Débloquer l'efficacité : les avantages stratégiques des centres d'usinage verticaux

Les fournisseurs de centres d'usinage verticaux (VMC) regardent 2022 avec optimisme. Ils s'attendent à une utilisation accrue de l'automatisation et à une sensibilisation accrue aux avantages de l'usinage avec plus d'équipements à trois axes.

Accéder à plus de faces d'une pièce en une ou deux configurations n'est qu'une partie de la proposition de valeur des VMC, selon les fabricants d'équipements. Automatiser avec un robot devant la machine, ou ajouter un axe rotatif, aide à assurer la productivité, tandis qu'une compréhension de la cinématique de la machine — comment la machine bouge dans le temps — est essentielle à la reproductibilité.

Un large éventail de choix, des machines trois axes plus simples aux cinq axes — à la fois 3+2 et, dans une moindre mesure, versions continues — donne aux ateliers une multitude d'opportunités pour appliquer les VMC à des séries basses et hautes. Et les opportunités de produire des pièces relocalisées offrent encore une autre incitation.

Le marché des VMC est florissant

Tout d'abord, malgré l'incertitude et la politique confuse entourant la pandémie de COVID-19 qui entre dans une troisième année de tumulte, la demande pour les VMC est forte. Cependant, l'approvisionnement est, sans surprise, une préoccupation.

« L'industrie est assez chaude », affirme Jeff Wallace, directeur général, ingénierie nationale pour DMG Mori USA à Hoffman Estates, Illinois. « Nous vendons tout ce qui n'est pas vissé au sol. Nous vendons même des trucs qui sont vissés. Le bon problème, c'est qu'on vend tout ce qu'on a ; le mauvais problème, c'est que les délais de quatre à six semaines se sont étendus à quatre à six mois. »

Les VMC sont populaires dans de multiples applications, dit Wallace, même avec « certains centres de production de faible volume où nous fabriquons des pièces prismatiques simplistes. Même les machines verticales trois axes sont en forte demande. »

Compte tenu des pénuries de main-d'œuvre qui n'ont fait que s'aggraver avec la pandémie, l'automatisation des VMC est devenue une préoccupation majeure.

« Fréquemment, nous voyons avec les verticaux que nous pourrions rétrofiter un axe rotatif pour pouvoir accéder à plus d'une face de la pièce. Les clients cherchent à automatiser autant qu'ils le peuvent — même automatiser certains centres d'usinage verticaux trois axes. Ajouter un axe rotatif ou même un double axe rotatif pour pouvoir retourner la pièce et accéder à l'autre face sans avoir à la sortir d'un étau et la mettre dans un autre étau — que ce soit dans cette machine ou une autre — est très populaire en ce moment. Les clients regardent comment ils peuvent optimiser ces VMC et en tirer plus de productivité.

« Le bon côté des VMC, c'est qu'elles sont relativement peu coûteuses et faciles à installer. Vous les posez au sol, et la plupart ont un système de nivellement à trois points. Pour un client qui veut se lancer dans un VMC, surtout pour de la production en petites séries, c'est très rentable. La demande est forte dans l'ensemble pour presque tous nos produits — et c'est bon pour l'industrie. Nous ne sommes pas les seuls ; tous les autres constructeurs voient des conditions similaires. Le gâteau est assez gros, et je suis content que l'industrie soit en bonne santé. »

En utilisant son calculateur de ROI, DMG Mori aide à illustrer comment ses VMC peuvent aider les ateliers à améliorer leur résultat net — particulièrement « avec toute la relocalisation qui se passe. Nous voyons beaucoup de produits revenir aux États-Unis — des pièces prismatiques à faible coût que nous avons sous-traitées outre-mer au cours des 20 dernières années. Les petits et moyens ateliers sont devenus très efficaces pour fabriquer ces composants de base — des choses qu'un VMC est très bien adapté pour faire.

« La mise en garde là, c'est la main-d'œuvre et si vous voulez automatiser : est-ce coller un simple robot devant la machine ou mettre l'axe rotatif ? Nous avons un groupe d'automatisation interne à DMG Mori, et les cobots commencent à décoller sur ces plateformes VMC. Nous n'avons même pas besoin d'ajouter quelque chose d'aussi simple qu'un vérin pneumatique à la porte ; on laisse le robot ouvrir la porte. » En prenant ces mesures, dit Wallace, les clients voient des gains de production de cinq à six pour cent.

Les VMC multi-axes prennent de plus en plus d'importance aux États-Unis, conclut-il — explosant, en fait, avec DMG Mori voyant une augmentation dix fois supérieure des ventes au cours des deux dernières années. L'Europe avait initialement l'avantage en matière d'adoption, dit-il, mais « à la mode américaine typique, une fois qu'on se réveille, c'est comme : "OK, écartez-vous." L'Amérique s'est réveillée, encore une fois principalement poussée par les problèmes de main-d'œuvre. Comme les gens ne veulent pas faire le travail ou qu'on ne trouve pas de talents, comment minimisez-vous cette interaction avec la machine pour faire une pièce ? C'est là que le multi-axes brille. Si je peux préparer ma barre correctement, je n'aurai peut-être jamais à toucher cette pièce à nouveau avant qu'elle ne soit complète. »

Facilitant l'automatisation, l'interface homme-machine Celos du contrôle de l'entreprise permet aux opérateurs de machines de manipuler rapidement une gamme de robots pour effectuer diverses tâches. « Nous avons développé des applications qui, si vous posez un robot devant une machine, l'opérateur n'a pas besoin d'être un programmeur de robot. Il y a une interface utilisateur graphique drag-and-drop pour aider les opérateurs à programmer. Notre objectif est de mettre cette technologie entre les mains des gens pour qu'ils ne soient pas aussi méfiants vis-à-vis de l'automatisation mais à l'aise avec elle. »

L'avantage du VMC

Généralement plus faciles à installer, les VMC « sont généralement opérationnels en moins de temps et offrent moins d'interruption dans les activités quotidiennes », explique Bill Malanche, COO de Mitsui Seiki. « Elles sont également généralement plus petites que de nombreux horizontaux, réduisant l'utilisation globale de l'espace précieux au sol de l'usine. La conception de nos machines donne aux ateliers et grandes usines plus de capacités dans une plateforme plus petite. Dans notre gamme Vertex de VMC, l'axe Y offre une course plus grande que l'axe X, rendant la largeur globale de la machine plus petite. La plupart des VMC sont généralement plus larges que profondes. »

Au cours de sa carrière, Malanche se souvient avoir installé des douzaines de machines verticales dans des entreprises aux États-Unis et à l'étranger. « À ce jour, je rencontre encore occasionnellement un client à un salon qui se souvient de moi installant leur machine, et dit qu'ils l'ont toujours, et qu'elle tient encore quelques dixièmes. »

Mitsui Seiki met l'accent sur les machines de style aléseuse de précision conçues pour avoir une ultra-haute précision dans une enveloppe de travail serrée, note-t-il, les rendant idéales pour la production à haute valeur, faible volume.

« Nous avons un client qui produit des composants aérospatiaux complexes nécessitant des tolérances extrêmement serrées », explique Malanche. « Les machines verticales qu'ils utilisent produisent une famille de pièces conçues non seulement pour la production mais aussi pour le support terrain continu. Cet environnement signifie que les machines pourraient être utilisées pour la production un jour mais peuvent être inopinément forcées d'être échangées pour compenser les exigences de support terrain.

« Ce client a des machinistes qualifiés produisant les pièces, mais le niveau de travail n'est pas adapté à juste appuyer sur "démarrage cycle" ; les pièces ont de nombreux alésages intégrés et des contrôles de processus qui doivent être faits au fur et à mesure de la production des pièces. » Ce client a commencé avec cinq VMC Mitsui Seiki et en a maintenant 16 dans son exploitation.

Dans les cas où les pièces doivent sortir des machines pour une inspection MMT « en cours de processus » pour passer d'une opération à l'autre, Malanche dit : « nous avons aidé le client à semi-automatiser les processus, où ils pouvaient organiser les machines avec des plaques de base de fixation "point zéro" pour permettre aux mêmes pièces d'être transférées de machine en machine et à la MMT avec un temps de configuration et de vérification minimal. »

Parfois, de plutôt petites améliorations optionnelles peuvent être apportées aux VMC de base pour aider à l'automatisation. Des éléments comme les palpeurs d'outil et les palpeurs de broche peuvent être utilisés pour accélérer les changements, et l'incorporation de plaques de base point zéro hautement répétables peut ajouter de la polyvalence.

« Mais je pense que le plus grand avantage vient d'avoir des machines équipées pour l'usinage cinq axes », affirme Malanche. « Même si l'ajout d'un cinquième axe à la plupart des VMC est généralement coûteux au départ, l'investissement en vaut la peine et est parfois rapidement amorti avec des applications critiques. L'avènement de tables rotatives cinq axes de haute précision intégrées dans la structure de la machine permet aux fabricants l'avantage d'encore plus de polyvalence dans le flux de processus. »

Mitsui Seiki a conçu ses plateformes VMC pour gérer de nombreux défis de fabrication uniques, poursuit-il. La série Vertex cinq axes de base de l'entreprise est offerte en trois tailles pour gérer des pièces de 500 mm à 1200 mm de diamètre. « Nous les avons construites avec des adaptations visant à relever de nombreux défis de fabrication et nouvelles méthodologies. Nos machines ne sont pas construites sur une plateforme commune avec juste des vis à billes étendues pour des courses plus grandes ; ce sont des fontes individuelles conçues pour des années de service et de vie. Notre plus petite version, la Vertex 550-5X avec une table rotative de 400 mm, pèse 20 000 livres, et la Vertex 100X en pèse le triple. Ce ne sont pas des machines VMC "jetables". »

Les machines Vertex sont construites avec des options telles que des moteurs d'axe rotatif à entraînement direct nécessaires pour un contrôle de contour amélioré sur le marché des aubes, ajoute-t-il. « Nous avons des machines à plateforme combinée conçues pour la capacité multi-processus telle que la fabrication additive/soustractive par dépôt de métal, le fraisage et le rectification et le processus d'électro-érosion à grande vitesse appelé Blue Arc, qui est sous licence via General Electric. » Avec ces options, les utilisateurs usinent des matériaux incluant céramiques, graphite, aluminium, titane, Inconel et plus.

Ce genre de flexibilité aide les VMC à réaffirmer leur place sur le marché, où au fil des ans les exigences de production plus élevée, couplées à une capacité de main-d'œuvre réduite, ont fait place aux HMC pour prendre le relais. « Dans ce qui semblait une période relativement courte, le besoin de VMC a pris du recul par rapport aux HMC avec des changeurs d'outils plus grands, des changeurs de palettes et des systèmes de fabrication flexibles complets », dit Malanche. « Il y a trente ans, la plupart des ateliers de production moyenne à semi-élevée comptaient fortement sur les VMC pour de nombreuses raisons, incluant le temps de configuration, la facilité d'accès, la facilité de maintenance, la disponibilité de travailleurs qualifiés et le mix de produits. Les VMC ont retrouvé une nouvelle vie sur le marché de la fabrication de pièces de haute précision. »

Machines en mouvement

Le concept critique de cinématique, ou comment une machine bouge, est quelque chose que YCM Technology USA à Carson, Californie, met en avant avec son étalonnage cinématique intégré pour le marché nord-américain. Ces packages — comprenant des palpeurs tactiles, mesure de longueur d'outil et sphères de référence — seront standard sur les machines 3+2 ou cinq axes continues de YCM, a déclaré Brian Huff, responsable du développement commercial pour le Midwest.

Au fur et à mesure qu'une machine effectue ses fonctions, la précision peut changer, note Huff, et « c'est courant qu'un opérateur pense que la machine n'est pas précise ou que la prise n'était pas précise. » Y remédier nécessite de définir les centres de rotation pour les quatrième et cinquième axes et d'être capable de les étalonner. Historiquement, les fabricants pourraient définir le centre de rotation dans le cadre de l'installation de la machine, dit-il. « Si le client lutte avec la précision, cela nécessiterait un appel de service, et ils reviennent pour redéfinir ces centres de rotation — ce qui peut être coûteux. Des choses arrivent, les machines bougent, le poids de la pièce change — et d'autres dynamiques sont en jeu. Certains fabricants ont plus facilement adopté l'importance de l'étalonnage cinématique. Par conséquent, notre intérêt est de le rendre facile pour nos utilisateurs et opérateurs ; cela ne nécessitera pas d'appel de service, et vous avez la machine au plus haut niveau de précision. »

À quelle fréquence les VMC doivent-elles être étalonnées ? Cela pourrait être une fois par semaine, une fois par mois, ou même quotidiennement selon l'application, conseille Huff.

« Nous disons à nos clients que si vous avez un travail plus critique et que vous remarquez plus de déviation, lancez le programme de cinématique. Si vous faites du travail à tolérances serrées, lancez la cinématique ; lancez-la avant le travail, lancez-la quotidiennement pour être sûr. Si vous voyez une déviation de 0,0005" sur une semaine, peut-être lancez-la hebdomadairement. » Cela équivaut à 0,0127 mm.

Idéalement, Huff voudrait « faire de la cinématique une conversation normale » et essayer de combler le fossé entre les entreprises qui définissent les centres de rotation à l'installation et celles qui pensent que l'étalonnage cinématique devrait être facilement accessible et rapidement exécuté. « Cela devient un mode de vie pour tous les fabricants. »

Une autre façon dont YCM aborde la précision est par son partenariat avec Kessler, dont les broches et têtes apparaissent sur les machines verticales YCM pour adresser la force de serrage pour les axes A et C ou B et C et maintenir la rigidité à la pointe de l'outil de coupe. « Notre broche standard sur notre machine cinq axes à double colonne pour moules et matrices culmine à 54 ch », dit Huff, soit 40,2 kW. « C'est un HSK 100, avec 16 000 tr/min, qui produit la pleine puissance à 2 500 tr/min. Haute rigidité, couple, tr/min et puissance font une configuration de broche et de tête vraiment polyvalente. Notre version aérospatiale va jusqu'à 18 000 tr/min, avec une broche HSK 63 produisant 94 ch [70 kW], ciblée pour l'usinage de l'aluminium. » De plus, le partenariat avec Kessler donne à YCM une ressource du Midwest pour la réparation de broches.

YCM Technology met un accent particulier sur ses machines cinq axes. Bien que les configurations 3+2 soient plus populaires, la demande pour le cinq axes complet augmente, note Huff. Lui aussi voit les demandes d'automatisation augmenter.

« Nous voyons constamment des demandes d'automatisation dans le cadre du package machine. Ce n'est pas seulement la palettisation ; nous voyons plus d'acceptation et d'intérêt pour l'automatisation pick-and-place. C'est un ajustement naturel avec le cinq axes car dans de nombreux cas, vous êtes capable, en une ou deux configurations, d'usiner la pièce complète. La fixation des pièces dans ce cas est critique et il ne faut pas d'interférence de fixations ou de pinces sur le chemin de l'outil. Si vous pouvez tenir une pièce par le dessous et permettre l'accès à cinq faces, c'est l'idéal. Pour la fixation par le dessous, il y a des fabricants qui ont conçu des systèmes qui font un excellent travail ; nous travaillons actuellement avec des entreprises qui offrent ce type de solutions. Aussi, nous offrons des packages d'automatisation palettisée avec les machines YCM et développons davantage des packages d'automatisation collaborative et pick-and-place. »

Viser la haute production

Au cours des deux à trois dernières années, la plupart des lancements de VMC par Chiron ont été des plateformes de production robustes à haut volume conçues pour répondre aux exigences d'usinage de grands composants automobiles et aérospatiaux, a déclaré Simon Knecht, responsable du développement commercial de Chiron America à Charlotte, Caroline du Nord.

« Avec ces centres d'usinage établis avec succès et largement disponibles pour nos clients nord-américains, nous renforçons davantage notre portefeuille de produits à l'autre extrémité du spectre de fabrication : les composants micro-usinés de haute précision », a déclaré Knecht.

Cette année, Chiron lance son centre d'usinage Micro5, développé en Suisse et conçu pour de petites pièces — dans l'ordre de 50×50×50 mm — dit-il. « La vitesse et la dynamique de ce concept d'usinage sont conçues pour soutenir les clients avec une productivité accrue. Avec les repères de haute vitesse et de masse mobile minimale, la machine est une plateforme modulaire et peut être équipée d'automatisation intégrée. De plus, le Micro5 a été conçu pour une évolutivité flexible, ce qui donne aux fabricants la capacité de créer des lignes de production sans couture avec plusieurs machines. »

Les VMC sont généralement basées sur un concept modulaire, explique-t-il ; il est courant de passer d'une configuration quatrième à cinquième axe. « Souvent, nos clients ont changé la configuration de la machine pour un réglage de table différent en utilisant le quatrième ou cinquième axe sur la table. »

Comme les autres fournisseurs, Chiron America s'attaque au fossé des compétences des opérateurs. L'automatisation intelligente « est une partie d'une solution qui assure le débit pendant les heures de production planifiées », dit Knecht. « Les technologies d'automatisation, surtout les robots, ont généralement une haute disponibilité technique et fonctionnent avec une grande fiabilité. Avec des processus et cellules conçus pour des lots plus petits, nos solutions d'automatisation sont même capables de changer les fixations dans la machine. Contrairement à une configuration manuelle, qui peut souvent prendre plus d'une heure pour changer les fixations, l'automatisation du VMC avec un système de serrage zéro améliore le débit et remet la machine à ce pour quoi elle est conçue : l'usinage. Nos configurations d'axes de table d'usinage sont conçues pour accommoder ces méthodes de serrage. »

Des tendances comme le passage vers l'électromobilité et les chaînes d'approvisionnement stressées par la pandémie exigent plus de flexibilité de l'équipement — faisant du VMC réduisant les configurations un outil critique. « La capacité de changer rapidement vers une pièce différente sur une machine guide l'approche pour réduire le nombre de configurations et finir autant d'opérations que possible dans la même machine », dit Knecht. Le changement de pièce intégré de Chiron permet le chargement et le déchargement de pièces pendant que leurs VMC cinq axes tournent.

Tirer parti de cette flexibilité et utiliser un VMC pour de nombreuses pièces différentes « conduira à des avantages tangibles en termes de ROI », conclut Knecht. « Trop souvent j'ai vu des machines et équipements dédiés qui restent immobiles suite à la perte d'un travail ou projet, tandis que le fabricant est incapable d'utiliser la machine à son plein potentiel. »