Débloquer les avantages cachés de l'automatisation robotique dans la fabrication

Pour comprendre pourquoi Stabiltec a acheté un robot, vous n'avez même pas besoin d'entrer dans l'usine. À l'extérieur de l'installation de production de l'entreprise à Parks, en Louisiane, un panneau « Recrutement » bien visible liste « Opérateurs CNC » en tête de liste des postes ouverts. Le panneau y restera presque certainement aussi longtemps que l'activité restera forte dans l'industrie pétrolière et gazière, le marché que dessert Stabiltec. L'entreprise a installé un robot comme moyen de garder ses machines-outils alimentées tout en utilisant ses ressources de main-d'œuvre limitées aussi efficacement que possible, car l'employeur ne peut pas pourvoir tous les postes de fabrication qualifiés qui seraient justifiés par l'activité actuelle.

En fait, le co-propriétaire Keith Boutte dit que l'usine achètera presque certainement un autre robot. Les avantages inattendus du passage à l'automatisation de l'entreprise ont rendu l'investissement significativement plus rentable que ne l'avaient prévu ces deux hommes.

Trop simple pour le personnel qualifié

Stabiltec fabrique une gamme d'outils de fond de trou pour le forage pétrolier et gazier. Cette gamme en elle-même fait partie de ce qui rend le fabricant distinctif. L'entreprise qui allait devenir Stabiltec a été fondée il y a 25 ans, mais une série d'acquisitions au cours des 3 dernières années seulement en a fait un fabricant à source unique non seulement de composants pour forer le trou, mais aussi de matériel de diagnostic pour mesurer et évaluer le trou.

Le forage directionnel est une spécialité. Stabiltec fournit les pièces usinées pour les systèmes de forage pétrolier et gazier qui entrent dans le sol verticalement, mais atteignent les réserves souterraines horizontalement par un courbement progressif de la tige. M. Boutte conçoit les composants du système de forage directionnel selon les divers besoins des différents OEM qui offrent des produits de forage directionnel.

Le défi dans la fabrication de ces composants est que certaines pièces exigent un usinage qualifié. Les sections de carter souterraines qui se courbent jusqu'à 3 degrés sont usinées par des opérations de tournage qui nécessitent des montages inhabituels sur le tour. Plus précisément, après qu'une extrémité de la pièce est tournée droite, l'autre extrémité est tournée pour être délibérément « tordue » au moyen d'un montage décalé par rapport à l'axe central. Ainsi, une quantité de faux-rond et d'écart au parallélisme qui serait considérée comme une erreur extrême sur la plupart des pièces tournées est délibérément usinée dans ces composants. Des opérateurs qualifiés doivent faire tourner de telles pièces.

Le problème de Stabiltec était que ces employés qualifiés sont en pénurie, et que d'autres travaux d'usinage prenaient trop de leur temps. Les pièces de transmission étaient l'exemple principal. Ces pièces sont des composants de ce qui est, en essence, un joint universel permettant à la foreuse souterraine de continuer à tourner pendant qu'elle se courbe progressivement. Les pièces de transmission ne sont pas moins critiques et pas moins précieuses que les sections de carter, mais les montages des pièces de transmission sont beaucoup plus simples. Stabiltec perdait trop de capacité de main-d'œuvre au travail relativement non qualifié de manœuvrer ces pièces dans les machines-outils à l'aide d'un pont roulant. Une fois que les dirigeants de l'entreprise ont reconnu qu'ils ne pouvaient pas combler leur besoin de capacité de main-d'œuvre qualifiée par l'embauche, ils ont décidé de libérer leur capacité de main-d'œuvre existante en automatisant des étapes comme celle-ci.

Mais quelle était la bonne façon d'automatiser ? L'entreprise dit que l'automatisation robotique n'était pas le premier choix envisagé.

Raisons pour une cellule robotique

Bien que les pièces de transmission varient considérablement d'un client à l'autre, elles ont toutes en commun une combinaison de tournage, fraisage et perçage. Pour cette raison, les dirigeants de l'entreprise ont initialement pensé que le multitâche serait le bon moyen d'atteindre un usinage plus efficace en main-d'œuvre. Auparavant, l'usinage de chaque pièce impliquait des opérations sur un tour et un centre d'usinage. Passer à une machine capable de faire tournage, fraisage et perçage en un seul cycle ne laisserait qu'une seule machine-outil dans laquelle charger la pièce. Le rôle de l'opérateur serait donc réduit.

Cependant, une analyse plus approfondie a révélé que le multitâche n'était pas la solution idéale pour cette application. Un défaut était le coût. En raison des opérations de perçage et d'alésage à travers les trous, la machine aurait besoin de grandes courses pour accueillir de longs outils. Une machine multitâche assez grande pour faire le travail coûterait le même prix que le prix combiné que Stabiltec a finalement payé pour le robot, le tour et le centre d'usinage qui font maintenant ce travail.

Un autre défaut était le débit. La machine multitâche pouvait soit tourner une pièce, soit la fraiser, mais elle ne pouvait pas faire les deux opérations à la fois. Laisser le travail réparti entre un tour et un centre d'usinage serait plus productif, car les machines pouvaient effectuer ces opérations simultanément sur différentes pièces. Le chargement robotique reproductible éliminerait le risque d'erreurs de manipulation ou de montage typiques des processus impliquant plusieurs machines.

L'argument final en faveur d'une cellule robotique revenait à la capacité de main-d'œuvre. Une machine multitâche réduirait le besoin de main-d'œuvre, mais la machine aurait encore un opérateur pour la charger. En revanche, la cellule robotique permettrait à l'atelier de se passer de main-d'œuvre pendant de longues périodes dans l'usinage des composants de transmission.

Maintenant, ces pièces tournent dans une cellule dans laquelle un robot FANUC Robotics R-2000iB d'une capacité de 165 kg charge et décharge à la fois un tour CNC Mighty USA Viper VT36CL-2000 et un centre d'usinage vertical Haas VF-5XT. L'entreprise a justifié l'ensemble de la cellule sur la base de la libération des opérateurs pendant la journée et de la poursuite de la production dans la nuit. Une fois la cellule opérationnelle, cependant, l'entreprise a commencé à voir d'autres sources de retour sur investissement très réelles de la production automatisée.

Avantages imprévus

Ces avantages supplémentaires comprennent tous les suivants :

1. Meilleur prix pour les contrats. Stabiltec utilise le robot en mode haute mixité, faible volume. Les quantités de commande sont souvent aussi faibles que 10 pièces. Pourtant, lorsque l'atelier a le luxe de faire tourner une quantité stable, la production constante du robot permet à l'atelier de prédire de manière fiable les délais et les coûts. Cette prévisibilité permet une marge plus serrée. En conséquence, la différence de prix entre l'usinage à court terme et la production sous contrat est plus grande pour la cellule robotique que pour toute autre ressource de production. Sur la base des économies de prix, certains clients qui ne s'étaient jamais engagés auparavant dans des contrats de production annuels l'ont maintenant fait avec Stabiltec.

2. Internalisation plus facile. En augmentant la capacité pour les pièces de transmission, la cellule robotique a permis à l'entreprise de ramener en interne diverses autres pièces qui avaient été sous-traitées à des fournisseurs. Auparavant, l'entreprise sous-traitait tant d'usinage que ramener ce travail en interne aurait apparemment nécessité quelque chose comme six nouvelles machines et six nouveaux employés pour les surveiller. La cellule robotique a changé cette donne. La cellule automatisée représente essentiellement une grande quantité de capacité potentielle concentrée dans un système compact. Cette capacité concentrée et simplifiée peut absorber beaucoup de travail, permettant ainsi beaucoup d'internalisation.

3. Protection de la propriété intellectuelle du client. Stabiltec ne vend pas directement aux champs pétrolifères ; elle produit des pièces pour des OEM. Cela signifie que l'atelier a accès aux conceptions des OEM avant le reste du marché. Garder ces conceptions proches en limitant la sous-traitance aide l'atelier à gagner la confiance des clients. Ainsi, la capacité d'internalisation que le robot fournit n'est pas seulement un avantage d'efficacité, mais aussi un avantage marketing.

4. Ouverture plus facile vers des affaires supplémentaires. Les besoins d'usinage des composants de transmission en faisaient des cibles logiques pour l'automatisation, mais Stabiltec a vite découvert que leur place sur le marché les rendait également idéaux pour la production dans la cellule robotique. Stabiltec est connu pour le forage directionnel, et l'entreprise est souvent sollicitée par des OEM voulant produire des systèmes de transmission de forage directionnel selon de nouveaux designs. Produire ce produit de base efficacement aide l'entreprise à construire des relations, et ces relations mènent souvent à des opportunités d'affaires supplémentaires. En d'autres termes : utilisez l'automatisation pour faire le meilleur travail possible sur la pièce qui vous fera entrer dans la porte.

5. Plus grande flexibilité. Cela peut sembler contre-intuitif, mais l'entreprise dit que les machines chargées par robot sont plus flexibles que celles supervisées par des employés. C'est parce que le robot est capable d'« apprendre » un nouveau processus instantanément. Les humains ne font pas cela. Un employé humain doit être entraîné et transitionné progressivement vers un ensemble de procédures modifié, mais un robot peut être redéployé et reprogrammé en une journée, sans jamais revenir à d'anciennes habitudes.

Un tel changement est sur le point de se produire, dit-il. Actuellement, trop d'usinage des pièces de transmission a lieu dans le tour. Le centre d'usinage attend fréquemment. Par conséquent, Stabiltec ajoutera un tour supplémentaire pour répartir le travail de tournage dans cette cellule. Le robot sera reprogrammé pour transférer le travail entre ces trois machines au lieu des deux actuelles. Ce nouveau tour n'aura pas besoin d'être aussi grand que l'actuel car tout le perçage et l'alésage à long outil resteront sur cette première machine. Ainsi, pour le prix d'une machine-outil relativement peu coûteuse, l'atelier réalisera encore plus de la productivité potentielle de la cellule automatisée.

Plus de capacité à venir

Le soudage est susceptible d'être le prochain candidat pour l'automatisation robotique, dit M. Boutte. Similaire à l'usinage, certaines opérations de soudage impliquent des tâches simples et répétitives qui éloignent un employé du travail à plus haute qualification. Dans la zone d'usinage, le robot a démontré la valeur de l'automatisation de ces tâches simples. En effet, l'endroit où le robot ressemble à un employé humain est dans le système ERP Global Shop Solutions de l'atelier. L'atelier a donné au robot un code d'employé dans ce logiciel pour pouvoir suivre la performance du robot comme substitut au chargement et déchargement manuels. Sur la base de ce suivi, l'entreprise est en mesure de dire que le robot a réduit le coût de la main-d'œuvre associé à l'usinage des pièces de transmission de 76 % tout en augmentant la capacité d'usinage des pièces de transmission de 49 %.

Il reste encore plus de capacité à gagner. Après l'ajout du deuxième tour, M. Boutte dit que la limitation restante la plus significative sera l'espace au sol. Qu'un facteur si simple puisse être si important peut sembler surprenant, mais dans le cas de Stabiltec, cette limitation s'est avérée limitante en effet. En termes simples, il n'y a que tant de place pour placer du stock à portée du robot. En conséquence, cet espace dicte combien de production la cellule peut fournir. En fait, c'est à cause de cette limitation que la cellule n'a pas encore fonctionné pendant 24 heures complètes – fonctionnant couramment 16 à 20 heures par jour au lieu de cela. Pour surmonter cet obstacle simple, l'entreprise explore une solution simple : un système de rack vertical qui augmentera considérablement le rendement de la cellule.