Comment les constructeurs automobiles améliorent la production avec robots collaboratifs et impression 3D

L'industrie automobile ajoute des robots plus sophistiqués, regarde vers l'impression 3D, et intègre d'autres technologies avancées.

L'industrie automobile américaine est automatisée depuis des décennies. La production de voitures et camions est associée à de gros robots massifs clôturés loin des employés humains. À l'intérieur de ces zones clôturées, des tâches comme le soudage sont effectuées.

L'industrie, cependant, avance sur le front de l'automatisation. Les constructeurs et fournisseurs se tournent vers l'utilisation de robots collaboratifs, appelés cobots. De tels appareils sont souvent plus petits, ont plus de dextérité et peuvent être déployés en toute sécurité aux côtés d'opérateurs humains.

De plus, l'industrie veut aussi étendre l'utilisation des imprimantes 3D. Des constructeurs comme Ford Motor Co. et BMW AG travaillent directement avec des fabricants additifs concernant le déploiement de la technologie. Les entreprises utilisent aussi la réalité virtuelle et augmentée pour résoudre des problèmes de fabrication. Et, comme c'est le cas pour de nombreux autres fabricants, l'industrie automobile veut tirer le meilleur parti de l'Industrie 4.0, où des machines « connectées » communiquent entre elles et avec les opérateurs humains.

« Il y a beaucoup de façons dont la nouvelle automatisation diffère de ce à quoi l'automatisation ressemblait dans les années 1980 », a dit Kristin Dziczek, vice-présidente de l'industrie, du travail et de l'économie au Centre de Recherche Automobile (CAR) basé à Ann Arbor, Michigan.

« De nos jours, l'automatisation ne se contente pas de reproduire l'effort physique humain mais le connecte aussi à d'autres systèmes cyber et physiques à l'intérieur et à l'extérieur de l'usine », a dit Dziczek. « Cela signifie que les fabricants obtiennent plus de données de l'automatisation et plus de contrôle sur le système de fabrication total — pas seulement le contrôle sur des stations automatisées individuelles. »

Un symbole des tendances d'automatisation automobile est le nouveau Centre de Fabrication Avancée de Ford dans la banlieue de Détroit, Redford, Michigan. À l'intérieur, des imprimantes 3D et des cobots sont étudiés pour des façons d'être utilisés sur le plancher d'usine. Les installations de réalité virtuelle et augmentée du centre sont un moyen pour les usines Ford dans le monde de traiter des problèmes comme comment positionner l'équipement de production sur le plancher de l'usine.

Ford a formé une organisation de fabrication avancée en 2017, rassemblant des employés de l'ensemble des opérations de fabrication de l'automobile. Le groupe a identifié son site l'an dernier après qu'une entreprise industrielle a déménagé vers un autre emplacement dans la région de Détroit.

« Ford Motor Co. a une relation très mature avec l'automatisation », a dit Mike Mikula, ingénieur en chef de l'organisation mondiale de fabrication avancée pour Ford. L'entreprise voulait accélérer sa technologie de fabrication, a-t-il dit.

Ce qui suit sont quelques-unes des façons dont l'automatisation et les nouvelles technologies dans l'industrie automobile évoluent.

L'impression 3D monte en puissance

L'impression 3D, ou fabrication additive, implique l'impression d'une pièce couche par couche à partir d'une conception numérique. La technologie évolue vers l'impression de pièces plus grandes et plus d'impression avec divers types de métaux. L'aérospatial investit dans l'additif depuis des ans car l'impression 3D permet de nouvelles conceptions et promet une utilisation plus efficace de métaux comme le titane.

Cependant, l'industrie automobile a des volumes de production plus grands. Jusqu'à maintenant, l'adoption de l'impression 3D par les constructeurs et fournisseurs a pris du retard sur leurs homologues de l'aérospatial.

« Les applications actuelles de l'impression 3D sont limitées aux outils, matrices, moules, gabarits, fixations et quelques pièces à faible volume », a dit Dziczek de CAR. « Les vrais obstacles à une adoption plus large de l'impression 3D dans les autos et pièces produites en masse sont le temps de cycle, le coût et les coûts irrécupérables des processus de formation de pièces basés sur l'estampage, le moulage et l'usinage actuels. L'impression 3D doit devenir plus rapide et les coûts doivent baisser considérablement avant qu'on ne voie des applications généralisées à haut volume dans l'industrie automobile. »

Néanmoins, le développement de la fabrication additive est en cours dans l'industrie automobile.

« Les avancées au sein de la technologie d'impression 3D en elles-mêmes créent une série de solutions qui n'ont historiquement pas été disponibles », a dit Mikula de Ford. Les améliorations incluent « la vitesse à laquelle nous pouvons imprimer et les matériaux par lesquels nous pouvons imprimer. L'introduction de polymères renforcés de fibres de carbone (CFRP), de plastiques avancés et certainement du métal a radicalement changé les applications potentielles du point de vue de l'art du possible. »

« Quand vous combinez cela avec » une capacité de calcul accrue, a-t-il continué, « vous laissez le logiciel vous aider à concevoir la pièce. Cela ne nécessite pas le même niveau d'effort d'ingénierie et de délai pour vous fournir une solution principale qui répond à toutes vos exigences. Donc tant en termes de ce que nous pouvons imprimer que de la vitesse à laquelle nous pouvons les imprimer... cela fait de l'impression 3D une technologie très intrigante. Certainement, notre objectif ici est de l'exploiter du point de vue de fournir à nos processus de fabrication l'outillage et les aides à l'assemblage dont ils ont besoin pour être plus robustes ainsi que potentiellement surmonter certains des défis technologiques associés à l'impression 3D. »

Précédemment, Ford a collaboré avec Stratasys Ltd. sur des imprimantes 3D prototypes pour produire de grandes pièces. L'automobile, basée à Dearborn, Michigan, est aussi un investisseur, avec BMW, dans Desktop Metal, une entreprise de fabrication additive basée à Burlington, Mass. Ken Washington, directeur technique de Ford, est au conseil d'administration de Desktop Metal.

Ford et BMW « savent que ça arrive », a dit Jonah Myerberg, directeur technique et cofondateur de Desktop Metal. « Ils sont pressés. C'est encore quelques années avant d'être vu à travers un véhicule. »

Myerberg a dit que l'impression 3D s'étendra probablement au-delà des moules et gabarits, mais il y a beaucoup d'incertitude.

« Vous ne pouvez pas juste regarder une zone du véhicule », a-t-il dit. « Vous devez regarder le véhicule entier. Ce que nous essayons de faire, c'est d'ouvrir leurs yeux sur ce que nous voyons comme les avantages clés de l'impression 3D. » Le dirigeant de Desktop Metal a dit que les constructeurs pourraient pousser la technologie vers leur premier niveau de fournisseurs.

« Il se passe beaucoup de choses en coulisses que ces ingénieurs ne parleront pas », a dit Myerberg. « Nous n'avons qu'une petite image de comment nos clients vont utiliser ces imprimantes. »

En septembre, HP Inc. a introduit une nouvelle technologie d'impression 3D qu'elle appelle HP Metal Jet, destinée à la production de masse de pièces en acier. Volkswagen AG a l'intention d'utiliser la technologie HP Metal Jet pour produire des véhicules électriques dans les années 2020, selon HP. Les véhicules électriques ont moins de pièces mobiles que les moteurs à combustion interne conventionnels. En conséquence, les VE peuvent être une opportunité d'étendre la fabrication additive dans l'industrie automobile.

Robots collaboratifs

Les robots étaient l'un des premiers exemples d'automatisation sur le plancher d'usine de l'industrie automobile.

Les premiers stades de l'adoption des robots consistaient à faire des travaux dangereux et répétitifs, a dit Lou Finazzo, directeur général, marchés automobile et composants pour FANUC America Corp., Rochester Hills, Michigan. Beaucoup de robots étaient utilisés pour souder les carrosseries de voitures et camions.

« Les humains étaient restrictifs dans ce que l'industrie automobile pouvait vraiment faire évoluer du côté carrosserie », a-t-il dit. C'était difficile pour les opérateurs humains de manipuler « ces énormes pistolets de soudure » et d'atteindre aveuglément à travers le véhicule et d'appliquer de nombreux points de soudure « dont vous ne saviez pas s'ils étaient bons ou mauvais. »

« Une fois que la technologie robotique a décollé, ils pouvaient concevoir les véhicules un peu différemment, [avec] un assemblage plus complexe », a-t-il continué. « Aussi, avoir une meilleure boucle de contrôle sur la qualité, ce qui leur a permis de réellement réduire la quantité de soudure et de composants structurels, a fait évoluer l'assemblage des véhicules jusqu'où nous en sommes aujourd'hui. C'étaient les stades initiaux. »

Aujourd'hui, les robots et l'automatisation subventionnent le travail, et il y a des pénuries de main-d'œuvre pour les fabricants et fournisseurs, selon Finazzo.

« Donc maintenant vous pouvez prendre une personne et cette personne peut être responsable de quatre, cinq robots collaboratifs et vous avez en fait augmenté leur efficacité... Quand nous parlons aux constructeurs automobiles traditionnels, la flexibilité requise est bien plus qu'avant », a-t-il dit.

Les robots collaboratifs sont remarqués dans l'industrie automobile. « Deux facteurs clés pilotent l'intérêt de l'industrie automobile pour les robots collaboratifs : la vitesse et le coût », a dit Darrell Paul, responsable marketing pour la robotique et le contrôle de mouvement chez Omron Automation Americas, Hoffman Estates, Illinois. « Les robots collaboratifs peuvent être mis en œuvre plus rapidement et dans des environnements de fabrication existants. Ces robots ont aussi la capacité de travailler avec les cellules de fabrication et opérateurs existants, ce qui élimine le besoin de coûts structurels ou d'infrastructure supplémentaires. »

L'entreprise a introduit sa nouvelle série de cobots TM au CES de cette année à Las Vegas. Selon Omron, le robot, qui a un système de vision, permet des démarrages et changements rapides. Omron affirme aussi que le logiciel du robot lui permet d'être entraîné pour différentes tâches.

Au Centre de Fabrication Avancée de Ford, il y a des robots faits par FANUC, ABB, Universal Robots et KUKA Robotics.

« Beaucoup du travail fait dans nos usines ne nécessite pas un robot industriel qui a le niveau de portée et de charge utile que les robots industriels adressent basiquement », a dit Mikula de Ford. « Les robots collaboratifs fournissent une empreinte de fabrication petite, et ils peuvent être incorporés en toute sécurité parmi nos techniciens et nos installations sans avoir à construire une infrastructure significative » de protection.

« Avec un robot collaboratif, vous pouvez avoir une solution beaucoup plus simple ; [vous pouvez] amener le travail au robot pour que le robot puisse effectuer le travail en toute sécurité et de manière fiable », a continué Mikula.

« Nos installations de fabrication sont très chères à modifier », a-t-il dit. « Le contenu de nos véhicules continue d'augmenter. L'effort [requis] pour assembler moteurs, transmissions, packs de batteries et véhicules continue d'augmenter avec le temps. Donc où nous pouvons accommoder ce contenu additionnel et introduire l'automatisation pour le faire... pour nous assurer de livrer à nos consommateurs le produit de la plus haute qualité possible à un prix abordable, c'est là que les robots collaboratifs s'intègrent vraiment dans l'équation. »

Du point de vue des fournisseurs de robots, il y a beaucoup de pression pour performer.

« Avec l'automobile, la vitesse de mise sur le marché est très importante », a dit Finazzo. « Il y a dix ans, [ça] aurait été un énorme succès de lancer un nouveau camion en 18 mois. Maintenant, ils sont comme, "wow, nous devons le faire en 12 mois." Donc, la vitesse de mise sur le marché est un gros enjeu. »

Les fournisseurs automobiles s'adaptent

Certains fournisseurs automobiles se sont adaptés à l'utilisation accrue de cobots et au rythme plus rapide.

Inficon, basé à Bad Ragaz, Suisse, fabrique des dispositifs d'inspection automobile pour les systèmes auto. L'entreprise a vu son équipement déployé avec des robots collaboratifs plus petits. Les dispositifs Inficon sont utilisés pour détecter les fuites d'humidité ou de gaz. Avec les robots collaboratifs, Inficon a plus d'opportunités pour que ses dispositifs soient attachés aux robots. Les produits Inficon sont maintenant utilisés pour détecter l'humidité dans les systèmes de véhicules électriques.

« C'est quelque chose sur quoi nous travaillons depuis cinq à sept ans », a dit Thomas Parker, responsable des ventes automobiles nord-américaines d'Inficon.

Les robots collaboratifs facilitent le déploiement des dispositifs Inficon. « Nous faisons beaucoup d'éducation aux clients sur ce qui est possible avec un robot collaboratif, ce qui est possible avec un robot six axes. Il y a beaucoup d'éducation de la part de mon équipe. »

Hydromat Inc., un fabricant de machines-outils dont les clients incluent des clients automobiles, s'est adapté aux tendances de l'industrie.

Avec Hydromat, « l'automatisation est devenue plus interactive », a dit Kevin Shults, directeur marketing pour l'entreprise basée à Maryland Heights, Missouri. « Pour les travailleurs, les systèmes sont devenus plus interactifs entre les opérateurs et les machines-outils qu'ils font tourner. La programmation à la machine est plus courante. »

Les changements dans l'industrie automobile signifient « des changements de série plus fréquents », a dit Shults. « Les changements de série doivent être plus rapides. »

Shults a ajouté : « L'automatisation est essentielle dans la quête pour offrir à nos clients automobiles les familles multi-pièces qui leur donnent diversité et profits produits. »

Les travailleurs s'adaptent

Des efforts sont en cours pour améliorer les compétences des travailleurs alors que l'industrie automobile devient plus sophistiquée.

AIDT, le programme de formation de la main-d'œuvre de l'Alabama, essaie d'intensifier ses efforts de formation des travailleurs alors que l'emploi dans l'industrie automobile devient plus sophistiqué. Les employés des usines viennent aux installations d'AIDT à Tanner, Alabama, près de Huntsville pour des sessions de formation.

L'Alabama abrite plusieurs usines d'assemblage de véhicules. L'État a aussi des usines aérospatiales. En conséquence, l'Alabama essaie d'améliorer sa formation manufacturière. En janvier, une délégation de l'Alabama a visité le siège de Détroit de Lightweight Innovations For Tomorrow (LIFT), l'institut Manufacturing USA qui rassemble entreprises et universitaires pour améliorer la technologie d'allègement pour la fabrication.

« L'Alabama [évolue] dans la fabrication », a dit Kristi Bain, directrice adjointe d'AIDT.

« Nous devons travailler dans un scénario de fabrication avancée », a dit Ed Castle, secrétaire adjoint au commerce de l'Alabama dans la commission de développement de la main-d'œuvre de cette agence. « Pour nous, c'est une équation simple. Quel est le besoin et comment définissez-vous ce besoin ? »

Mikula de Ford a dit que ces tendances reflètent comment la fabrication automobile est plus attractive qu'avant.

« C'est un endroit vraiment excitant pour être », a-t-il dit. « C'est un endroit vraiment amusant pour être. »