L'impression 3D améliore l'automatisation dans la fabrication métallique

L'inspection manuelle des pièces à intervalles réguliers a provoqué la pause de production de cette cellule de tournage automatisée. L'impression 3D d'une goulotte de collecte de pièces pour une livraison à l'extérieur de la cellule a éliminé ce problème. (Toutes les photos sont gracieuseté de Superior Metal Products, sauf indication contraire.)

Il y a un an, j'ai pu visiter Superior Metal Products d'Omaha pour écrire un article sur une cellule robotique complexe dans laquelle un centre de tournage bimandrin Doosan TW2600 effectuait des opérations de surfaçage sur une famille de composants de pompe en fonte ductile moulée. En bref, cette cellule comportait un convoyeur entrant alimentant les pièces brutes vers un robot FANUC qui les chargeait dans la machine, puis déchargeait les pièces finies et les plaçait sur un chariot.

C'était la deuxième cellule d'usinage robotique de l'atelier. Sa première, installée en 2018, comporte un centre de tournage Okuma LB3000 EXII fonctionnant sans surveillance grâce à une unité de chargement robotique et de stockage de pièces LoadAssistant de Halter. Cette unité autonome, qui est installée juste à gauche de la porte de la machine, comporte un robot FANUC et une table indexable à deux faces pour tenir les ébauches de matière et les pièces finies, respectivement. Les opérateurs peuvent accéder en toute sécurité à la moitié de la table pour retirer les pièces finies et charger de nouvelles ébauches pendant que le robot manipule la matière pour servir la machine sur l'autre moitié de la table.

Cette photo, que j'ai prise avant l'ajout de la goulotte de collecte de pièces, montre comment l'opérateur devait entrer dans la zone du robot pour accéder à une pièce à inspecter.

Une clôture partielle sépare l'opérateur de la machine de la partie de la table de stockage que le robot peut accéder. Cependant, la zone devant la porte de la machine est ouverte pour permettre à l'opérateur d'approcher la machine lorsque nécessaire. C'est possible car le scanner laser de l'unité peut détecter quand l'opérateur s'approche de cette zone. Il déclenche le ralentissement du robot lorsqu'une personne entre dans une zone de sécurité extérieure définie au sol et l'arrête si la personne entre dans la zone intérieure définie plus près de la machine et du robot.

Au fil des ans, cette configuration a permis à Superior Metal Products de réaliser une bonne partie d'opération machine sans surveillance. Cela dit, l'inspection requise des pièces à intervalles définis signifiait que l'opérateur devait entrer dans les zones de sécurité pour accéder aux pièces à mesurer, interrompant temporairement la production. Une goulotte de collecte de pièces en plastique astucieuse, imprimée sur l'imprimante 3D de bureau de l'atelier et installée sur la clôture du LoadAssistant, a résolu ce problème. Le robot peut maintenant déposer les pièces à inspecter dans la goulotte où l'opérateur peut y accéder sur un plateau sans entrer dans les zones de sécurité scannées au laser et sans arrêter la production. En fait, ce n'est qu'un exemple de la façon dont Superior Metal Products a utilisé son imprimante 3D pour fabriquer des articles qui sont non seulement utiles sur le terrain de l'atelier mais qui sont peut-être plus faciles à créer que par usinage traditionnel.

L'impression comme alternative à l'usinage

Superior Metal Products dispose d'une richesse d'équipements dans son installation de 30 000 pieds carrés. Cela inclut des centres d'usinage verticaux et horizontaux et des centres de tournage, ainsi que des équipements de taillage, de brochage, de rectification, de rodage, de soudage et d'équilibrage. L'imprimante 3D plastique de l'atelier, un modèle de bureau Lulzbot TAZ-6, a été achetée fin 2017.

La première étape de l'impression 3D est la création d'un modèle CAO de la ou des pièces. Voici un modèle des composants qui composent la goulotte de collecte de pièces.

Frank O'Connor, président de Superior Metal Products, dit que bien qu'il ne sache pas exactement comment l'imprimante pourrait aider à soutenir les besoins de l'atelier, le moment lui semblait propice pour l'acheter et l'expérimenter. Depuis, l'atelier a imprimé un certain nombre d'articles qui se sont avérés précieux pour soutenir divers processus d'usinage et de fabrication dans son installation.

« C'est incroyable combien d'utilisations internes un atelier d'usinage typique peut avoir pour des articles imprimés en 3D », dit O'Connor. « Bien qu'il soit vrai que certains articles peuvent être usinés, les produire via l'impression 3D est parfois la voie la plus facile à prendre. »

Il explique qu'avec l'impression 3D, il crée un modèle CAO de la pièce ; définit une poignée de paramètres d'impression, y compris la température, le pourcentage de remplissage (géométrie interne) et l'épaisseur de paroi ; appuie sur « imprimer » ; et revient plus tard pour trouver une pièce terminée sur le plateau de construction de l'imprimante. Avec l'usinage, il devrait créer une esquisse ou ce même modèle CAO de la pièce ; écrire un programme CNC (à ce stade, l'imprimante 3D pourrait être en train d'imprimer la pièce et il pourrait passer à autre chose) ; trouver et scier des ébauches de matière ; rassembler les outils de coupe et éventuellement les dispositifs de serrage ; configurer la machine ; et, enfin, inspecter la pièce usinée. Cela consomme non seulement son temps mais aussi celui d'une machine qui pourrait sinon tourner des pièces de production.

« Je ne critique pas l'usinage. L'usinage est bien plus cool que l'impression 3D », plaisante O'Connor. « En plus, mon gagne-pain dépend d'une demande pour des pièces usinées. Mais, pour des pièces uniques ou de faible volume qui peuvent fonctionner de manière sûre et fiable lorsqu'elles sont faites de matériaux imprimables, l'impression 3D est une belle option. »

Voici la partie principale de la goulotte en cours d'impression. Notez les supports au milieu qui sont retirés une fois l'impression terminée.

La goulotte de pièce avec plateau de collecte pour la cellule Okuma automatisée est un bon exemple. L'entrée de la goulotte est située dans la zone protégée (à l'intérieur de la clôture et des zones scannées au laser) et sa sortie est à l'extérieur de cette zone. O'Connor dit que les avantages incluent non seulement l'accès à la pièce sans mettre en pause la production et le respect cohérent de la fréquence d'inspection, mais aussi que l'opérateur de la cellule peut effectuer une tâche près de la cellule et jeter un coup d'œil rapide pour la présence de pièce dans le plateau pour savoir s'il est temps d'inspecter une pièce.

Une routine personnalisée dans le contrôle LoadAssistant de Halter prend des données conversationnelles pour enregistrer la longueur de la pièce et ajuster le point de dépôt en conséquence pour assurer une entrée fluide dans la goulotte.

O'Connor dit que l'opération de dépôt de pièce par le robot est une routine personnalisée créée via le contrôle LoadAssistant. L'opérateur ajoute simplement la routine à la liste des tâches du robot et remplit ensuite une valeur de registre dans le pendant d'enseignement FANUC pour définir la fréquence de dépôt d'inspection. Lorsque le compte du registre est atteint, la prochaine pièce finie est placée dans la goulotte, au lieu d'être livrée à la table LoadAssistant. « L'aspect soigné de la routine personnalisée est qu'elle utilise les données conversationnelles de Halter pour enregistrer la longueur de la pièce et ajuste le point de dépôt en conséquence pour assurer une entrée fluide dans la goulotte », dit O'Connor.

Autres exemples d'impression

Pendant ma visite en 2019, j'ai remarqué un certain nombre d'autres dispositifs utiles que Superior Metal Products a conçus et imprimés pour soutenir ses divers besoins de terrain d'atelier. Voici des exemples de celui que j'ai vu ainsi que d'autres qui ont été ajoutés récemment.

Des plateaux imprimés en 3D comme celui que j'ai photographié tiennent des outils à changement rapide utilisés sur un tour bimandrin dans une autre cellule d'usinage automatisée de l'atelier. Les plateaux reposent sur la lèvre de l'enceinte de la machine pour un accès facile de l'opérateur. O'Connor dit qu'ils fournissent également à l'équipe de surveillance de la cellule un indicateur visuel quant aux outils qui ont besoin d'indexer ou de remplacer les plaquettes pendant que la cellule tourne. Quand les plateaux sont sur la table de travail de la cellule (en dehors de la clôture de sécurité), les outils avec les arêtes de coupe pointant vers la machine sont prêts à être installés tandis que ceux avec les arêtes de coupe pointant loin de la machine ont besoin de plaquettes rafraîchies avant le prochain cycle de changement.

Des mors d'étau comme ceux-ci peuvent être imprimés en 3D pour accommoder des formes semi-complexes. Ceux-ci ont été imprimés en polyéthylène téréphtalate glycol (PETG) avec un remplissage solide. Ils peuvent résister à 50 ft-lbs de couple de serrage d'étau et ont été utilisés pour les opérations de fraisage, perçage, alésage et brochage pour cette pièce particulière. O'Connor note qu'il n'y avait aucun signe de dégradation à la fin de la série de 25 pièces.

Ce système de stockage modulaire avec plateaux et un concept de rack de poste de travail commun est utilisé pour tenir divers gabarits d'inspection. Goupilles de gabarit, gabarits de filetage, dispositifs d'inspection spécifiques aux pièces, etc. sont mis en kit par le personnel de contrôle qualité et envoyés au terrain de l'atelier dans le cadre de la configuration/lancement de travail pour la production.