Révolutionner l'usinage : le centre innovant qui équilibre précision et flexibilité

Comme quiconque impliqué dans la fabrication par usinage le sait, la bataille entre technologie d'usinage dédiée et technologie d'usinage flexible continue de faire rage dans les ateliers du monde entier. L'afflux de productions à haut mélange et faibles volumes dans la fabrication par usinage est indéniable et, plus que probablement, inarrêtable. Il semble imprégner tous les aspects des opérations d'usinage.

Ces termes généraux — haut mélange, faibles volumes — sont relatifs. Pour un atelier de moules, par exemple, une quantité de cinq pourrait être considérée comme « grand volume ». Chez un fournisseur de rang deux, le grand volume pourrait être 500 000 pièces ou plus. Et relativement parlant, le fournisseur de rang deux avec 500 000 pièces a peut-être ajusté sa production depuis un précédent 1 000 000 pièces basé sur les tendances globales de fabrication des dernières décennies. Aujourd'hui, ce même « grand volume » pourrait être plus comme 5 000 pièces. C'est relatif.

Dans la recherche d'équipements d'investissement permettant à un atelier d'optimiser sa production pour refléter les réalités de la demande de fabrication actuelle, il existe de nombreuses configurations de machines-outils parmi lesquelles choisir. L'un de ces designs est présenté ici. Il s'appelle le Multicenter et a été développé pour être une sorte de pont entre la production flexible à haut mélange et l'usinage dédié à grand volume.

Transfert rotatif morphing

Pour en savoir plus sur le concept derrière le Multicenter, nous avons parlé avec Maurizio Porta, propriétaire de deuxième génération de Porta Solutions, basé à Brescia, Italie. Son siège nord-américain est à Newington (Connecticut). Fondée en 1958 par son père Oscar, l'entreprise de M. Porta a commencé par construire des machines-outils spéciales pour diverses applications et a vu les changements dans les exigences de production dédiée versus flexible.

« À l'origine, nous fabriquions des machines-outils à transfert rotatif », dit M. Porta. « Ces machines reflétaient une époque où une machine était construite pour fabriquer une pièce. La pièce était reine, et créer des outils dédiés conçus pour optimiser sa production était la règle du jeu. »

Traditionnellement dans la technologie de transfert rotatif, un atelier obtenait un travail et concevait ensuite un système de production autour de la pièce. Certains travaux pouvaient tourner pratiquement inchangés pendant des années. Comme les cycles de vie des produits se sont raccourcis, les machines de production dédiées sont devenues moins justifiables économiquement dans de nombreuses applications, principalement parce que les re-outiller pour un nouveau travail est difficile, coûteux et généralement simplement pas worth l'effort.

En 2005, Porta a introduit sa solution à la machine dédiée versus machine flexible sous la forme du Multicenter. L'idée était de combler la technologie d'usinage dédiée conçue autour d'une pièce spécifique avec une plateforme de centre d'usinage qui pouvait être facilement re-outillée au fur et à mesure que les mélanges de pièces changeaient.

Centré sur un carrousel à quatre stations, la machine, dans sa configuration la plus populaire, comporte trois modules de centre d'usinage horizontal. La quatrième station sur la table de travail est une station de chargement/déchargement qui peut être manuelle ou automatisée.

Chacun des trois modules HMC est capable d'usinage trois ou vrai quatre axes à chaque station. Les modules de centre d'usinage opèrent progressivement, mais sont contrôlés indépendamment. Avec la machine produisant une pièce, une pièce en plusieurs opérations, ou plusieurs pièces différentes en même temps. Les quatre pièces différentes seraient travaillées par les trois broches avant de revenir à la station de chargement/déchargement finies.

Avec trois broches, les opérations d'usinage peuvent être variées selon les besoins, ajoutant à la flexibilité de la machine. Une rotation du porte-palettes à quatre stations peut produire une pièce complète, quatre pièces complètes ou une variation des quatre. Cependant, M. Porta dit que la plupart des applications utilisent une séquence d'usinage progressive.

M. Porta parle d'une application où le client a produit trois pièces différentes sur un cycle du Multicenter. « Ces pièces entraient dans un assemblage, donc chaque cycle de la machine produisait un ensemble complet de pièces », dit M. Porta. « Après usinage, les pièces étaient assemblées et expédiées au client. C'était une application très efficace. »

Multicenter comparé aux HMC

Les HMC commencent à voir des investissements accrus dans les ateliers confrontés au haut mélange et faible volume. Ils ont une flexibilité inhérente et s'adaptent facilement à l'automatisation en utilisant des systèmes de navette à palettes pour faire entrer et sortir le travail de la machine-outil. De plus, la capacité d'outils de coupe de la conception horizontale est supérieure à son plus grand concurrent, le VMC.

Des enquêtes menées par l'activité d'études de marché interne de Production Machining, Gardner Intelligence, montrent une hausse significative des projections d'achat de HMC ; 85 % de plus que les chiffres de 2017.

Cependant, M. Porta souligne que si les volumes et la complexité des pièces exigent plus d'un HMC, le Multicenter trouve sa niche. « C'est un pont entre la très haute production d'une machine à usage spécial et le volume plus faible avec flexibilité d'un HMC », dit-il. « Le Multicenter se situe entre ces deux classes de machines, et c'est une machine-outil standard, pas une machine spéciale, ce qui rend les délais beaucoup plus courts. »

La machine est conçue pour un cube de travail de 10 pouces, bien que le design soit extensible pour des pièces plus grandes. Chacun des trois centres d'usinage est servi par son propre changeur d'outils, avec une capacité de 12 outils en standard sur chacun. Plus de capacité, jusqu'à 40 outils chacun, est disponible si nécessaire. Chaque broche de machine a trois axes au bout de l'outil et un quatrième axe rotatif est situé sur chaque table de travail. Tous les axes sont contrôlés par la commande numérique FANUC ou Siemens de la machine.

Emprise au sol réduite, moins d'énergie

L'avantage de conception du Multicenter, dit M. Porta, est qu'un client typique pour cette machine, qui a besoin de trois ou quatre HMC pour atteindre ses chiffres de production, peut les obtenir sur une seule plateforme. C'est plus facile à exploiter, cela consomme moins d'énergie et prend moins d'espace au sol.

Les exigences d'espace au sol d'un HMC, avec ses zones de chargement et déchargement associées, ne sont pas négligeables. « Maintenant, multipliez cet espace par trois et les choses deviennent assez grandes », dit M. Porta. « Parce que le Multicenter est essentiellement trois HMC sur une seule plateforme, il n'occupe que 87 mètres carrés. Nous calculons que trois HMC typiques, avec l'automatisation associée, prendraient 240 mètres carrés. »

Le Multicenter comparé à trois centres d'usinage horizontaux autonomes consomme 50 % d'énergie en moins, selon M. Porta. Il cite des chiffres de consommation de 51 kWh pour le Multicenter versus 120 kWh pour trois centres d'usinage, avec une production équivalente.

Ces taux sont justifiés par la réduction des accessoires redondants, dit-il. Par exemple, les centres d'usinage entraînent trois systèmes d'automatisation, trois convoyeurs à copeaux et trois changeurs de palettes. De plus, il y a plus de maintenance associée à trois plateformes versus une.

Deux clients cibles

Selon M. Porta, le Multicenter a deux clients cibles. Comme l'entreprise a été construite sur le haut volume, machines spéciales, le Multicenter est conçu pour être un centre de production en volume.

« Certains de nos clients dédient le Multicenter à une seule pièce, comme une machine spéciale », dit M. Porta. « Ces ateliers fabriquent des quantités automobiles dans la fourchette 700 000-1 000 000 pièces par an dans certains cas. Les avantages inhérents des trois centres d'usinage sur une plateforme — réduction des coûts par moins d'espace, moins d'énergie et moins de main-d'œuvre — s'appliquent toujours dans ces applications. »

Là où le Multicenter diffère de son ascendance de machine spéciale, c'est sa capacité à être compétitif en coût dans les applications à volume plus faible. « Certains de nos clients utilisent le Multicenter pour exécuter des commandes de production qui ne sont pas à haut volume, mais plutôt à haut mélange », dit M. Porta.

Pour ce second groupe cible, des lots de 500 à 5 000 sont typiques. Ces ateliers ne fabriquent généralement pas de pièces pour stock, mais exécutent plutôt des commandes « spot ».

Ces ateliers tendent à utiliser la capacité du Multicenter pour répondre aux commandes au fur et à mesure qu'elles arrivent. Les machines dans ces ateliers de travail à la commande sont outillées pour la production flexible plutôt que dédiée.

Bridage à changement rapide

La structure du Multicenter est assez différente d'un HMC. La base de la machine est une construction soudée que M. Porta décrit comme une structure en boîte fermée. À l'intérieur de la boîte, une table rotative à quatre stations porte les palettes d'usinage. La boîte a trois murs avec un module de centre d'usinage sur chacun avec son propre ensemble de guides linéaires. Le quatrième mur est ouvert pour que la station de chargement/déchargement accède à la zone de travail.

En développant le Multicenter, Porta a conçu le système de bridage pour qu'il soit flexible. Monté sur chacune des trois palettes de la machine se trouve un récepteur qui peut être indexé pour la position ou en continu pour le contourning en axe B par la palette. Les récepteurs sont standardisés et restent en place sur la palette.

Les serrages pour les pièces spécifiques se montent sur le récepteur et s'ouvrent ou se ferment sous commande numérique et l'hydraulique est constamment surveillée par la commande. Le changement de série s'effectue en remplaçant simplement les serrages sur le récepteur. Cela donne un temps de changement de 30 secondes.

Pour accéder à la cinquième face d'une pièce, le dispositif est conçu pour indexer à 90 degrés pour exposer cette face à la broche. Bien que cette opération se fasse généralement sur la broche trois, elle peut être faite sur toutes les broches si nécessaire. Les dispositifs sont aussi capables d'une option axe U si du tournage à pointe unique est requis pour finir la pièce.

Exécution du programme

La programmation pour le Multicenter à trois broches est relativement simple. Chaque module de centre d'usinage a sa propre page dans la commande FANUC ou Siemens, donc sa programmation est essentiellement une machine trois axes, avec un axe B, à la fois. La programmation progresse de la broche un à deux à trois.

Même s'il y a effectivement trois programmes séparés qui tournent simultanément, il n'y a pas besoin d'une commande de synchronisation séparée. Les deux marques de CNC que Porta utilise opèrent la synchronisation des programmes en arrière-plan de la commande.

Comme la machine a trois broches et tourne généralement des opérations séquentielles, l'équilibrage du temps de cycle pour éliminer le temps mort est important. Porta a développé un logiciel avec Microsoft appelé Energy Characterization.

En lisant la consommation d'énergie des moteurs de broche, le logiciel réduit efficacement la puissance pour les coupes légères et la transfère, par freinage régénératif, à la broche qui en utilise plus. Le résultat net est une consommation d'énergie optimisée.

Porta est compatible avec la capacité de connectivité Industrie 4.0. Certains de ses programmes de développement sont relativement avancés. L'information disponible, que la production soit de 1 000 000 pièces ou 500 pièces, a de la valeur pour tout fabricant. Les données rejoignent les copeaux comme monnaie de la fabrication par usinage.