Hitachi Powdered Metals multiplie sa production par 4 grâce à la robotique dans un marché du travail tendu

La métallurgie des poudres (MP), ou frittage, est le processus de compactage de mélanges personnalisés de poudres élémentaires ou d'alliages dans des matrices préfabriquées pour fabriquer efficacement des pièces mécaniques de complexité variable. Une fois compactées, les formes sont chauffées dans un four à atmosphère contrôlée pour lier les particules et durcir les pièces.

Également appelé compactage vert, le processus produit des composants quasi nets qui utilisent généralement plus de 97 % de la matière première initiale dans la pièce finie. Les mélanges d'alliages en poudre personnalisés permettent de produire des pièces complexes, voire complexes, répondant aux spécifications de résistance et de tolérance requises pour des applications hautement exigeantes.

L'usine Hitachi Powdered Metal (USA) Inc. de Greensburg, dans l'Indiana, est l'une des neuf installations Hitachi dans le monde. Elle se spécialise dans la production de composants de distribution et de transmission pour les fournisseurs de rang 1 de l'automobile aux États-Unis, avec une présence croissante parmi les fabricants de motos et d'équipements paysagers.

Motivation initiale

Hitachi Powdered Metals (HPM) a commencé un investissement progressif dans les robots industriels à l'usine de Greensburg en 2005, motivé par l'émergence d'un marché du travail qui se resserrait et l'opportunité de produire un produit extrêmement fragile.

« Nous avons commencé avec des robots car nous avions une pièce à fabriquer pour un client qui avait de petites dents fragiles qui ne pouvaient pas être manipulées manuellement, et à ce moment-là, toutes nos presses de compactage étaient servies manuellement », a déclaré Gregory Owens, président de l'usine HPM de Greensburg. « La réduction des coûts de main-d'œuvre était aussi un facteur, mais peu après la première installation, un grand OEM automobile a ouvert une usine de fabrication en ville, et notre problème de coûts de main-d'œuvre s'est transformé en problème de disponibilité de main-d'œuvre, car il est devenu extrêmement difficile d'embaucher et de retenir des employés. »

Dans un effort pour maîtriser les coûts et minimiser l'exposition pendant la période d'essai initiale, HPM a acheté un robot ABB S3 d'occasion, vintage 1993, auprès de CIM Systems Inc. à Noblesville, dans l'Indiana, à proximité. James Adams, qui avait rejoint HPM plusieurs années plus tôt comme ingénieur de développement manufacturier, connaissait CIM, le plus ancien fournisseur à valeur ajoutée ABB Robotics (intégrateur système) aux États-Unis, grâce à son travail sur les robots chez son employeur précédent.

« CIM avait un robot d'occasion qui nous permettait d'aborder l'automatisation robotique en douceur, limitant notre exposition initiale au cas où cela ne fonctionnerait pas comme prévu », a déclaré Adams. « Ils nous ont aussi fourni un soutien indispensable pour la programmation et l'intégration du système dans l'opération existante. »

Réduction des rebuts, meilleure allocation de la main-d'œuvre

Lorsque les pièces en poudre sortent de la presse, avant d'être durcies au four, elles peuvent s'effriter au moindre contact. Avec le robot nouvellement installé, doté d'un préhenseur électromagnétique pour manipuler la pièce, le taux de rebut du nouveau produit est passé de 11 % en manuel à 0,5 %.

« Lorsque les pièces étaient extraites manuellement de la presse, il y avait des dommages de manipulation considérables. La pièce pouvait être déformée de façon imperceptible, mais on ne le savait qu'après sa sortie du four cinq heures plus tard. Correctement programmés et équipés, les robots sont bien plus délicats dans la manipulation des pièces », a déclaré Adams.

Le nouveau système a permis à HPM de déplacer plusieurs opérateurs manuels vers des postes moins répétitifs dans l'usine, réduisant le stress d'une tâche répétitive et réallouant la main-d'œuvre de manière plus efficace.

Production multipliée par 4

L'année suivante, HPM a ajouté cinq autres robots S3 d'occasion, appliquant ce qui avait été appris du système initial pour automatiser d'autres presses de compactage. Après 18 mois, HPM avait assez économisé sur les rebuts et la main-d'œuvre pour investir dans son premier robot neuf.

Avance rapide jusqu'en 2019. Maintenant avec plus de 200 robots installés, l'installation de Greensburg a le même nombre d'employés qu'il y a 10 ans, mais produit quatre fois le volume, livrant facilement plus de pièces avec moins de personnel que n'importe quelle autre usine mondiale Hitachi PM.

« Une fois le premier robot installé pour la pièce fragile, il est devenu très évident que nous pouvions vraiment tirer parti d'une automatisation robotique plus poussée », a déclaré Owens. « Les robots ont largement dépassé nos attentes initiales, et face aux pénuries de main-d'œuvre que nous continuons à subir, franchement, je pense que les robots nous ont sauvés d'une disparition potentielle. »

Avec le succès du premier robot, le rythme des installations ultérieures est resté soutenu. Il a fallu dix ans pour atteindre 100 robots installés, puis seulement quatre ans de plus pour atteindre le 200^e robot récemment installé.

Lorsque les opportunités se présentaient, HPM a continué d'acheter des robots ABB d'occasion en bon état, bien que de plus en plus de robots neufs aient été ajoutés à la flotte. En fait, chaque robot ajouté depuis le n°147 en 2015 a été neuf.

La base installée d'HPM comprend une gamme de robots ABB six axes de petite et moyenne taille, un robot Delta et plusieurs modèles SCARA récemment ajoutés. Ensemble avec 350 employés, l'investissement en automatisation est bien utilisé, fonctionnant trois quarts, cinq à six jours par semaine.

« Notre siège social est au Japon », a déclaré Adams. « Une fois qu'ils ont vu comment les robots performaient et le retour sur investissement rapide, ils ont été très favorables à notre programme robotique. »

Certains robots, neufs et d'occasion, sont des ABB Foundry Prime d'ABB Robotics, Auburn Hills, Michigan. Ce sont des modèles IP67 avec des connexions bien étanches qui protègent les organes internes des robots des poudres métalliques fines et tranchantes qui flottent dans l'atmosphère de l'usine. Les nombreux modèles standards IP65 sur le sol d'HPM sont robustes et ont su résister à l'environnement poussiéreux.

Expansion continue

La prolifération des robots chez HPM a été soutenue par la réplication d'applications existantes et l'expansion de l'automatisation à d'autres fonctions de l'installation.

Après l'installation du premier robot servant la presse de compactage pour le produit le plus fragile, Adams et son équipe ont séquentiellement automatisé le retrait des compactes d'autres presses. Une partie de ce processus consistait à placer chaque pièce sur une balance pour vérifier son intégrité. Une fois vérifiée, la pièce était placée sur un convoyeur menant au four.

Des gains d'efficacité supplémentaires ont résulté, et, grâce au toucher délicat du robot, le taux de rebut des pièces moins fragiles est passé de 7 % au même 0,5 % de la pièce initiale.

Au bout du convoyeur, les pièces sont placées sur des plateaux de frittage qui, une fois remplis, sont mis dans les fours pour le processus de durcissement. Ce processus de chargement de four est devenu la deuxième fonction majeure à être automatisée.

Continuant à un rythme mesuré, des robots ont ensuite été installés pour retirer les pièces des plateaux et les placer sur des palettes, tout en insérant des séparateurs entre chaque couche de palette.

« Au fur et à mesure que nous nous familiarisions avec les robots, nous reprenions ce que nous avions appris et dupliquions les applications dans l'usine », a déclaré Adams. « La programmation est devenue beaucoup plus facile, et le dernier jour d'installation de ligne, nous ajustions les programmes existants, copier-coller, et nous étions opérationnels en quelques heures. »

RobotStudio, le logiciel de simulation et programmation hors ligne d'ABB, est devenu un outil précieux pour accélérer l'adoption croissante de la technologie robotique par HPM. Basé sur le VirtualController d'ABB, une copie exacte du logiciel réel qui fait fonctionner les robots en production, RobotStudio effectue des simulations réalistes, en utilisant des programmes robot et des fichiers de configuration identiques à ceux utilisés sur le terrain. Avec RobotStudio, Adams a pu concevoir la disposition optimale de la cellule et vérifier sa performance avant d'intégrer les robots dans une opération particulière.

« C'est le meilleur logiciel jamais développé », a déclaré Adams. « Il fait gagner du temps et de l'argent, tant dans la création de systèmes pour de nouvelles applications que dans la réplication de ceux déjà installés dans d'autres zones de l'usine. »

Introduction de la vision

La relative simplicité de la réplication n'existe qu'après qu'une certaine application a été installée et affinée sur le terrain. Les nouvelles applications sont souvent plus difficiles. Après 18 mois et l'intégration réussie de six robots servant les presses, HPM a eu la confiance d'adopter la technologie à vision, alors à ses débuts (2006), pour automatiser robotiquement l'opération complexe de re-frappe, ou re-pressage.

Après la sortie du four, les pièces peuvent souvent se déformer, ce qui nécessite de les mettre dans une presse qui les remet droites ou planes. De nombreuses pièces ont des clavettes ou des dents qui doivent être placées dans le mouve avec tous les aspects alignés précisément. Avant l'arrivée des robots, les pièces étant re-frappées étaient manipulées par un système d'automatisation dure qui, avec de nombreuses variations de produits, nécessitait des changements fréquents et chronophages. Les changements étaient si longs que des retards de 250 lots de produits, chacun avec environ 100 pièces, étaient courants.

Avec le robot à vision, il n'y a pas de temps d'arrêt. Le robot est capable d'identifier la pièce parmi un groupe de nombreuses pièces différentes, de la prélever, de l'orienter radialement et de la positionner avec précision dans la re-presse.

Comme le système de vision devait s'interfacer avec la dernière technologie robotique, c'était le premier robot ABB neuf installé à l'installation de Greensburg. Peu après sa mise en service, deux autres robots neufs ont été achetés pour la même application.

« Avant l'installation du robot de la station de re-frappe, le personnel de re-presse travaillait tous les jours », a déclaré Adams. « Six mois après l'installation du premier robot à vision, il n'y avait plus de retards et le personnel avait ses week-ends de libre ! »

Vision supplémentaire

HPM a à nouveau utilisé la vision plus loin dans le dernier des processus majeurs à être automatisé, le dépalettisage de pièces qui avaient été envoyées pour un traitement thermique spécialisé. Bien que les pièces soient envoyées soigneusement positionnées sur des couches en étages sur une palette, elles reviennent en relatif désordre et sont difficiles à déstacker. Un robot ABB avec vision intégrée est capable de trouver les pièces et de les saisir solidement pour qu'elles puissent être dépalettisées en toute sécurité.

« C'est l'une des capacités uniques des robots ABB », a déclaré Dave Fox, président de CIM Systems, qui a aidé à intégrer les divers systèmes de vision. « Les pièces sont vraiment désorientées sur les palettes, pas en rangées uniformes, certaines étant à l'envers. Un robot six axes typique aurait toutes sortes de problèmes de singularité, se retrouvant dans une position où il ne peut plus bouger. Mais le robot ABB utilisant l'évitement de singularité avancé est capable de trouver les pièces, de les saisir et de les placer en toute sécurité sur un convoyeur sans rater un battement. »

Robots SCARA pour l'inspection qualité

Sans surprise, une recherche récente d'un système plus efficace pour inspecter les guides de soupape a ramené aux robots, dans ce cas un groupe de modèles ABB SCARA (Selective Compliance Assembly Robot Arm), généralement utilisés pour l'assemblage de petites pièces et la manutention.

Le protocole HPM exige une inspection à 100 % de tous les guides de soupape, ce qui est une entreprise considérable compte tenu de la variété de pièces à tester : 30 variations de tailles différentes et 16 points de détection pour chaque pièce. Le système d'automatisation dure de test existant ne parvenait pas à suivre le volume, Adams a commencé à chercher un meilleur système.

Après avoir examiné diverses options, toutes ayant trop de pièces mobiles et nécessitant une ingénierie complexe, Fox a suggéré de concevoir un système autour des robots SCARA, qu'ABB a ajoutés à son portefeuille en 2016. Ils étaient certainement assez rapides, avec une grande répétabilité, et avaient une faible empreinte et une forme de montage sans entrave qui s'adaptait dans un espace confiné.

Un système relativement simple a été conçu avec trois robots SCARA prélevant des guides de soupape individuels d'un convoyeur à trémie et les présentant à des caméras de vision et un « comparateur » fixe aux différents angles nécessaires pour accéder aux 16 points de détection. Les pièces qui passaient étaient placées sur un convoyeur et celles qui ne passaient pas étaient placées dans des bacs de rebut.

Avec la flexibilité de manipuler dextrement chaque variation de pièce avec une aisance similaire, le système est capable d'inspecter une pièce toutes les deux secondes, 30 % plus vite que la méthode précédente. Comme les mouvements sont confinés à une courte distance et que les pièces sont très légères, un robot six axes n'aurait pas fonctionné aussi efficacement que le SCARA élégant à portée limitée.

« Les SCARA sont un excellent ajout au portefeuille ABB. Sans cette solution, Hitachi aurait probablement dû poursuivre une autre technologie pour l'inspection de pièces », a déclaré Fox. « C'était bien de pouvoir trouver une autre application pour les robots, même si ce n'était pas la première option qui venait à l'esprit. »

CIM Systems toujours présent

Une constante présente depuis le premier robot installé chez HPM jusqu'à aujourd'hui, au premier plan ou en arrière-plan, est CIM Systems. Toujours disponible quand nécessaire, CIM a équipé HPM de robots neufs et d'occasion, a aidé à programmer et dépanner, et, peut-être le plus important, a enseigné au personnel HPM à faire beaucoup de choses eux-mêmes.

Quand HPM intégrait des robots dans une nouvelle application, avec vision ou non, CIM faisait l'installation et la programmation, veillant toujours à partager leur expertise, y compris l'utilisation de RobotStudio. Pendant les accalmies occasionnelles dans le calendrier d'acquisition de robots d'HPM, CIM était disponible pour mettre à jour les programmes, trouver des pièces de rechange insaisissables pour les modèles plus anciens, ou offrir des conseils sur le travail avec des robots à travers une gamme de vintages.

« À chaque fois que nous abordions un nouveau processus, nous faisions faire l'intégration et la programmation initiale par CIM. Une fois que nous avons commencé à répliquer les processus dans l'usine, nous avions assez appris pour en faire beaucoup nous-mêmes », a déclaré Adams. « Grâce à sa relation étroite avec ABB, Dave Fox sait toujours quand une nouvelle technologie arrive et quels robots seraient optimaux pour nos diverses applications. Le soutien de CIM Systems et le service d'ABB formaient une combinaison idéale. »

Avec une relation si durable, il n'est pas surprenant que lorsque le premier robot est sorti de la ligne de l'usine de fabrication américaine d'ABB à Auburn Hills en 2017, il a été mis en service par CIM chez HPM. Le robot unique IRB 2400 était peint sur mesure en rouge, blanc et bleu à l'usine, et est positionné en évidence dans l'installation d'HPM, effectuant des tâches d'inspection et de palettisation.

« Nous sommes ravis d'avoir pu acquérir le premier robot fabriqué aux États-Unis pour HPM », a déclaré Fox. « C'est particulièrement significatif car l'usine de l'Indiana a l'automatisation la plus flexible des nombreuses installations mondiales d'HPM. »

Soutien aux autres installations HPM

La direction d'entreprise d'HPM au Japon a pris note des améliorations majeures de productivité que l'équipe de Greensburg a réalisées avec les robots, et en 2017 a assigné Adams et Owens pour diriger une initiative « Robotique Globale » afin de soutenir les autres usines Hitachi de métallurgie des poudres dans le monde à étendre leur utilisation des robots.

Le programme de deux ans est passé le milieu et les entreprises affiliées commencent à réaliser des améliorations de productivité significatives, même avec des coûts de main-d'œuvre plus bas dans les autres pays.

Adams a mis en place la fonction de surveillance à distance d'ABB chez HPM pour qu'il ou les membres de son équipe puissent voir comment les robots fonctionnent, et dépanner la plupart des problèmes depuis n'importe où hors de l'usine sur un ordinateur portable, une tablette ou un smartphone. Avec les robots plus récents, HPM espère profiter d'ABB Ability Connected Services – l'offre numérique unifiée, transsectorielle d'ABB – qui fournit des données en temps réel sur l'état et la performance des robots depuis n'importe quel emplacement.

Projets futurs

La mission continue d'HPM inclut l'amélioration de ses opérations avec l'automatisation robotique.

« Nous nous attendons à une croissance de 10 % par an pour le futur prévisible, et nous devons faire tout ce que nous pouvons pour rester compétitifs », a déclaré Owens. « Nous examinons quelles pièces de transmission nous pourrons fabriquer pour les véhicules électriques, et nous avons pour objectif de pénétrer des segments non automobiles comme l'équipement lourd, où la métallurgie des poudres pourrait remplacer des pièces faites d'autres matériaux à un coût inférieur. »

« J'anticipe certainement que le rythme des installations de robots restera stable, voire augmentera », a déclaré Owens.

Pour plus d'informations sur Hitachi Powdered Metals (USA) Inc., visitez www.hitachi-pm.us ou appelez le 812-663-5058. Pour CIM Systems Inc., visitez www.cimrobotics.com ou appelez le 317-773-5600. Pour ABB Robotics, visitez www.abb.com/robotics ou appelez le 248-391-9000.