Micro Med Machining : Précision au-delà des standards des tours suisses

Lorsque Jim et Joe Davis ont créé leur atelier de sous-traitance en 1987, ils pensaient avoir de bonnes chances de percer dans l'industrie médicale. Ils étaient déjà à mi-chemin. Au lieu de partir de zéro, les deux frères ont racheté le département de tours suisses de précision de l'entreprise de l'industrie médicale qui les employait tous deux et qui réduisait ses effectifs. C'est ainsi qu'est né Micro Med Machining, Inc. (Miami Lakes, Floride).

Les deux jeunes hommes avaient de sérieux atouts. Ils avaient plus ou moins grandi dans l'atelier de leur père. Tous deux étaient ingénieurs de fabrication diplômés, et avaient suivi le programme de stage en gestion de la fabrication de leur ancien employeur. Ils connaissaient donc sur le terrain les procédés de travail des métaux en général et le tournage suisse pour l'industrie médicale en particulier — avec une bonne compréhension des exigences de qualité du secteur et de son environnement réglementaire. De plus, ils savaient par expérience combien il était difficile de trouver des fournisseurs de pièces usinées capables de respecter systématiquement les standards de l'industrie. Il y avait assurément un créneau à combler.

Pendant les cinq premiers mois, le seul travail de Micro Med était de fabriquer des pièces pour les cathéters et stimulateurs cardiaques implantables de leur ancien propriétaire. Mais par la suite, les perspectives de l'atelier se sont élargies considérablement. En effet, ils ont commencé avec 19 personnes et en comptent aujourd'hui plus de cent, tandis que leur volume de ventes a crû dans une proportion encore plus grande.

Cette croissance découle en grande partie de leur juste appréciation du besoin de l'industrie médicale pour des fournisseurs fiables. Tout aussi important, cependant, est la manière dont l'atelier a appliqué la technologie. Ils ont commencé principalement avec des tours suisses automatiques et des tours à mandrin Hardinge, ainsi qu'une batterie d'équipements secondaires. Aujourd'hui, ils réalisent la grande majorité du travail sur des centres de tournage/fraisage multi-axes CNC. L'atelier compte 30 de ces machines sophistiquées dans diverses configurations.

Si la technologie est assurément plus coûteuse que les anciens automatiques, elle permet d'usiner la plupart des pièces très complexes de l'atelier complètement en un seul réglage. Essentiellement, ils remplacent les coûts de multiples réglages par des équipements plus performants — une solution globalement moins coûteuse — et livrent les niveaux de qualité que leurs clients exigent, lot après lot. Mais la formule technique de Micro Med exige bien plus que de mettre de bonnes machines sur le plateau. Ils possèdent une énorme expertise de processus avec ces machines, ce qui sépare véritablement cet atelier de la concurrence ordinaire.

Bien que nous ne puissions divulguer les éléments les plus critiques du savoir-faire de l'atelier ici, nous pouvons entrevoir ce qui fait tourner cette entreprise remarquable. Voici comment ils font chez Micro Med.

Les pièces et les machines

Pour comprendre les exigences des processus, il faut commencer par examiner certaines pièces. Elles sont complexes, précises — et petites. En effet, l'exposition d'échantillons de Micro Med ressemble plus à une bijouterie qu'à un atelier d'usinage. La production typique comprend des vis osseuses ; de minuscules tubes, raccords et soupapes ; des composants pour instruments chirurgicaux miniatures ; et des pivots dentaires. Les vis de précision, par exemple, vont jusqu'à 1 mm de long et 1 mm de diamètre avec un filetage cancelleux de 1 mm. L'aspect esthétique est critique, etvirtuellement toutes les pièces sont finies et inspectées visuellement au microscope à un grossissement de 20x. Les bavures de quelque sorte que ce soit sont inacceptables.

S'ajoute à la difficulté de l'usinage de ces petites pièces les matériaux durs dont elles sont faites. Environ 65 % des pièces sont taillées dans du titane, 30 % dans les aciers inoxydables les plus durs, et le reste dans des métaux précieux comme l'or et le platine. Plus de 60 % des pièces nécessitent une opération de fraisage ou perçage. Les trous transversaux percés sont courants, certains aussi petits que 0,127 mm de diamètre (les plus petits sont réalisés par électroérosion). Beaucoup de ces petits trous doivent être à la fois précis et profonds. Par exemple, une pièce tubulaire nécessite un trou central de 1 mm de diamètre percé sur 38,1 mm de profondeur … avec une épaisseur de paroi de seulement 0,178 mm … dans du titane. Et les pièces ne sont pas seulement rondes. Un certain nombre de pièces essentiellement prismatiques sont produites sur les machines suisses CNC grâce à leurs capacités de fraisage et aux avantages inhérents du maintien de pièce par barre pour produire ces pièces délicates.

Toutes les machines multi-axes sont des Citizen (Marubeni Citizen-Cincom, Allendale, New Jersey). Certaines sont des modèles trois axes relativement simples avec la broche mobile et guide-bush caractéristique du style suisse (Z), tourelle mono-axe (X) et positionnement rotatif de la broche principale (C). Des outils fixes et motorisés sont montés sur la tourelle pour le tournage ou le perçage et fraisage axiaux.

Les autres machines de Micro Med sont considérablement plus complexes. Les modèles de série E sont des conceptions six axes, qui ajoutent une seconde tourelle bi-axe et une contre-broche pour les opérations de reprise. Les tourelle jumelles permettent le tournage par pincement — c'est-à-dire le tournage avec deux outils à la fois — ce qui est efficace et, tout aussi important, contrebalance la tendance des pièces minces à fléchir sous l'effort d'un seul outil. Et la seconde tourelle permet une plus large gamme d'opérations sur des pièces tenues soit dans la broche primaire, soit dans la secondaire. De plus, des opérations de tournage ou fraisage peuvent être exécutées sur les deux broches simultanément.

Les modèles huit axes M-20 de l'atelier vont encore plus loin. Au lieu d'une seconde tourelle, les machines ont une plaque porte-outils à huit stations, capable de tenir jusqu'à cinq outils fixes et trois outils rotatifs. L'outillage en plaque est extrêmement efficace en tournage car il élimine le temps d'indexage des tourelles d'un outil à l'autre. Ces machines ont aussi une capacité d'axe Y pour l'outillage de la plaque, ce qui permet des opérations de fraisage et perçage décentrés avec les stations motorisées. Un huitième axe pivotant permet le contrôle en cours de processus de la pièce ou de l'outil, ou la manipulation robotisée de la pièce.

Le but de toutes ces machines est de permettre à Micro Med d'usiner même des pièces très complexes en un seul réglage. Les avantages de cette capacité sont nombreux. Le plus évident est l'économie de temps, de main-d'œuvre et de coûts d'en-cours pour l'acheminement des travaux sur une progression de machines à usage unique. Cela permet aussi à l'atelier d'être beaucoup plus réactif aux exigences de livraison de plus en plus pressantes des clients. Traiter une commande urgente est bien plus simple quand le travail n'a besoin d'être routé que sur une seule machine, plutôt que trois ou quatre.

Tout aussi importants sont les avantages qualitatifs. Chaque fois qu'une pièce est libérée d'un dispositif de maintien puis reprise, un nouvel élément de variabilité dimensionnelle s'ajoute au processus. Chez Micro Med, les tolérances de 0,025 mm sont typiques, mais ils doivent souvent tenir au « dixième » — 0,0025 mm — et le faire de manière constante. Compte tenu de la difficulté de monter ces petites pièces pour des opérations secondaires, il ne faut pas une pile très haute de tolérances de serrage pour faire dériver le processus d'usinage total hors des limites acceptables. Il est bien mieux de garder une seule prise sur la pièce pour tout le processus et d'éliminer ce problème à la source.

Maintenir un contrôle physique constant de la pièce apporte aussi une crédibilité scientifique à la maîtrise des processus de l'atelier, ce qui est une préoccupation centrale pour les clients soucieux de qualité de Micro Med. Dit Joe Davis : « Aujourd'hui, les gens regardent vos valeurs Cpk. Ils veulent savoir que vous avez votre processus sous contrôle. » Et pour leurs clients les plus sophistiqués, Micro Med est en position de fournir des études de faisabilité de fabrication statistiquement fiables. Cela va loin pour décrocher de nouveaux contrats.

Pourtant, la concurrence ramène le coût au premier plan — et pour les niveaux de qualité que l'atelier est configuré pour livrer, l'élimination des réglages a un impact bénéfique énorme. Un bon exemple est un connecteur médical qu'un autre fournisseur produisait en six réglages sur une succession de tours à mandrin et fraiseuses à usage unique. À des volumes de 4500 par mois, le client payait 8 $ par pièce. Micro Med a examiné la pièce, suggéré quelques changements simples pour l'usinabilité et l'a mise sur une machine six axes. « Nous avons fait descendre le coût à quatre dollars et quelques », dit M. Davis. L'ancien fournisseur facturait-il un taux excessif ? « Pas vraiment », dit-il, « c'était probablement à peu près en ligne avec ses coûts. Il n'avait tout simplement pas le meilleur processus pour faire le travail. »

De meilleurs processus

N'importe qui peut acheter de l'équipement, mais en faire le meilleur usage est une tout autre affaire, et c'est là que Micro Med excelle. La créativité de processus est extrêmement importante — pour l'efficacité et la qualité — et cela ne vient qu'avec des gens qui connaissent parfaitement les machines. Tout aussi critique est de savoir ce qui peut et ne peut pas être fait avec l'outillage standard, et comment l'outillage peut être modifié ou spécialement construit. Cette expertise permet à l'atelier de faire avec leurs des choses qui étonnent même les développeurs de machines. « Ne pas utiliser ces machines à leur plein potentiel, c'est comme conduire une voiture de course à 80 km/h », dit M. Davis. Chez Micro Med, ils aiment rouler vite.

Mais c'est parler figurativement, car atteindre des taux d'enlèvement de matière rapides n'est clairement pas l'objectif de cet atelier. Une préoccupation critique pour l'industrie médicale est la finition de la pièce — sans bavure et esthétiquement parfaite — mais l'efficacité et la qualité de cette opération finale ont beaucoup à voir avec la manière dont le métal a été enlevé au départ. La finition est une opération manuelle, et comme tout atelier de mécanique de précision, ils cherchent à la minimiser. « Nous échangerons volontiers du temps machine principal contre du temps de finition », dit M. Davis, mais ils ne peuvent récolter le fruit de cet échange qu'en construisant soigneusement la routine d'usinage.

Les bavures sont probablement la plus grande préoccupation unique. La meilleure façon de gérer les bavures est de les prévenir, et si elles sont inévitables, de gérer le processus de manière à ce qu'elles soient facilement éliminables dans un processus secondaire raisonnablement efficace. Cela signifie qu'ils doivent se soucier de la direction de la bavure, de sa taille et de ce qu'il faudra pour la casser. Ces considérations peuvent avoir un impact majeur sur les temps de cycle. Dans ce cas, cependant, la vitesse n'est pas aussi importante que l'état de la pièce à la sortie de la machine.

La gestion de la flèche de la pièce est un autre facteur qui peut ajouter un temps notable aux cycles d'usinage, et peut-être le domaine des secrets de fabrication les plus fins de l'atelier. Considérez que Micro Med maintient une intégrité dimensionnelle précise sur une gamme de pièces très élancées en matériaux extrêmement difficiles à usiner, souvent coupées avec des outils délicats encore plus enclins à fléchir que la pièce. Ils doivent comprendre à un degré extraordinairement fin les vitesses, avances et profondeurs de passe appropriées pour ces conditions. Par exemple, un filetage qui semble ne devoir prendre que huit passes peut en fait en prendre 18. Ils ont aussi découvert des moyens de fileter par sections et de les fondre toutes parfaitement. C'est fréquemment un processus lent et minutieux, mais rentable car la prévisibilité du processus est la préoccupation suprême de l'atelier.

La durée de vie des outils est un autre facteur important, pas tant pour le coût de l'outillage lui-même que pour, à nouveau, maintenir le contrôle qualitatif du processus. Les opérateurs doivent rester constamment vigilants pour retirer les outils usés d'un processus avant qu'ils ne le fassent dériver hors de contrôle. Et ils doivent éliminer les outils sous-standard du processus. La qualité de l'outil est critique même avec des matériaux apparemment tendres comme le platine — surtout avec le platine, qui est un matériau hautement abrasif, et évidemment d'une valeur telle que la reprise est une proposition coûteuse. Ou comme M. Davis le dit plus succinctement : « Quand vous percez un trou de 0,3 mm de diamètre, la qualité de l'outil est putain de critique, et vous ne pouvez pas supposer qu'un outil standard fera l'affaire. »

Comme les séries moyennes sont de 1500 à 2000 pièces, et que les centres de tournage/fraisage multi-axes sont des actifs coûteux à laisser inactifs, les opérateurs doivent être très bons pour mettre les travaux sur et hors des machines. Une façon d'y parvenir est le préréglage des outils. Sur certaines machines, par exemple, ils ont acheté des tourelles supplémentaires. Ainsi, les outils sont réglés et qualifiés hors ligne « à quelques dixièmes près ». Une fois ces tourelles montées, il ne faut que quelques pièces de réglage pour lancer le processus. Ce n'est pas dire qu'ils approchent des temps de changement de quelques minutes ; ces machines sont trop complexes. Mais ils lancent les travaux en une heure contre les six qu'il faudrait pour charger et régler individuellement tous les outils sur la machine.

Et il y a beaucoup d'autres choses à savoir. La programmation est importante, mais les commandes de machine offrent une bonne aide à ce sujet. Les opérations individuelles de tournage ou fraisage peuvent être programmées indépendamment, puis le CNC les compile automatiquement en une routine unique et efficace. Le maintien de pièce est aussi critique, particulièrement pour la reprise des pièces usinées dans la contre-broche, et parfois des collets spéciaux sont faits. C'est beaucoup à savoir. Mais la maîtrise par l'atelier de cette information critique de processus a, selon leur propre estimation, été la différence cruciale entre Micro Med et sa concurrence.

Repousser les limites

Micro Med a acquis une partie de cette connaissance en faisant les choses attendues au quotidien et en surveillant de près les résultats. Ils utilisent la MSP pour qualifier chaque nouveau processus, par exemple, et le suivent ensuite pour le contrôle de production. Mais la plus grande mesure de l'avantage concurrentiel le plus puissant de l'atelier vient de leur inclination persistante à repousser les limites du processus, cherchant constamment de nouvelles efficacités qui ne compromettent pas leurs standards de qualité.

Sans doute, les frères Davis sont fiers de leur « témérité de processus » — leur inclination à essayer de nouvelles idées et à résoudre les problèmes difficiles. Mais ce n'est pas simplement de la bravade qui les pousse ; ils croient que l'expérimentation continue des processus fournit les expériences d'apprentissage dont l'atelier a besoin pour maintenir son avantage concurrentiel. C'est une grande partie de la raison pour laquelle cet atelier de production est prêt à faire du prototypage — travaillant simultanément la pièce et le processus sur des équipements de production — pour la connaissance que cela apporte. Littéralement, ils cherchent à marier les limites extrêmes de leurs équipements de production très performants avec les exigences inhabituelles de l'industrie qu'ils servent. Parce que les gens clés de l'atelier viennent de l'industrie médicale, ils ont un avantage significatif à cet égard. Ils portent une grande connaissance des processus appropriés dans les contraintes du domaine, et peuvent même aller loin pour aider les clients à développer des designs — améliorant la fabricabilité sans sacrifier la fonctionnalité ni tomber dans les contraintes réglementaires courantes. Pour ces raisons, les dirigeants de l'atelier sont déterminés à garder l'entreprise très focalisée. Micro Med excelle dans le tournage suisse multi-axes aux standards de qualité les plus élevés, et c'est ce qu'ils continueront à faire. Fait intéressant, ce sens fort et constant de la focalisation aide les employés de l'atelier à ajuster leurs propres standards de qualité personnels à un niveau approprié pour le genre de clients que Micro Med sert, ce qui à son tour aide l'atelier à atteindre le bon équilibre entre qualité et efficacité. C'est un sujet délicat dans l'industrie médicale, qui devient de plus en plus sensible aux coûts, mais où les pièces doivent encore avoir l'air parfaites. « Vous voulez inculquer un désir de perfection », dit M. Davis, « mais en même temps, vous ne voulez pas qu'ils perdent du temps à atteindre un niveau au-delà des exigences pratiques du travail. » C'est un équilibre délicat, et il pense qu'il ne se prêterait pas à l'introduction d'usinage de type commodity dans le mélange. Soit l'atelier aurait des coûts excessifs pour de telles pièces, soit, pire, ils introduiraient une ambiguïté destructrice dans l'atelier sur ce que « assez bon » signifie.

Alors Micro Med continuera à se concentrer sur les pièces difficiles. M. Davis pense qu'il y en a beaucoup plus, et il est plus que prêt à parier sur la capacité de son atelier à continuer à concurrencer avec succès pour ce travail. MMS

Note de l'éditeur : Deux semaines après notre visite chez Micro Med, l'entreprise a annoncé qu'elle avait été vendue à Uniform Tubes, un fabricant de composants tubulaires sur mesure. Uniform Tubes apportera à Micro Med un soutien accru en ingénierie et ventes. Selon Joe Davis, la direction et la mission de l'entreprise resteront intactes.