Maximiser la productivité en soudage avec des cellules robotisées Lean

Conçues selon les principes du lean manufacturing pour réduire le gaspillage et améliorer le flux de travail, les cellules de soudage à l'arc robotisées peuvent offrir précision, fiabilité, polyvalence et rapidité pour de nombreuses applications industrielles dans divers secteurs. Si certains fabricants affirment que la cellule robotisée la plus efficace du marché est celle avec la plus petite emprise au sol, d'autres facteurs entrent en jeu. Ce qui nous amène à la question : quelle est l'utilisation la plus efficace du précieux espace au sol ?

Pour que les fabricants obtiennent un retour sur investissement (ROI) maximal sur une période de retour donnée, il est impératif d'utiliser la cellule la plus efficace possible pour traiter une application et un type de pièce donnés. Les tendances d'achat récentes suggèrent que l'acquisition d'une cellule robotisée plus grande avec des robots supplémentaires peut être une solution plus productive pour une entreprise cherchant à augmenter le débit et améliorer la qualité des produits, comblant ainsi les pénuries de main-d'œuvre et répondant aux demandes des clients.

Alors que de nombreux fabricants asiatiques privilégient une cellule robotisée à petite emprise, les entreprises américaines se sont généralement moins préoccupées de l'espace au sol. Cette mentalité évolue cependant, alors que les fabricants cherchent à atteindre des objectifs de productivité accrue. Yaskawa propose une variété de cellules de soudage standard, qui font partie de la série ArcWorld^®. Ces cellules peuvent illustrer six facteurs qui contribuent à la productivité de l'espace au sol. À leur tour, ces facteurs peuvent aussi expliquer les tendances d'achat récentes et évaluer le facteur moteur pour obtenir plus de productivité de l'espace d'usine.

Six facteurs clés à considérer :

La réponse à l'efficacité de la cellule peut résider dans la comparaison de certains facteurs et l'examen de ratios simples. Pour évaluer la productivité d'une cellule robotisée, les fabricants devraient considérer les éléments suivants :

1. Surface de la pièce
   La surface de la pièce est simplement l'espace nécessaire pour supporter un produit. Par exemple, un fournisseur de sièges automobiles a une différence de taille évidente entre les supports d'inclinaison, les sièges avant et les dossiers de sièges arrière 60/40 pour sous-ensemble. Avoir suffisamment de surface de pièce pour produire efficacement et efficacement des pièces de qualité avec l'outillage est crucial. Le positionnement des pièces est aussi un facteur. Si la pièce doit être réorientée, elle aura besoin d'un volume tridimensionnel plus grand.
2. Surface de la cellule
   Cela fait référence à la taille de l'emprise au sol totale de la cellule, c'est-à-dire l'espace au sol d'usine que le système robotique englobe. Les fabricants peuvent considérer les cellules plus petites comme une utilisation plus efficace de l'espace. Bien que l'emprise de la cellule soit une préoccupation valable, choisir un système robotique basé uniquement sur l'emprise n'est pas idéal. De même, les cellules à poste unique devraient être évaluées par paire lorsqu'on les compare à une cellule à deux postes.
3. Surface de sécurité
   Un espace ouvert, où un opérateur doit s'éloigner pendant l'indexage du positionneur pour être conforme aux réglementations de sécurité, est appelé surface de sécurité. Certains fabricants personnalisent une cellule robotisée avec des portes enroulables pour minimiser l'espace de la surface de sécurité. Suspendre des bacs à pièces pour les petites pièces dans cette zone aide à utiliser cet espace et améliorer l'ergonomie.
4. Surface opérateur / stockage de pièces
   La surface opérateur désigne l'espace où l'opérateur saisit ou place les pièces dans l'outillage de la cellule. Les cellules avec espace de sécurité peuvent potentiellement encombrer un opérateur avec le stockage des pièces, ce qui nécessiterait qu'une cellule à poste unique soit équipée d'un couloir plus large. Les cellules à poste unique sont parfois placées face à face, de sorte que l'opérateur charge l'une puis dessert la cellule du côté opposé de l'allée.
5. Quantité de robots
   Le nombre de robots de soudage à l'arc – ou « arcs » désignant les torches de travail – dans une cellule est également primordial lors du choix d'une solution robotique. L'ajout d'un deuxième ou troisième robot peut presque doubler ou tripler la production de soudage avec peu ou pas d'impact sur l'espace au sol. Cela augmente la « densité d'arc » d'une cellule donnée.
6. Coût
   Le prix de la cellule est considéré à tout stade de la conception et de la mise en œuvre. Souvent, le robot représente un pourcentage plus faible du coût lorsque les positionneurs, commandes de cellule et outillages sont inclus. D'autres éléments, comme les capteurs laser, pourraient aussi augmenter le coût mais améliorer le temps de cycle. Les exigences de pièce et de débit du client dicteront dans quelle mesure ils valoriseront ces fonctionnalités ajoutant du coût lors de la création d'une cellule extrêmement efficace.

Application

Lors du choix de la cellule la plus productive pour une application et un type de pièce donnés, les fabricants devraient évaluer les facteurs clés impactant l'efficacité de la cellule en tant que comparaisons. Par exemple :

• Surface Pièce / Surface Cellule = Ratio Surface Pièce-Cellule
• Pièce / Cellule X Qté Robot Arc = Densité d'Arc ou Ratio Productivité Cellule
• Ratio de $ par Surface au sol et # d'Arcs = Ratio Valeur
• Coûts d'intégration (1x par cellule) : API + IHM + Alimentations + Outillage + etc.

Exemple 1 : Un atelier de travail à façon ou une entreprise automobile peut envisager l'ArcWorld C-52 (AWC-52), une cellule compacte pour fabrication de faible à moyen volume avec deux postes à table plate (un AWC-52S a des broches pour retourner les pièces). Cette cellule offre une performance puissante dans un format compact, avec :

• Emprise au sol réduite
• Un robot Motoman^® à six axes
• Porte enroulable
• Pack soudage intégré
• Taille max pièce (mm) 760 x 700 capacité

Choisir une cellule plus petite basée sur la taille de la pièce peut sembler la meilleure utilisation de l'espace, mais après avoir considéré la taille de pièce plus petite conjointement avec l'emprise totale de la cellule, l'efficacité surfacique globale de cette cellule n'est que de 12 %. En évaluant la capacité de production de la cellule, le nombre de robots de soudage à l'arc a aussi été évalué. Après avoir calculé le ratio surface pièce/robot et le comparé au nombre d'arcs, il a été déterminé que le ratio de productivité de la cellule AWC-52 était encore de 12 % d'efficacité en raison du robot unique. Malgré un coût d'entrée bas, un temps de montée en charge rapide, un design à emprise serrée et des capacités de protection faciles, cette cellule peut ne pas suffire pour certains fabricants quand les comparaisons sont faites.

De même, les cellules compactes à poste unique devraient être évaluées par paire, comparées à une cellule à deux postes. Ce type de configuration ajoute un robot de soudage à l'arc supplémentaire au processus, mais ajoute aussi plus d'espace à la surface opérateur. Bien que cette cellule élimine le temps de balayage du positionneur, elle force l'opérateur à marcher, offrant une ergonomie médiocre et augmentant potentiellement le temps de cycle.

Certains fabricants placent ces cellules face à face, où l'espace opérateur est géré par un seul opérateur. Cela peut faire monter le ratio de productivité à 30 % basé sur deux robots et la surface pièce/cellule. L'utilisation de deux cellules entraîne 2x le coût d'intégration, ce qui peut être significatif pour les fabricants automobiles avec outillage automatisé.

Exemple 2 : Les fabricants cherchant une cellule pour souder des pièces plus petites ne nécessitant pas de positionnement peuvent envisager la plus grande ArcWorld 1000 (configuration robot unique) ou ArcWorld 1200 (configuration double robot). Pré-conçues pour la production de pièces de petite à moyenne taille pour applications de soudage de moyen à haut volume, ces ArcWorlds présentent :

• Table tournante servo haute vitesse (60 ou 72 pouces)
• Un ou deux robots Motoman à six axes
• Unité de sécurité fonctionnelle (FSU)
• Pack soudage intégré
• Taille max pièce (mm) 1 000 x 474 capacité

En utilisant la même comparaison de sous-ensemble (voir Exemple 1), la cellule AW1000 s'est révélée efficace à 10 % avec le ratio surface pièce/surface cellule. Malgré l'introduction d'une table tournante servo haute vitesse, la présence de la surface de sécurité a créé un « espace mort » inutilisable pendant l'opération. Du côté positif, la surface opérateur nécessitait un mouvement minimal de l'opérateur, créant une meilleure ergonomie.

Quand la densité d'arc a été calculée par rapport au ratio surface pièce/surface cellule, cela a révélé que l'ajout d'un robot de soudage à l'arc supplémentaire dans cette configuration (AW1200) augmentait la productivité globale de la cellule à 19 %. En comparant les prix de liste entre les autres cellules ArcWorld, l'AW1200 représente le prix/arc le plus bas de toutes les cellules, en faisant une bonne valeur. Il n'y a qu'1x coût d'intégration pour cette cellule.

Exemple 3 : Notre cellule la plus populaire, la série AWIV-6000 avec positionneur à grande roue, offre l'utilisation la plus efficace de l'espace au sol. Pré-conçue pour la production de pièces de moyen à haut volume, elle présente :

• Grande capacité vitesse, positionneur mince gain de place
• Un, deux, trois ou quatre robots Motoman à six axes
• Unité de sécurité fonctionnelle (FSU)
• Pack soudage intégré
• Taille max pièce (mm) 4 000 et 1 525 capacité

En utilisant la même comparaison d'efficacité surfacique (voir Exemples 1 et 2), les cellules de la série ArcWorld IV-6000 se sont révélées efficaces à 30-34 % avec le ratio surface pièce/surface cellule. Bien que l'ajout d'un positionneur mince haute vitesse par rapport à la surface pièce et cellule ait augmenté l'efficacité de la cellule, la présence de la surface de sécurité a encore créé un « espace mort » inutilisable pendant l'opération. Certains fabricants ont utilisé des rideaux enroulables pour couvrir la surface de sécurité afin de réduire la distance utilisée par les rideaux lumineux.

Comme dans les exemples des cellules ArcWorld série C et ArcWorld 1000, la présence de robots de soudage à l'arc a boosté le facteur de productivité de chaque cellule. Quand la densité d'arc a été calculée par rapport au ratio surface pièce/surface cellule pour chaque cellule de la série ArcWorld IV-6000, les résultats étaient les suivants :

• AWIV-6000SL surface pièce / cellule X 1 robot arc = ratio productivité 60 %
• AWIV-6200SL surface pièce / cellule X 2 robots arc = ratio productivité 67 %
• AWIV-6300SL surface pièce / cellule X 3 robots arc = ratio productivité 100 %

La densité d'arc par rapport au ratio surface pièce/cellule a donné à l'ArcWorld IV-6300SL un pourcentage plus élevé, en faisant la cellule la plus flexible et productive de nos configurations standard.

Un client fidèle a changé de spécification, passant de cellules AWIV-6300 avec 3 robots et portées de positionneur de 3 mètres à des cellules avec quatre robots (AWIV-6400) et portées de 4 mètres. Bien que cela améliore légèrement l'efficacité surfacique pièce/cellule du client de 34 % à seulement 36 %, le ratio de densité d'arc (ou efficacité de productivité) augmente considérablement de 101 % à 143 %. De plus, ajouter plus de robots est une solution rentable car les coûts d'intégration de la cellule, tels que les API, IHM, outillage, protection et arrivées de fluides, n'augmentent pas.

Conclusion :

Les cellules robotisées compactes offrent une emprise réduite, mais ne sont pas nécessairement l'utilisation la plus efficace de l'espace au sol. Les ateliers de travail à façon peuvent vouloir évaluer la capacité de taille de pièce par rapport à l'emprise de la cellule pour déterminer l'utilisation la plus FLEXIBLE de l'espace. De plus, pour augmenter la PRODUCTIVITÉ de l'espace au sol, les entreprises automobiles peuvent envisager d'étendre légèrement la zone de travail pour ajouter plus de robots. Évaluer le coût de quelques configurations de cellules différentes, y compris les coûts d'intégration, peut aider les fabricants à s'assurer qu'ils maximisent la VALEUR de leur espace au sol.