Révolutionner l'électroérosion : Automatisation plus rapide et plus efficace avec l'Industrie 4.0

Si les machines à électroérosion (EDM) offrent les avantages de tolérances serrées, d'usinage de presque tous les métaux et de convénir aux pièces délicates ou fragiles, les opérateurs qualifiés se font de plus en plus rares et les robots ne peuvent pas toujours combler ce vide. Les processus automatisés dans les machines, les conceptions plus récentes et les fonctionnalités de l'Industrie 4.0 contribuent à résoudre ce problème.

Eric Ostini, responsable produit chez GF Machining Solutions (Lincolnshire, IL), dont le père et le grand-père ont tous deux travaillé en électroérosion, déclare : « Après mes études, je pensais tout savoir sur l'EDM. Mon père m'a dit qu'après quelques années dans le métier, je réaliserais que je ne savais rien, car autrefois, ils pouvaient écouter le générateur et savoir quoi régler sur la machine. Aujourd'hui, tout est automatisé. On ne sait plus ce qu'il fallait faire par le passé pour faire fonctionner ces machines. On appuie juste sur un bouton et elles marchent. »

Les fabricants de machines ont rendu inutile pour les opérateurs de comprendre le « quoi » et le « pourquoi » de ce qui se passe à l'intérieur, compensant ainsi leur manque de connaissances et d'expérience.

« Nous rendons les choses plus automatisées non seulement parce que la technologie va dans ce sens, mais aussi à cause du niveau de connaissance des personnes qui utilisent l'équipement », ajoute Ostini. « Il est très difficile de trouver de bons opérateurs. Si l'on peut rendre la machine plus automatisée, capable de faire beaucoup de choses qu'un bon opérateur fait, alors même un opérateur moyen peut briller. »

Chez Belmont Equipment and Technologies (Madison Heights, MI), un circuit propriétaire développé en interne pour la détection multi-fils sur un dispositif de fixation de pièce client vérifie que les pièces sont correctement chargées en touchant des capteurs, éliminant le mauvais chargement et l'intervention chronophage de l'opérateur lors de la mise en place.

L'entreprise a également développé un logiciel d'usinage pour exploiter la technologie embarquée avec la possibilité de le modifier pour créer des paramètres personnalisés pour des applications spécifiques. « Selon les capacités ou les connaissances de l'opérateur, les machines sont conçues pour permettre au novice d'opérer avec des préréglages et au compagnon de personnaliser les réglages pour des applications spécifiques, qui pourront ensuite être exécutées par n'importe qui », explique Tony Tyll, vice-président des opérations chez Belmont.

Palettes pour pièces et électrodes

Comme d'autres types de machines-outils, les EDM peuvent utiliser des changeurs de palettes pour automatiser le processus de production, selon Greg Langenhorst, responsable marketing technique chez MC Machinery Systems Inc. (Elk Grove Village, IL), distributeur complet de machines-outils, y compris les EDM Mitsubishi. « Lorsque vous utilisez des configurations automatisées pour l'EDM à fil ou à enfonçage, les pièces — tant pour les électrodes d'enfonçage que pour les pièces — sont généralement mises en place sur une base d'outillage avec des repères. Par exemple, une électrode d'enfonçage peut être montée sur une palette d'outillage. Le graphite irait dans la fraiseuse à graphite pour l'usinage, puis serait déplacé automatiquement et serré dans un mandrin pour inspection par une MMT. »

Pour la production automatisée en EDM à fil de petites pièces, les EDM Mitsubishi utilisent un robot Mitsubishi à six axes pour échanger les pièces dans et hors de l'EDM. Dans ce système articulé, la pièce peut être verticale ou horizontale, à l'endroit ou à l'envers ou à un angle car le robot peut gérer ce type d'articulation.

« Pour les pièces plus grandes, nous utilisons des robots System 3R ou Erowa. Généralement, ces unités ont un préhenseur à plan fixe qui saisit la pièce hors du rack d'outillage et la place sur la table de la machine exactement dans la même orientation. Un robot nécessiterait un préhenseur de type basculant ou rotatif pour charger la tête et la table sur un enfonçage ou inverser des ébauches d'électrodes suspendues sur la table d'une fraiseuse à graphite », explique Langenhorst.

L'Erowa Compact 80 est un robot relativement récent qui peut échanger des électrodes et des pièces sur un EDM à enfonçage sur l'axe Z. Il gère des palettes jusqu'à 300 × 300 mm (11,8 × 11,8 po) avec des pièces jusqu'à 80 kg (176 lb). « Il peut être utilisé pour créer une cellule de travail lorsqu'on le place entre une fraiseuse à graphite et un enfonçage », dit Langenhorst. « Il peut charger des ébauches de graphite dans la fraiseuse et retirer les électrodes finies, puis charger les pièces sur l'enfonçage et saisir les électrodes fraîchement sorties de la fraiseuse pour les mettre en service immédiatement. »

Il note qu'un client EDM de MC Machinery est un atelier de moules qui utilise des dispositifs de fixation rectangulaires de type cadre de grande taille. « Ils peuvent charger une grande pièce ou plusieurs pièces sur ce cadre/table, comme on le ferait normalement sur l'EDM pour le faire tourner la nuit ou le week-end. Il retire un cadre avec quatre ou cinq pièces finies différentes et en remet un autre chargé. Les pièces sont préréglées hors machine sur le cadre/table pour qu'elles soient toutes droites et vraies. Ensuite, tous les points zéro peuvent être localisés par MMT et envoyés à la machine pour être chargés avec le programme de pièce afin de gagner du temps machine, ou mesurés une fois chargés sur la machine avec le fil avant d'exécuter le programme. »

Pour améliorer les capacités même des non-experts, Makino Inc. (Auburn Hills, MI) a récemment lancé une suite de fonctions de surveillance à distance appelée HyperConnect, et a développé plusieurs fonctionnalités dans son système de commande Hyper-i existant pour améliorer la capacité des opérateurs, notamment la fonction E-Tech Doctor qui capture les connaissances et l'expérience d'un opérateur avancé et les transforme en une fonction facilement utilisable par des opérateurs de tous niveaux.

« Élever l'intelligence et la capacité de nos technologies d'alimentation adaptatives aide à réduire le niveau de compétence de l'opérateur requis pour obtenir des résultats haute performance », déclare Brian Pfluger, responsable produit EDM chez Makino. « La machine est capable de faire plus par elle-même grâce à une capacité d'auto-adaptation plus robuste, ce qui libère les opérateurs pour qu'ils consacrent leur temps à d'autres activités de l'atelier. »

Si un fabricant utilise des robots, certaines séries d'EDM à fil et à enfonçage de Sodick Inc. (Schaumburg, IL) sont équipées de portes de cuve segmentées pour rendre l'intérieur des machines accessible aux bras robotiques. « Plus vous pouvez automatiser certains de ces processus, [les opérateurs] peuvent travailler sur des choses plus importantes ou sur plus de choses à la fois », déclare Evan Syverson, responsable développement commercial additif chez Sodick.

Pour rendre ses EDM plus simples et plus faciles à utiliser, MC Machinery Systems a créé un système basé sur les connaissances. Par exemple, un EDM à fil utilise différents diamètres de fil et usine différents types et épaisseurs de matériaux de pièce. « Pour chaque type de travail, nous avons ce que nous appelons des E-Packs, qui sont des réglages de puissance, des valeurs de vitesse d'avance et des valeurs de compensation de coupe liées à des travaux spécifiques. Une table de données dans la commande de la machine contient toutes ces informations, donc l'opérateur n'a qu'à répondre aux questions sur la commande pour choisir le type de fil, le matériau et l'épaisseur de la pièce, et la précision et la finition de surface souhaitées. La machine calcule tout pour lui. Qu'il faille une passe ou cinq passes, la machine le fait toute seule. »

« Nous avons aussi une barre coulissante sur la commande qui offre un choix entre vitesse à gauche et précision à droite », poursuit Langenhorst. « En poussant le curseur vers la droite, on ralentit la machine et on rend les coins plus précis. Si vous n'avez pas besoin d'autant de précision et voulez de la vitesse, vous le poussez tout à gauche. Si vous voulez quelque chose entre les deux, vous pouvez choisir. »

Contrôles pour robots

Quand Ostini de GFMS dit qu'un opérateur avec une connaissance de base de l'EDM n'a qu'à appuyer sur un bouton pour faire fonctionner la machine, il le pense littéralement. Grâce à des changements logiciels, un opérateur peut ajuster le réglage de puissance en appuyant sur un bouton, selon ce qu'il veut faire.

Si l'opérateur veut couper 10 à 15 % plus vite que la normale, il appuie sur un bouton et le logiciel ajuste tous les réglages du générateur. Inversement, dit Ostini, disons que c'est vendredi et l'heure de rentrer. L'opérateur appuie sur un bouton et la machine passe en mode conservateur ou éco. Dans ce cas, le fil ralentit considérablement.

Autrefois, cela aurait créé des inexactitudes dans la pièce, dit Ostini. « Mais comme nous avons développé la technologie autour de ce réglage, nous avons ajusté le générateur pour maintenir la même précision tout en économisant 30 à 35 % sur la consommation de fil. » GFMS a ajouté une automatisation similaire à un bouton du côté enfonçage.

GFMS a également ajouté des fonctions de mesure et de validation aux EDM en utilisant des scopes et des palpeurs Renishaw pour s'assurer que l'opérateur a correctement mis en place un travail. Après la coupe, le palpeur et le scope peuvent être utilisés à nouveau pour valider le travail avant le retrait de la pièce.

« Par exemple, dans nos machines CUT 1000, nous avons un système appelé IVU [unité de vision intégrée], qui mesure ce qui a été coupé et vous dit avant de retirer la pièce de la machine si la pièce a été correctement coupée », explique Ostini. « Sinon, vous la réparez sur place ou vous la mettez au rebut. »

Belmont Equipment and Technologies propose différents modèles conçus autour des niveaux d'automatisation que le client souhaite faire maintenant ou à l'avenir. « Cela peut aller d'un système robotique clé en main complet à une conception précâblée avec des modifications mécaniques permettant un ajout facile ultérieur », dit Tyll.

Industrie 4.0 et analyse de données

Alors que les opérateurs qualifiés sont difficiles à trouver, certains éléments de l'Industrie 4.0 aident à combler la différence en créant de l'efficacité dans les opérations. Parmi les objectifs de l'Industrie 4.0 figure la capacité de collecter des données machine qui peuvent être analysées pour identifier les problèmes.

« De nombreux clients recherchent le retour de données qui leur donnera la connaissance du processus pour analyser comment opérer leurs machines de la manière la plus efficace », dit Tyll. « Cela leur permet aussi d'identifier les problèmes avant qu'ils ne commencent. Avec plusieurs logiciels hors ligne qui gèrent le côté analytique, nous travaillons avec nos clients pour établir les connexions nécessaires pour le retour d'information. »

Le dépannage est une partie clé de l'Industrie 4.0, convient Ostini. « Une fois qu'on voit quelque chose, on veut savoir pourquoi », dit-il. « Et c'est là que l'analyse doit être plus intuitive. » Il donne l'exemple d'un propriétaire d'atelier regardant depuis combien de temps une machine coupe vs ne coupe pas. Il remarque dans les données qu'à 16h, elle semble plus arrêtée qu'en marche, et se demande pourquoi.

« C'est là qu'il faut pouvoir regarder d'autres données », dit Ostini. « Cela pourrait être la maintenance, ou l'arrêt dû à une alarme, ou l'arrêt parce que l'opérateur met en place une pièce. » Une entreprise de l'Indiana a fait cela et a remarqué un hoquet constant pendant la semaine. Ils ont regardé les données et noté que c'était au changement d'équipe. Il y avait une baisse de production car l'opérateur partant avait un travail dans la machine et l'opérateur arrivant ne savait pas ce que c'était, donc il a dû comprendre. En conséquence, l'entreprise a ajouté 15 minutes à chaque équipe pour créer un chevauchement permettant aux deux opérateurs de faire une passation. L'entreprise a estimé le coût du changement après un an et a réalisé qu'elle avait économisé 100 000 $, même en comptant la paie supplémentaire de l'opérateur.

Capteurs de flottement pour prévenir les déversements

Sodick a rendu ses EDM accessibles aux robots et l'accès pour les humains plus pratique avec ses portes de cuve abaissées. Cette fonctionnalité est sur sa série ALN d'EDM à fil et sa série AG de machines à enfonçage.

« C'est particulièrement utile pour l'automatisation car au lieu d'avoir quelqu'un qui ouvre physiquement la porte, la porte est assez basse pour qu'un robot puisse entrer et changer votre outil ou votre pièce », dit Syverson.

Grâce aux parois multi-segmentées de la porte qui s'abaissent les unes dans les autres, une cuve peut être ouverte partiellement. Cela permet aux opérateurs d'accéder à la pièce sans vider complètement la cuve et ouvrir la porte en grand. De plus, la porte a un capteur de flottement, dit Syverson. « La cuve se remplit de diélectrique pendant l'usinage, et vous ne voulez évidemment pas abaisser la porte avec une cuve pleine de fluide. Si le niveau d'eau est trop haut, elle s'arrête au niveau de l'eau au lieu de continuer à descendre, évitant un déversement accidentel. »

La série AG à enfonçage dispose de moteurs linéaires refroidis et d'une option d'axe C qui peut tourner à des vitesses jusqu'à 2000 tr/min.

Chez Makino, les machines plus récentes sont capables de faire plus par elles-mêmes. Les options peuvent inclure des changeurs d'outils automatisés pour les EDM à enfonçage, et un système de filage automatique pour les EDM à fil, tous deux prolongeant le fonctionnement sans surveillance de la machine. L'automatisation de niveau supérieur inclut généralement l'utilisation de la robotique pour échanger la pièce afin d'améliorer l'utilisation de la machine, et peut inclure la desserte de plusieurs machines par un seul robot.

Le nouveau HyperConnect fournit quatre fonctions pour améliorer l'accès à distance et la communication en réseau lorsque les machines sont connectées à un réseau interne. Avec EDM Mail, la machine peut envoyer des mises à jour par e-mail sur l'état de la machine, y compris l'arrêt de la machine, dans le but de minimiser les temps d'arrêt et la perte de production. Avec EDM Viewer, l'opérateur peut surveiller et accéder à la commande de la machine à distance sur un PC ou un appareil intelligent. Cela permet à un opérateur de « voir » exactement où et quoi la machine fait pendant le fonctionnement sans surveillance. Avec Machine-to-Machine Viewing, l'opérateur peut visualiser toute autre commande Hyper-i en réseau directement depuis la commande de la machine sans quitter sa zone de travail. Et avec PC Viewer, l'opérateur peut accéder et afficher tout programme et données depuis un PC en réseau sur l'écran de 610 mm (24 po) de la machine. Cette fonction permet à l'opérateur d'effectuer toutes les tâches nécessaires pour opérer la machine depuis la commande Hyper-i, y compris d'autres logiciels spécialisés tels que Microsoft Office ou des logiciels CAO/FAO spécialisés.

En plus d'E-Tech Doctor mentionné précédemment, Makino a développé plusieurs autres fonctionnalités du système de commande Hyper-i, notamment plusieurs cycles de reprise en boîte (y compris le nivellement d'une pièce sans besoin de palpeurs internes), la vérification de mesure, et le suivi et rapport d'utilisation de la machine.

« L'idée de la fonction de suivi d'utilisation est de fournir à un atelier les outils nécessaires pour surveiller l'efficacité et l'efficience de leurs processus actuels, ce qui est un domaine de déficit courant pour la plupart des ateliers », dit Pfluger. « Ce nouvel outil de suivi fournit les moyens de mesurer l'utilisation de la machine 24/7 et d'identifier les domaines à améliorer. »