisée : Ingersoll a tiré pleinement parti de Sinumerik Run MyRobot/Direct Control, le logiciel de compensation robotique qui est désormais une caractéristique clé de la CNC Siemens Sinumerik 840D sl. Ingersoll propose une large gamme de systèmes robotiques où la CNC de la machine peut contrôler plusieurs modules exploités par le même robot.

Ensembles d'outils pour l'avenir

Jason Melcher et Michael Falk ont ​​été témoins d'un enthousiasme incessant parmi les ingénieurs d'Ingersoll Machine Tools qui soulèvent des questions exploratoires dans une culture de soutien. Ils décrivent un environnement de laboratoire dans lequel un ingénieur de procédés récemment sorti de l'université apprend rapidement des choses que même les cours de mécatronique les plus avancés ne couvrent pas.

Chez Ingersoll, les ingénieurs sont mis au défi d'inventer, de valider, d'apprendre et de construire un meilleur processus d'usinage, et ils ont reçu les outils pour le faire.

"Siemens apporte une boîte à outils ouverte au processus de conception de machines", a déclaré Falk.

« Vous disposez de la commande Sinumerik 840D à cinq axes, d'un ensemble complet de moteurs, de variateurs et de composants. Vous disposez d'un logiciel de simulation et d'une invitation ouverte à l'innovation par des tiers. Tout est réuni, la CNC Sinumerik et son homologue virtuel, le noyau VNCK, devenant le cerveau d'un processus d'usinage beaucoup plus évolué. »

Nate Haug est ingénieur de procédés chez Ingersoll. Il est l'un des nombreux ingénieurs inspirés de l'entreprise qui atteste des avantages de l'utilisation d'un ensemble plus ouvert d'outils CNC et de contrôle de mouvement. "Siemens commence avec un langage de programmation qui nous permet de faire beaucoup plus que nous ne le pourrions en utilisant un contrôle basé sur le" code G uniquement "", a déclaré Haug. « Il y a vraiment deux ensembles d'outils. L'un est le langage Siemens qui permet une gamme ouverte de fonctions et de variables. L'autre ensemble d'outils nous permet d'injecter des fonctions conditionnelles dans le cerveau du NC. Sans ces deux ensembles d'outils, nous ne serions pas en mesure de faire ce que nous faisons. Nous utilisons le 840D sur une machine de placement de fibres, sur une machine robotisée de placement de fibres, sur une imprimante 3D, sur une imprimante 3D robotique, sur des machines-outils à deux têtes, à la verticale, à cinq têtes, avec pratiquement n'importe quelle configuration.

Haug a déclaré qu'en plus d'apporter des améliorations aux machines existantes chez Ingersoll, lui et ses collègues ingénieurs utilisent leurs ensembles d'outils CNC Siemens Sinumerik pour étudier les voies du développement de nouvelles machines. L'une de ces voies est la recherche sur les matériaux.

"Chaque matériau a ses propres propriétés d'écoulement", a expliqué Haug. "Le contrôle Siemens nous permet de modifier les caractéristiques du code pour s'adapter au matériau.

La plate-forme CNC nous permet d'étudier une plus large gamme de matériaux. »

Les questions sur les propriétés des matériaux explorent des variables telles que la résistance, le retrait, le gauchissement et l'utilisation de matériaux isotropes par rapport à des matériaux anisotropes. Les solutions matérielles émergent dans les domaines du prototypage rapide pour les applications civiles, de défense et d'infrastructure. Le concept d'une imprimante unique en son genre émerge également, capable de soutenir des initiatives ambitieuses telles que les matières premières biosourcées utilisant de la cellulose dérivée de ressources ligneuses.

Autosurveillance de la machine :bien que les inspections visuelles effectuées manuellement soient encore courantes aujourd'hui, elles deviennent des réponses analogiques à un défi de production de plus en plus automatisé numériquement.

Ingersoll voit venir le jour où les inspections seront systématiquement une fonction de la machine en tant que processus secondaire. Un processus d'usinage par placement de fibres surveillera le drapage, vérifiera tout défaut et assurera la précision et la fiabilité de la pièce. De même, un processus d'impression 3D hybride imprimera et usinera un jour dos à dos avec une auto-surveillance du processus parfaitement intégrée.

Le développement de ces processus d'auto-inspection automatisés est déjà pris en charge par la plate-forme Siemens CNC et de contrôle de mouvement, qui régit le positionnement précis et le retour de position. Une machine peut détecter, tracer et signaler tout écart.

Comme Ingersoll et Siemens l'ont démontré, les avantages promis de l'Industrie 4.0 sont mis en œuvre aujourd'hui. Après avoir supprimé les limites du placement de fibres robotisées grand format et de l'impression 3D, les attentes augmentent désormais pour apporter des améliorations révolutionnaires à l'ensemble du processus de production de pièces.

"C'est une vision plus large", a déclaré Jason Melcher d'Ingersoll. "Lorsque nous visitons un client, c'est pour explorer l'amélioration des processus. Il ne s'agit pas d'une carte de ligne de machines qui ont des caractéristiques et des fonctions fixes. Nous entamons des conversations sur des améliorations de processus sur mesure."

Pour les ingénieurs de l'aérospatiale, de la marine et d'autres secteurs progressistes, l'innovation à plus grande échelle signifie qu'ils disposent désormais d'une boîte à outils illimitée à partir de laquelle explorer comme jamais auparavant.