Automatisation accessible : booster l'efficacité pour tous les fabricants

L'automatisation était autrefois réservée aux grandes usines, mais maintenant les petits ateliers peuvent aussi en bénéficier

L'automatisation des ateliers s'accélère, portée par l'influence combinée de l'Industrie 4.0, la pénurie continue de main-d'œuvre qualifiée dans la fabrication et la pandémie de COVID.

La disponibilité d'options robotiques et de convoyage de matériaux plus personnalisées que jamais aide les petits fabricants à produire plus tout en déplaçant les opérateurs vers des tâches à plus forte valeur ajoutée. La demande croissante d'équipements de protection individuelle (EPI), couplée à la nécessité de protéger les travailleurs, a également intensifié les efforts d'automatisation des ateliers.

Les avantages de l'automatisation, clairement amplifiés pendant la pandémie, ont été résumés proprement par Courtney Ortner, directrice marketing de Absolute Machine Tools, basée à Lorain, Ohio : « Avec l'utilisation de cobots (robots collaboratifs), vous avez un partenaire de travail et vous n'avez pas à vous soucier de la distanciation sociale. De plus, de nombreux ateliers perdent des travailleurs mis en quarantaine, ce qui permet à un atelier de continuer à tourner même avec la perte de personnel. Et nous ne pouvons pas oublier que les capacités de fabrication sans lumière sont plus courantes grâce à l'automatisation ; même avec un cobot, vous pouvez configurer un travail un vendredi soir et le lundi matin c'est fait – vous permettant souvent d'être en avance sur votre cycle de production. »

La marche des cobots

Les robots sont souvent la première chose à laquelle on pense quand le sujet tourne à la fabrication automatisée. Leur variante sûre pour l'homme, les cobots, continuent de s'améliorer en facilité de configuration, flexibilité et charge utile.

Depuis leur introduction il y a 15 ans, les unités de Universal Robots (UR), Boston, sont devenues un pilier dans les ateliers, particulièrement dans les environnements à haut mélange, faible volume. Avec une version de 16 kg de charge utile (UR16) introduite en 2019, UR continue de repousser les limites de l'endroit où les robots peuvent s'intégrer dans un flux de travail de production.

2020 a été une année particulièrement chargée, a noté Joe Campbell, responsable marketing Amérique du Nord d'UR. Deux thèmes ont émergé : la réorganisation pilotée par la pandémie et l'adoption de nouveaux modèles de production.

Les petits ateliers en particulier – pressés d'utiliser efficacement chaque pouce de surface limitée – déploient des cobots pour garder les travailleurs à distance sociale, a-t-il noté. « Si vous avez un groupe de trois machines, vous mettez un ou deux cobots pour donner de l'espace aux opérateurs. »

De plus, les ateliers prennent conscience de la façon dont les cobots peuvent améliorer le résultat net. « Les ateliers regardent différemment » l'horaire semaine seulement « et découvrent que l'équipe de fabrication est ouverte à plus de flexibilité. » Un client UR a créé un quart de week-end et a constaté que de nombreux membres de l'équipe ont saisi la nouvelle opportunité. Dans d'autres cas, les ateliers qui comportaient auparavant un opérateur qualifié qui effectuait la mise en place et le chargement de la machine ont ajouté des cobots pour la fonction de chargement pendant que l'opérateur supervise plusieurs machines.

Les unités UR font gagner des heures aux ateliers en temps de configuration. Elles peuvent être configurées pour fonctionner au sol, au mur ou au plafond via l'écran tactile ; les autres robots sont souvent spécialement construits pour une orientation particulière. Les temps de cycle sont également réduits, particulièrement parce que les cobots UR peuvent être configurés avec une pince double pour décharger simultanément une pièce finie et insérer un nouveau brut.

Critique pour la flexibilité d'UR est la capacité de combiner ses cobots avec une gamme d'équipements et logiciels tiers. Ceux-ci sont accessibles via le programme UR+, « une sorte d'app store » pour UR, a dit Campbell. Les interfaces mécaniques, électriques et logicielles pour les robots UR sont publiées, et des tiers développent des produits pour répondre à ces spécifications. « Plus important encore, ils les soumettent à nous pour test et validation. Si nous disons qu'une pince est plug-and-play, c'est le cas – parce que nous l'avons testée. »

Inclus dans l'écosystème de 288 périphériques d'UR : magasins de pièces, systèmes de vision, capteurs, options de montage, housses de robot et applications. Par exemple, Beacon par Hirebotics permet aux opérateurs de surveiller les cobots via le cloud. « Vous pouvez regarder les statistiques de production et faire des ajustements à la volée », a dit Campbell.

En mars, le programme UR+ a été étendu pour inclure des kits d'application qui combinent des composants comme des pinces avec du logiciel « pour résoudre un problème d'application particulier. » Un kit, par Robotiq, comprend une ponceuse orbitale, du matériel de montage, des tuyaux d'aspiration et un logiciel qui permet aux utilisateurs de programmer un protocole de ponçage pour un produit comme du mobilier ou de l'ébénisterie. « Vous pouvez programmer des contours complexes en minutes, pas en jours », a dit Campbell. Pendant ce temps, le kit ActiNav d'UR est un kit de chargement de machine flexible qui permet aux utilisateurs de prendre des pièces d'un bac et de les charger dans diverses machines à une orientation précise. « Vous pouvez introduire une nouvelle pièce dans le système en moins d'une heure. »

Une autre clé pour amener les ateliers à adopter l'automatisation est l'option de formation virtuelle. UR a récemment franchi une étape en formant plus de 100 000 opérateurs en ligne via l'UR Academy, qui propose des modules de formation gratuits en programmation et déploiement de cobots UR.

« Si vous devez envoyer vos trois tourneurs principaux hors site pour la meilleure partie d'une semaine pour se former, votre production est écrasée », a dit Campbell. Les petits ateliers sont « vraiment attirés par la capacité de faire 90 % de leur formation en ligne. »

Chargement rapide pour l'avenir

En plus des pressions d'automatisation de la pandémie, le rapatriement de la production aux États-Unis est un autre moteur majeur des robots et équipements de chargement pour les ateliers.

« Les fabricants et ateliers qui ont été historiquement lents à adopter la robotique commencent à adopter la robotique plus que jamais », a dit Jake Corning, chef de produit et ingénieur mécanique pour Acieta LLC, Waukesha, Wisconsin. « Comme il y a plus de connus que d'inconnus, l'intérêt et les commandes ont augmenté depuis le début de la pandémie. Ils voient le bénéfice que la robotique offre pour maintenir leurs machines en marche et les pièces en production même en période de distanciation sociale, employés malades, et/ou arrêts qui impactent les capacités de production. »

De plus, avec la chaîne d'approvisionnement mondiale perturbée, « ils voient aussi que la pandémie va apporter une quantité tremendous de rapatriement vers les États-Unis. Ils feront face à une pénurie de main-d'œuvre encore plus importante qu'avant la pandémie s'ils n'adoptent pas l'automatisation. Ultimement, malgré la tragédie que la pandémie a infligée à notre pays, les fabricants américains adoptent déjà plus confortablement la technologie robotique et voient les avantages qui amélioreront leur compétitivité, amélioreront la satisfaction et la fidélité des travailleurs, et livreront au consommateur américain des prix plus compétitifs. »

Acieta offre une gamme de solutions particulièrement adaptées aux routines à haut mélange, faible volume, a expliqué Corning.

« Les systèmes FastLOAD CX1000 et CR2000 sont conçus pour être faciles à utiliser pour les nouveaux utilisateurs de robots », a-t-il dit. « Notre interface à écran tactile pour le CR2000 le rend très facile de faire fonctionner le robot avec différentes tailles de pièces. L'opérateur n'a qu'à entrer les paramètres de la pièce, et le système ajuste automatiquement le programme pour exécuter les nouvelles pièces. Les pinces du robot et le bridage de pièce sont flexibles pour une large variété de tailles de pièces de sorte que de nombreuses pièces différentes puissent tourner sur le même système. »

Les changements de série sur le CR2000 peuvent se faire en minutes, et les systèmes CX1000, CR2000 et DR2000 sont conçus pour que le robot puisse continuer à tourner pendant que l'opérateur charge ou décharge les pièces. « Cela permet aux machines de travailler sans arrêt pendant les pauses, les déjeuners et même en dehors des quarts tant qu'il y a assez de pièces entrantes. »

Monté sur roues, le CX1000 est facile à manœuvrer sur le plancher d'usine. Il est également disponible avec plusieurs options de chariots de bridage à changement rapide et utilise le robot CRX-10iA/L de FANUC, « qui a une interface à écran tactile très facile à utiliser avec des icônes de programmation glisser-déposer », a dit Corning. « Quand vos défis sont plus complexes ou à plus grande échelle, nos solutions personnalisées peuvent aussi être conçues pour des séries de pièces à haut mélange, faible volume en utilisant des technologies telles que la vision, les changeurs d'outils de bout de bras, et le bridage flexible. »

Les cellules de tending de machine accompagnantes d'Acieta se sont avérées populaires, a noté Corning. « Ce sont des systèmes robotiques standards conçus pour fonctionner avec une large variété de pièces. Comme ce sont des produits standards pré-conçus, ils sont beaucoup moins chers qu'un système personnalisé traditionnel et peuvent être livrés en aussi peu d'une semaine. Les trois systèmes peuvent s'occuper de plusieurs machines-outils à la fois. De plus, nos systèmes CX1000 et CR2000 utilisent des robots collaboratifs, ce qui aide à maximiser l'utilisation de l'espace au sol car ils n'ont pas besoin de clôtures de sécurité. »

Pour les ateliers automatisant pour la première fois, un excellent point de départ est le CX1000 collaboratif, a dit Corning. En libérant les travailleurs des tâches répétitives, l'automatisation leur permet « d'apprendre à programmer ou faire de la maintenance sur un système robotique. Un opérateur qui s'occupait auparavant d'une machine peut maintenant gérer des systèmes robotiques sur plusieurs machines. »

Résoudre des problèmes essentiels

Avec sa compréhension intime de l'usinage et des besoins uniques des ateliers, Methods Machine Tools Inc., Sudbury, Mass., aide les fabricants à automatiser avec un œil vers l'apport de plus d'affaires tout en créant une main-d'œuvre plus qualifiée.

« Nous avons besoin de plus de bons tourneurs », a affirmé John Lucier, responsable automatisation FANUC pour Methods. « C'est ce que les robots nous aident à faire. Les robots aident les ateliers à obtenir plus de travaux pour qu'ils puissent mettre plus de tourneurs au travail. » Un tourneur bien formé ne charge et ne décharge pas les machines, « il les met en place, choisit les outils et écrit les programmes. »

Comme d'autres fournisseurs, Methods a vu un pic d'automatisation liée à la pandémie, a-t-il dit, particulièrement pour la production de pièces de ventilateurs.

Avant la pandémie, Lucier se souvenait avoir visité de nombreux ateliers à faible volume qui regardaient l'automatisation pour la première fois. Les opérations à volume moyen qui changent de cellules deux ou trois fois par semaine pour produire environ 5 000 pièces deviennent courantes, et Methods fournit la ligne Job Shop Cell Pro basée sur convoyeur pour ces environnements. Des séparateurs de voies ajustables permettent un changement rapide entre petites et grandes pièces. Une autre option populaire est une série de tiroirs comportant une plaque en acier ou aluminium avec des trous pour 20 à 40 pièces.

Le bridage est une autre considération majeure, a ajouté Lucier ; les étaux automatisés sont une solution relativement simple. « Cela n'a pas à être complexe, avec des pinces oscillantes et ce genre de choses. Cela pourrait être quelque chose comme un bon vieux mandrin ou étau avec pneumatique ou hydraulique pour ouvrir et fermer, et vous faites vos propres mors – pas très différent de ce que beaucoup d'ateliers font avec des séries d'environ 50 pièces. »

Pour les pièces à volume encore plus faible, même jusqu'à des tailles de lot d'une seule pièce, Methods offre les systèmes de carrousel rotatif de stockage robotique Plus-K et Plus-K 60. « Nous ne rendons pas le robot spécifique à la pièce ; le robot est configuré pour apporter le bridage générique dans et hors de la machine, que ce soit un petit étau ou une palette. Le robot est pré-programmé pour agir comme un système de chargement de palette ; aucune programmation utilisateur finale n'est nécessaire. Ce système améliore également l'offre d'outils standard sur le RoboDrill, passant de 21 à 161 outils en option. »

Avec de telles solutions, les ateliers voient généralement un retour sur investissement en moins de 12 à 18 mois. « Notre objectif est de vous convaincre de le faire tourner deux ou trois quarts – de prendre une cellule robotique, remplir le système d'alimentation avec des pièces et rentrer à la maison à 17h, et obtenir deux à six heures de temps de fonctionnement. Si je peux obtenir un système automatisé qui gère 80 % du travail que vous prévoyez de faire, on fait plutôt pas mal. »

Informer les solutions de Methods est une connexion de longue date aux ateliers et une connaissance de leur fonctionnement, a noté Lucier, lui-même tourneur de métier. Par exemple, il rappelle souvent aux ateliers qu'ils peuvent usiner leurs propres pinces en acier ou aluminium. Et, ajuster les programmes pré-fournis sur les robots peut être plus facile que la programmation CNC. Le groupe d'intégration d'automatisation de l'entreprise est pleinement conscient des problèmes entourant les machines-outils, du liquide de refroidissement et des copeaux à la rotation d'outils, durée de vie d'outils, ébavurage et plus.

« Si vous allez mettre des robots sur des machines-outils, vous voulez un intégrateur robot qui fait cela », a conclu Lucier. « Les avantages des robots ne devraient pas être difficiles à justifier. »

Évaluer les besoins, ajouter de la vitesse

Comprendre les besoins d'un atelier pour l'automatisation commence par une évaluation approfondie du volume requis pour augmenter la productivité.

Lorsqu'elle est engagée par un client, a dit Ortner d'Absolute, « nous faisons une disposition système, décidons des meilleures pratiques à automatiser – systèmes convoyeurs, robots, manutention matière première, manutention pièces finies – puis nous le concevons en CAO pour s'assurer que toutes les pièces s'adaptent à leur plan de sol, tout en travaillant dans leur budget. »

En plus d'offrir une gamme d'équipements d'automatisation standards, des cobots à la manutention de pièces en passant par la surveillance, Absolute « offre un package clé en main », a dit Ortner. « Nous approvisionnons ce que nous pensons être la meilleure solution et travaillons avec ces fournisseurs pour assurer le succès. »

L'expérience d'Absolute dans l'approvisionnement du bon équipement paie clairement, a-t-elle noté. « Un client utilisant un cobot OB7 obtient 20 % d'efficacité en plus et beaucoup moins de rebut dans un quart. Ils sont capables de réduire les délais de livraison de deux semaines sur cette série particulière, ce qui libère la machine ou la cellule pour un travail supplémentaire pour un ROI plus élevé. Aussi, parce qu'ils n'ont pas à faire des tâches répétitives aussi souvent, il y a moins de demandes d'indemnisation pour accidents du travail pour l'entreprise – et les travailleurs ne s'appellent pas malades aussi souvent non plus, économisant [à l'atelier] beaucoup d'argent. »

Comme d'autres ateliers l'ont trouvé, la disponibilité accrue des opérateurs pour d'autres tâches signifie souvent « qu'ils ont plus de temps pour contribuer aux processus globaux, comme les contrôles qualité. Ils sont plus impliqués dans la gestion de processus plutôt que simplement appuyer sur des boutons et sont moins ennuyés et fatigués. »

Obtenir ces avantages peut être surprenantement rentable, a ajouté Ortner. « Notre ligne de cobots de Productive Robotics commence à 34 900 $ pour le package CNC de base. Vous pouvez passer du package CNC de base à une cellule entièrement intégrée en utilisant plusieurs cobots, convoyeurs, jaugeage en processus et méthodes de présentation de pièces. »

Surveillance pour plus de rendement

Pour aider les ateliers à garder les travaux à l'horaire et à exécuter plus de projets sans surveillance, Mitsubishi Electric Automation Inc., Vernon Hills, Illinois offre son Integrated Machine Analytics (IMA) basé sur MTConnect pour la surveillance des machines. L'application mobile IMA offre une entrée facile à installer dans la surveillance des machines.

Avec IMA, les ateliers « sont capables de mieux comprendre la production, ce qui aide à planifier précisément les travaux pour tirer plein parti de leurs machines et heures de travail disponibles, ainsi qu'à soumissionner plus précisément pour plus de travaux », a dit Robert Brodecki, chef de produit service mobile IMA pour Mitsubishi Electric Automation.

Le seul matériel requis est le câblage Ethernet et un hub/switch si connexion de plusieurs machines, et cela prend aussi peu que 5 à 10 minutes par machine pour configurer, a-t-il expliqué. « Avec le point de coût bas, les utilisateurs peuvent voir un ROI en quelques jours, surtout s'ils font de la production sans surveillance ou sans lumière et ont perdu du temps de production à cause d'une machine qui s'est arrêtée et qu'ils n'ont pas découvert avant plus tard. Avec les notifications d'IMA Mobile, vous saurez dans les 10 à 15 secondes si une machine a arrêté de couper, peu importe où vous êtes. »

La surveillance des machines améliore le débit de manière significative, a-t-il ajouté. « En regardant juste l'état d'exécution, beaucoup d'ateliers ont généralement des machines qui tournent des travaux entre 25 et 40 % de leur temps disponible. Grâce à une simple surveillance de l'état actuel via IMA Mobile, ils peuvent rapidement faire passer cela à 50 % ou plus en étant capable d'intervenir immédiatement sur toute machine qui a arrêté la production pour quelque raison que ce soit. Ce sont des données réelles directement de la machine ; cela élimine le jeu de devinettes sur combien de temps la machine a coupé, été au ralenti, ou arrêtée. » Les heures de machine disponibles sont étendues en faisant tourner plus de quarts avec moins de travailleurs – ou sans surveillance – sans perte de production due à un arrêt inattendu.

Avec IMA Mobile, les opérateurs peuvent passer à des tâches à valeur ajoutée « en sachant que l'application les notifiera quand le travail est fini ou interrompu par quelque chose qui nécessite de l'attention. »

Avec un coût d'entrée relativement bas, Brodecki a noté, IMA permet aux utilisateurs « de comprendre leur production et de faire des améliorations, ainsi que de commencer des projets d'usinage sans surveillance plus simples tout en étant assurés que leurs machines continuent de tourner. Puisque tout est construit autour de la norme MTConnect, si un utilisateur décide de passer à un système de surveillance plus approfondi et personnalisable, il n'a pas besoin de payer pour reconnecter ses machines ; il pointe simplement le nouveau logiciel vers les Agents MTConnect et les données de machine sont rapidement accessibles. »

Cette facilité d'entrée a été particulièrement importante pour automatiser à l'époque du COVID, a-t-il conclu. « Cela a du sens, puisque les entreprises cherchent à automatiser plus, mais c'est difficile de savoir exactement où et comment sans données de production précises pour identifier les zones à automatiser. Au début de la pandémie, beaucoup d'entreprises avec qui nous parlions étaient encore sur la touche à propos de la surveillance des machines. Comme la pandémie s'est éternisée et que les entreprises ont réalisé qu'elles ne pourraient pas éviter l'automatisation et les solutions de travail à distance plus longtemps, elles ont déplacé ces projets au sommet de la liste. »