Révolutionner la fabrication : Systèmes de palettes avancés et robotique

La gamme et les exigences des cellules d'usinage flexibles s'élargissent

Alors que les processus de fabrication automatisés continuent d'évoluer, passant de « nice to have » à « must have » à la suite de problèmes tels que la pénurie de travailleurs qualifiés, les configurations de systèmes de fabrication flexibles (FMS) continuent d'émerger sous des formes nouvelles et passionnantes.

Clairement, la pandémie de COVID-19 a incité les fabricants à accélérer l'ajout de robots aux systèmes de palettes. Mais ce n'est pas le seul tournant intrigant qu'a pris le FMS récemment.

« Les systèmes de fabrication flexibles peuvent signifier des choses très différentes aujourd'hui par rapport à il y a quelques années », a expliqué Zach Spencer, responsable de l'automatisation chez Methods Machine Tools basé à Sudbury, Mass. « Autrefois, tout le monde était habitué aux systèmes d'échange de palettes pour obtenir une flexibilité maximale avec leurs machines. Ces pools de palettes permettaient aux clients de monter divers dispositifs de serrage sur diverses palettes et de faire fonctionner leurs machines sans surveillance.

« Aujourd'hui, l'automatisation flexible peut prendre de nombreuses formes. Cela peut aller de machines palettisées, de robots déplaçant des palettes – comme nos systèmes d'automatisation Plus-K et Plus-K60 – à des systèmes plus complexes mais toujours faciles à utiliser comme les systèmes de vision flexibles pour la mise en place des pièces. »

Pour ceux qui sont nouveaux dans le jeu de l'automatisation, Spencer a conseillé de commencer simplement.

« Nous recommandons généralement de commencer avec un système plus petit et moins compliqué pour se familiariser avec l'automatisation – s'y habituer avant de faire un grand saut. Pour nous, ce type de système plus petit ou plus intelligent peut signifier s'occuper d'une machine au lieu de plusieurs, et faire un seul lot au lieu de traiter beaucoup de types de pièces différents à la fois. »

Solutions, grandes et petites

L'activité d'automatisation par palettes étant « le cœur » de Fastems, l'entreprise finlandaise est à l'avant-garde des tendances d'automatisation émergentes. La pandémie a accéléré l'ajout de robots pour charger et décharger des pièces dans les configurations FMS, a déclaré Mika Laitinen, directeur des ventes de solutions chez Fastems.

D'autres opérations annexes sont de plus en plus ajoutées au sein des mêmes systèmes, a ajouté Christopher Rezny, responsable régional centre des États-Unis pour Fastems. Par exemple, qu'une pièce soit tournée ou usinée, elle doit être lavée. De plus, les pièces doivent être contrôlées – soit individuellement, soit après une série de peut-être 100. Les opérations d'ébavurage et de chargement automatique de dispositifs peuvent également être effectuées, et la connectivité aux systèmes de véhicules à guidage automatique (AGV) maintient les matériaux en flux vers l'opération.

À l'origine conçue pour les centres d'usinage horizontaux, le système FPC (conteneur de palette flexible) de Fastems peut être étendu pour desservir jusqu'à quatre machines-outils.

« Pour la première fois, du moins en Finlande, ce bloc moteur sera chargé et déchargé automatiquement dans ce type de machine-outil en utilisant des AGV », car le système a été construit sans grue à portique. L'AGV déplace la palette d'usinage d'un emplacement à l'autre pour le lavage, l'inspection, l'ébavurage et la finition. « Nous avons également des tâches de sous-assemblage pour effectuer certaines opérations d'usinage finales. Et nous avons du stockage. Donc, nous avons tous les mêmes éléments que nous aurions sur un FMS traditionnel basé sur une grue à portique, mais maintenant tout est sur un seul niveau » en raison du poids des composants.

L'utilisation d'AGV au lieu d'une grue est idéale dans une situation comme celle-ci, a poursuivi Laitinen, étant donné que le temps d'usinage est assez long – plusieurs heures – donc il n'y a pas de problème à utiliser le véhicule de chargement/déchargement plus lent pour le changement de palette.

Temps de fonctionnement et robots

Que les systèmes de palettes soient linéaires ou rotatifs, avec une configuration mono ou multi-machine, les variantes de FMS couvrent toute la gamme.

Chez DMG Mori, son LPP (pool de palettes linéaire) et son RPS (système de palettes rotatif) plus basique trouvent leur place dans de multiples configurations.

Pour un LPP, « le point idéal typique pour un atelier de travaux est de 24 à 36 palettes et deux ou trois machines et deux postes de chargement », a déclaré John McDonald, directeur général du développement chez DMG MORI à Davis, Californie. « Vous avez un flux de matériaux entrant et sortant des postes de chargement, du travail mis en file d'attente dans le système de pool de palettes, et les machines travaillent jour et nuit. »

Pendant ce temps, le RPS est « un système mono-machine, mono-palette », a poursuivi McDonald. « Il y a généralement cinq palettes dedans, et nous allons jusqu'à 21 palettes. Ceux-ci sont parfaits pour, encore une fois, mettre le travail en file d'attente. Vous n'avez pas autant de variété de pièces, ou vous le combinez avec un certain type de serrage à changement rapide de sorte que vous puissiez changer votre configuration de travail. »

En fin de compte, le bon FMS pour un atelier donné est celui qui optimise le temps de fonctionnement sans surveillance. Il s'agit d'obtenir plus d'heures de broche dans la journée et plus de temps « walkaway » pour laisser les employés effectuer d'autres tâches, a-t-il dit.

L'autre travail du FMS, bien sûr, est d'obtenir plus de travail. « J'ai des clients qui frappent à ma porte, disant : « Voici un travail à soumissionner, là un travail à soumissionner. » Ce que je vois peser sur l'esprit de la plupart des gens, c'est : « Puis-je vraiment implémenter cette chose ? » Nos visites technologiques privées et nos événements basés sur l'éducation montrent à ces clients comment ces outils fonctionnent réellement ensemble pour atteindre ce temps de fonctionnement sans surveillance. »

Le logiciel LPS 4 de DMG Mori, lancé en 2021, est la quatrième génération du logiciel de gestion du système d'automatisation de l'entreprise. Avec lui, les fabricants peuvent éliminer certaines étapes de gestion des matériaux en se connectant directement à un ERP. Par exemple, si un client commande 500 blocs d'aluminium 6061 pour produire des pompes à eau, McDonald a expliqué : « une fois que vous avez créé ce travail de pompe à eau, votre système ERP peut piloter la demande vers le système de pool de palettes de ce qu'il va produire ensuite. Nous avons supprimé ce lien manuel de quelqu'un qui entre des données de l'ERP dans le logiciel LPS 4 ; nous avons bouclé la boucle en connectant ces deux systèmes. Tous les clients ne sont pas prêts à commencer à utiliser ce niveau aujourd'hui – mais certains des ateliers les plus productifs le font. »

Illustrant ce que son FMS peut faire, DMG Mori fait fonctionner un LPP d'un mètre avec trois machines dans son propre atelier d'usinage, a noté McDonald. « Il a une station de lavage de pièces, un chargement robotique, des dispositifs hydrauliques et des palettes de matériaux. Nous usinons les pièces moulées avec lesquelles nous construisons nos machines ici dans notre usine de Davis. Un opérateur charge la pièce moulée sur la palette de matériau. Presque toutes ces pièces moulées doivent être grutées ; elles sont bien trop lourdes pour être soulevées par qui que ce soit. Elles sont grutées sur une palette qui ressemble à une palette de chariot élévateur. La pièce est placée dessus, puis va dans les racks de palettes. La palette de matériau va dans le chargement robotique lui-même, ainsi que la palette de dispositif. Ainsi, le robot prend la pièce et la charge sur le dispositif, puis la pièce est serrée avec un serrage hydraulique. Et puis la pièce va dans le centre d'usinage.

« Une fois cette opération terminée, elle va au lavage de pièces ; la pièce est nettoyée pour enlever les copeaux ou la graisse des trous filetés. Nous avons des clients qui ont poussé cela encore plus loin, jusqu'à intégrer des machines de mesure et des cellules de marquage laser. De plus, certains clients utilisent le LPP en combinaison avec notre système de gestion centralisée des outils – donc, non seulement les pièces mais aussi les outils dans le magasin de la machine sont changés automatiquement. Typiquement, nous verrons les OEM mettre en œuvre ce genre de cellules. »

Methods, aussi, sert l'évolution des systèmes d'échange de palettes simples vers des solutions robotisées avec des contrôles de gestion de palettes, a dit Spencer.

« Un système très réussi que nous avons développé et déployé est notre système RoboDrill Plus-K », a expliqué Spencer. « Ce système utilise un FANUC RoboDrill avec un robot FANUC pour le tendre. Du côté robot, il y a la capacité de stocker jusqu'à 60 pièces dans le système à la fois. Ce système a une fonction de gestion de palettes intégrée dans la commande de la machine qui permet à l'opérateur de définir des numéros de programme spécifiques aux différentes 60 stations où les pièces peuvent être stockées. Ce système flexible permet également un outillage étendu sur la machine, ce qui peut être massivement utile lorsqu'on travaille sur divers types de pièces dans les 60 postes de travail différents. »

Et la production à haut mélange et faible volume n'est pas exclue, a ajouté Spencer. Dans ces cas, « nous recommandons généralement une solution plus rigide. Avec toute vente d'automatisation ou de machine-outil, nous essayons de montrer au client les calculs de ROI pour son atelier pour aider à approuver la vente de l'équipement. Nous faisons ce que nous pouvons pour battre un ROI de 18 à 20 mois pour le client. » Le système Plus-K de l'entreprise est taillé sur mesure pour le travail à haut mélange/faible volume, a-t-il ajouté.

« Nous avons eu un grand succès avec l'industrie médicale avec des systèmes flexibles. Je pense qu'une raison majeure en est le besoin dans l'industrie médicale pour une application à haut mélange. Par cela, je veux dire qu'ils peuvent généralement exécuter de petits lots – jusqu'à peut-être 10 pièces à la fois – avant d'avoir besoin de faire un type de pièce différent. Cela se prête parfaitement à une solution plus flexible qui est extrêmement facile à changer d'un numéro de pièce à l'autre. »

Pour les exigences de traçabilité, a-t-il poursuivi, « nous offrons des contrôleurs de cellule qui peuvent aider les clients dans la traçabilité des pièces à travers les systèmes. Les contrôleurs de cellule peuvent surveiller le temps de fonctionnement des équipements, les statuts d'alarme et l'historique, ainsi que l'utilisation des machines. Ces systèmes ont généralement soit une capacité de lecture de code QR, de code-barres ou RFID qui permet à l'opérateur de scanner les pièces entrant et sortant des cellules pendant la production. Cette information est généralement stockée dans une base de données locale à la cellule, où elle peut être copiée sur le serveur d'un client. »

L'angle laser

Lorsque la découpe laser et le soudage laser entrent en jeu, un FMS prend une définition légèrement différente, a déclaré Dominic Rickard, responsable des ventes en Amérique du Nord pour Prima Power Laserdyne, basé à Brooklyn Park, Minn.

« Un système de fabrication flexible pour le traitement laser 3D signifie fournir un système qui peut prendre en charge une grande variété de processus laser, c'est-à-dire le soudage laser, le perçage laser et la découpe laser 3D », a expliqué Rickard. « Le système doit soutenir les besoins de fabrication et être adaptable aux besoins futurs de l'entreprise. »

Cette adaptabilité inclurait le support pour :

-- Faible volume aujourd'hui et volume plus élevé à l'avenir.

-- Une gamme de matériaux, de l'acier doux, l'acier inoxydable et l'aluminium aux matériaux spéciaux. Le passage d'un gaz d'assistance à un autre via un contrôle électronique et programmatique est important.

-- Changements rapides d'un processus de fabrication à un autre – du soudage à la découpe au perçage et vice versa. Par exemple, il a dit : « Les systèmes LASERDYNE peuvent passer de la découpe laser 3D au soudage 3D en une à deux minutes. »

De plus, il a conseillé que les FMS basés sur laser doivent fournir des informations de paramètres et de processus en temps réel aux systèmes de surveillance de fabrication/opération – et que ces informations doivent également être enregistrées et stockées pour référence et analyse futures.

« De notre point de vue, la taille du système ou de la machine est indépendante de la flexibilité », a dit Rickard. « La taille du système est déterminée par les pièces que le client va traiter au laser. Les systèmes LASERDYNE sont conçus pour soutenir la flexibilité de fabrication indépendamment de l'achat d'un système petit ou grand. »

La dernière nouveauté de Prima Power Laserdyne est son système LASERDYNE 811, qui soutient la philosophie de fabrication flexible de plusieurs manières, a expliqué Rickard.

« Premièrement, le même système soutient un fabricant qui a un haut mélange de pièces et un faible volume ou un fabricant qui commande le système pour construire une seule pièce pendant plusieurs années. Deuxièmement, le client peut intégrer l'automatisation au moment où le système est installé ou à tout moment dans le futur. Le système est modulaire et ajustable. Troisièmement, le système peut être un équipement autonome ou une partie intégrante de la cellule de fabrication. »

Le système a été un atout pour un client, un sous-traitant des marchés de l'automobile, de l'agroalimentaire et des biens domestiques, a-t-il dit. Ce client voulait étendre sa capacité de traitement et raccourcir le temps pièce-à-pièce pour une variété de pièces métalliques 3D et plusieurs pièces cylindriques. De plus, le client voulait réduire le temps de changement de dispositif de pièce.

« Nous avons fourni au client le LASERDYNE 811 avec une table d'indexage à deux positions [tourne-table] pour découper au laser des pièces 3D. En outre, nous avons fourni une interface de dispositif commune pour que l'opérateur puisse facilement changer les dispositifs de pièce sur le tourne-table. Pour soutenir la pièce cylindrique, nous avons fourni une table rotative utilisant la même interface de dispositif de pièce pour que le client puisse facilement ajouter et retirer la table rotative. L'ajout de la table rotative est le même que l'ajout et le retrait du dispositif de pièce.

« Le résultat est que le client peut traiter au laser en haut mélange de SKU et réduire les temps de cycle pièce-à-pièce, ce qui a réduit les coûts globaux, augmenté le débit d'usine, réduit les délais de pièces pour les utilisateurs finaux et permis au client de rester compétitif sans aucune réduction de qualité. »

Rickard a expliqué comment l'évolution du FMS était cruciale pour le succès de son entreprise.

« Par nécessité, Prima Power Laserdyne a été un pionnier précoce dans le traitement laser 3D. Pour réussir, nous devions offrir des systèmes de fabrication flexibles. Dans les premiers jours de l'entreprise, il était très difficile de vendre une machine à usage unique. Les clients insistaient sur le fait que les systèmes devaient être flexibles. Le FMS est une partie centrale de notre ADN, pour ainsi dire.

« Au fil des ans, les sources laser du système ont commencé par des lasers CO2, migrant vers des systèmes Nd:YAG pour devenir maintenant des systèmes laser à fibre. Avec chaque changement de source laser, un plus grand nombre de matériaux pouvaient être traités au laser. Au fil du temps, nous avons conçu et amélioré nos systèmes pour soutenir le soudage, le perçage et la découpe en changeant la buse au bout de la chaîne optique laser. »

Un autre changement a été l'introduction par l'entreprise de SPC et MTConnect dans ses systèmes. « Avec le SPC, le fabricant peut enregistrer tous les paramètres de processus et de machine pour analyse ou tenue de registres. Avec MTConnect, le fabricant peut diffuser les paramètres en temps réel, fournissant une surveillance de processus en temps réel. Enfin, le système a un contrôle en temps réel sur tous les aspects de la machine, y compris le contrôle impulsion par impulsion du laser. Le contrôle en temps réel permet au contrôleur de supporter sept axes ou plus et simplifie l'intégration de l'automatisation avec les systèmes LASERDYNE. »

En fin de compte, a-t-il conclu, « le secteur manufacturier général et les fabricants sous-traitants sont à l'avant-garde lorsqu'il s'agit de définir et d'avoir besoin de FMS. Ce groupe de clients a besoin de la capacité d'adapter leurs processus de fabrication.

Typiquement, ce groupe soutient une variété de produits et clients. Leur subsistance et leur succès dépendent de la rapidité et de l'efficacité avec lesquelles ils peuvent s'adapter au travail disponible sur le marché. Chaque secteur de marché a un cycle haut et bas. Si un secteur de marché est en baisse, la vitesse à laquelle le fabricant peut s'adapter au secteur de marché en croissance peut faire la différence entre développer l'entreprise et faire faillite. »