Placement de fibres robotisé et impression 3D : Propulser les avancées de l'Industrie 4.0

Les avantages promis par l'Industrie 4.0 se concrétisent chez Ingersoll Machine Tools à Rockford, Illinois. La simulation de « jumeau numérique » pour la conception de machines, une intelligence robotique supérieure et des mouvements complexes sont les outils essentiels ici. Ces outils rendent la production de moules à grande échelle, l'usinage de pièces et l'automatisation des processus accessibles aux secteurs aérospatial, naval et autres.

« La disruption promise par l'Industrie 4.0 a déjà commencé », a déclaré Jason Melcher, vice-président des ventes chez Ingersoll. « Ce qui est d'autant plus remarquable, c'est que cela se produit dans l'aérospatial, où la conception de machines pour une production améliorée de moules et de pièces concerne les plus grands des grands, les plus difficiles des difficiles. »

« Ici, l'impédance du processus est évaluée non pas heure par heure, mais minute par minute, et en livres par heure », a expliqué Melcher. « Nous voyons une plus grande faisabilité, soutenue dans l'avenir par la meilleure plateforme technologique CNC et de mouvement de l'industrie aérospatiale. »

L'amélioration des processus a toujours été importante chez Ingersoll. Depuis de nombreuses années, les ingénieurs mécaniques, logiciels et processus de l'entreprise ont collaboré avec des ingénieurs de Siemens pour développer des conceptions de machines de grand format de nouvelle génération.

Mais que font exactement Ingersoll et Siemens qui soit vraiment révolutionnaire ?

Maintenant, ces deux entreprises technologiques s'associent aux équipes d'ingénierie des clients pour inventer, valider et atténuer les risques. Elles collaborent à plus grande échelle, où le placement de fibres robotisé intelligent et la production massive de pièces par impression/fraisage ne sont plus une vision mais une réalité.

Placement de fibres robotisé

Acteur de longue date dans le placement automatisé de fibres (AFP) pour l'aérospatial, l'incursion d'Ingersoll dans la robotique haut de gamme semble une progression naturelle. L'ambition de l'entreprise a été de rendre le placement de fibres robotisé abordable pour les producteurs de pièces aérospatiales de second et troisième rang. Mais cette ascension vers le marché aérospatial avait été freinée par plusieurs réalités terrestres, notamment l'imprécision historique du positionnement robotique à grande échelle, le manque de contrôle robotique au niveau de l'opérateur de machine et le coût élevé de la conception et de la construction de systèmes AFP personnalisés à plus grande échelle.

Positionnement robotique précis : Même ces dernières années, la précision de positionnement des robots à grande échelle n'était pas meilleure qu'environ 5 mm et avec une faible répétabilité. Pour remédier à cette limitation, Siemens a fait évoluer son puissant CNC Sinumerik 840D sl pour y inclure Run MyRobot, son logiciel de compensation robotique hautement sophistiqué.

Cela a permis à Ingersoll d'intégrer la robotique dans ses nouvelles conceptions de machines de placement de fibres Robotic FP, atteignant des précisions de positionnement robotique répétables inférieures à 1 mm. La précision est maintenue pour les mouvements robotiques standards et inverses.

Contrôle robotique sur la machine : Le mouvement robotique d'une machine Robotic FP est facilement contrôlé sur la machine à l'aide de l'interface Siemens Sinumerik CNC Operate. L'interface intuitive et graphique du contrôle est universelle sur la plateforme de commandes Sinumerik CNC. Les clients aérospatiaux peuvent atteindre des efficacités de processus plus élevées à l'échelle de l'usine car les opérateurs deviennent rapidement familiers et efficaces en utilisant une interface qui reste la même d'une machine à l'autre, même en passant de trois axes à cinq axes ou six axes avec de nombreux axes supplémentaires (table tournante, mandrin, rail linéaire, etc.). L'expérience de l'opérateur est la même, qu'il contrôle le placement de fibres traditionnel, le placement de fibres robotisé, l'impression 3D, l'impression 3D robotisée ou tout processus d'usinage CNC.

Simulation de conception de machine : L'industrie de la machine-outil a longtemps anticipé la capacité de concevoir, tester et reconcevoir virtuellement le jumeau numérique d'une machine, d'un moule ou d'une pièce avant de passer à la production réelle. Dans l'aérospatial, la taille même d'une machine ou d'une pièce a rendu le prototypage physique particulièrement coûteux.

Le prototypage traditionnel par essais et erreurs produirait des pertes massives en temps et en matériaux. Pour échapper à ces contraintes, les ingénieurs logiciels d'Ingersoll ont développé un logiciel de simulation qui permet aux ingénieurs de processus de concevoir et développer virtuellement une machine, un moule ou une pièce. Le logiciel s'enroule autour du noyau de simulation du contrôleur virtuel NC (VNCK) de Siemens. Le contrôleur traite et simule virtuellement toutes les données de cycle d'usinage et les trajectoires d'outils exactement comme elles seraient effectuées sur la machine réelle, et l'interface Sinumerik Operate affiche graphiquement cette simulation exacte de jumeau numérique.

Impression 3D et fraisage à grande échelle

Les plus grandes imprimantes 3D thermoplastiques du monde attirent l'attention immédiate des ingénieurs aérospatiaux lorsqu'ils entrent dans le centre de développement immense d'Ingersoll Machine Tools.

Une fois habitués à la taille pure de la machine MasterPrint, ce qui retient l'attention des ingénieurs est la perspective de prototypage plus rapide, de délais plus courts et de réductions de 90 % des coûts de fabrication. L'innovation d'Ingersoll continue avec le développement de la MasterPrint 5X – une machine clé en main d'impression et de fraisage avec des percées de productivité encore plus grandes, à nouveau rendue possible par la plateforme CNC Siemens Sinumerik 840D sl.

Michael Falk est ingénieur mécatronicien et chef de l'équipe de vente Siemens qui a soutenu Ingersoll dans le déploiement de la série MasterPrint. Falk a souvent vu les réactions des ingénieurs aérospatiaux qui visitent le centre de développement d'Ingersoll, et il peut attester pourquoi le facteur « 5X » est une grande attraction. « Quatre-vingt-dix pour cent du temps, tout ce qui est imprimé en 3D devra être fraisé en finition », a dit Falk. « La nouvelle MasterPrint fait exactement cela en tant qu'opération clé en main pour produire les plus grandes pièces du monde incorporant une technologie de changement de tête automatisée, développée par Ingersoll et soutenue par Siemens. »

Falk a dit que ce que les ingénieurs aérospatiaux et navals voient maintenant chez Ingersoll est leur capacité à explorer des objectifs d'amélioration de processus qui étaient autrefois inaccessibles. « En octobre 2019, l'Université du Maine a reçu trois records du monde Guinness pour l'impression 3D d'un bateau de 25 pieds de long qui peut réellement flotter et transporter des gens », a-t-il dit. « Ce qui est remarquable, c'est que les ingénieurs d'Ingersoll ont surpassé le record de taille plusieurs fois depuis. »

Efficacité fraisage-impression : L'approche MasterPrint de l'impression 3D grand format combine la vitesse amplifiée, la dextérité et la précision du mouvement à cinq axes. Le même portique peut maintenant combiner les fonctions d'impression, de fraisage, de placement de fibres, de pose de ruban, d'inspection, de découpe, et plus encore.

Impression 3D sous n'importe quel angle : Ingersoll lance la nouvelle MasterPrint 5X, a dit Falk. La machine peut imprimer sous n'importe quel angle à son plein avantage. Ainsi, maintenant vous pouvez fabriquer rapidement un moule ou une pièce massive en utilisant le séquençage le plus efficace. La buse d'impression à cinq axes change d'orientation en conséquence pour imprimer des pièces beaucoup plus complexes.

Synchronisation à haute vitesse : « Les actions de synchronisation pendant l'impression 3D sont là où beaucoup de la magie opère », a dit Falk. « Vous obtenez de belles pièces avec une géométrie de cordon constante. L'impression ralentit seulement si nécessaire dans les coins, puis reprend une vitesse optimale. Les coins ne sont pas sur-remplis. Il n'y a pas de problèmes de remplissage, pas de rétrécissement du cordon, pas de vides dans l'outillage et pas d'accumulation de matériau à l'intérieur de la pièce. »

Impression 3D robotisée : Ingersoll a pleinement profité de Sinumerik Run MyRobot/Direct Control, le logiciel de compensation robotique qui est maintenant une caractéristique clé du CNC Siemens Sinumerik 840D sl. Ingersoll offre une large gamme de systèmes robotiques où le CNC sur la machine peut contrôler plusieurs modules opérés par le même robot.

Boîtes à outils pour l'avenir

Jason Melcher et Michael Falk ont été témoins d'un enthousiasme sans relâche parmi les ingénieurs d'Ingersoll Machine Tools qui posent des questions exploratoires dans une culture de soutien. Ils décrivent un environnement de laboratoire où un ingénieur de processus fraîchement diplômé apprend rapidement des choses que même les cours de mécatronique les plus avancés ne couvrent pas.

Chez Ingersoll, les ingénieurs sont mis au défi d'inventer, valider, apprendre et construire un meilleur processus d'usinage – et ils ont reçu les outils pour le faire.

« Siemens apporte une boîte à outils ouverte au processus de conception de machine », a dit Falk.

« Vous avez le contrôle Sinumerik 840D à cinq axes, un ensemble complet de moteurs, variateurs et composants. Vous avez un logiciel de simulation et une invitation ouverte à l'innovation tierce. Tout se réunit, avec le CNC Sinumerik et son homologue virtuel, le noyau VNCK, devenant le cerveau d'un processus d'usinage bien plus évolué. »

Nate Haug est ingénieur de processus chez Ingersoll. Il est l'un des nombreux ingénieurs inspirés de l'entreprise qui attestent des avantages d'utiliser un ensemble d'outils CNC et de contrôle de mouvement plus ouvert. « Siemens commence avec un langage de programmation qui nous permet de faire beaucoup plus que nous ne le pourrions en utilisant un contrôle « basé uniquement sur le G-code » », a dit Haug. « Il y a deux boîtes à outils, vraiment. L'une est le langage Siemens qui permet une gamme ouverte de fonctions et de variables. L'autre boîte à outils nous permet d'injecter des fonctions conditionnelles dans le cerveau du CN. Sans ces deux boîtes à outils, nous ne pourrions pas faire ce que nous faisons. Nous utilisons le 840D sur une machine de placement de fibres, sur une machine de placement de fibres robotisée, sur une imprimante 3D, sur une imprimante 3D robotisée, sur des machines-outils avec deux têtes, verticales, avec cinq têtes, avec pratiquement n'importe quelle configuration. »

Haug a dit qu'en plus d'apporter des améliorations parmi les machines existantes chez Ingersoll, lui et ses collègues ingénieurs utilisent leurs boîtes à outils CNC Sinumerik de Siemens pour explorer des voies vers le développement de nouvelles machines. L'une de ces voies est la recherche sur les matériaux.

« Chaque matériau a ses propres propriétés d'écoulement », a expliqué Haug. « Le contrôle Siemens nous permet de modifier des fonctionnalités dans le code pour s'adapter au matériau. La plateforme CNC nous permet d'explorer une gamme plus large de matériaux. »

Les questions sur les propriétés des matériaux explorent des variables telles que la résistance, le retrait, le gauchissement et l'utilisation de matériaux isotropes versus anisotropes. Les solutions matérielles émergent dans les domaines du prototypage rapide pour applications civiles, de défense et d'infrastructure. Le concept d'une imprimante unique en son genre émerge également, capable de soutenir des initiatives ambitieuses telles que des matières premières biosourcées utilisant de la cellulose dérivée de ressources en bois.

Auto-surveillance de la machine : Bien que les inspections visuelles manuelles soient encore courantes aujourd'hui, elles deviennent des réponses analogiques à un défi de production de plus en plus numériquement automatisé.

Ingersoll voit le jour arriver bientôt où les inspections seront routinièrement une fonction de la machine en tant que processus secondaire. Un processus d'usinage de placement de fibres surveillera le dépôt, vérifiera les défauts et assurera la précision et la fiabilité de la pièce. De même, un processus d'impression 3D hybride imprimera et usinera dos à dos avec une auto-surveillance de processus intégrée de manière transparente.

Le développement de ces processus d'auto-inspection automatisés est déjà soutenu par la plateforme CNC et de contrôle de mouvement de Siemens, qui régit le positionnement précis et le retour de position. Une machine peut détecter, tracer et signaler toute variance.

Comme Ingersoll et Siemens l'ont démontré, les avantages promis de l'Industrie 4.0 sont mis en œuvre aujourd'hui. Ayant supprimé les frontières du placement de fibres robotisé à grand format et de l'impression 3D, les attentes montent maintenant vers des améliorations révolutionnaires à travers tout le processus de production de pièces.

« C'est une pensée à plus grande échelle », a dit Jason Melcher d'Ingersoll. « Quand nous visitons un client, c'est pour explorer l'amélioration de processus. Ce n'est pas à propos d'une fiche de gamme de machines aux caractéristiques et fonctions fixes. Nous entrons dans des conversations sur des améliorations de processus sur mesure. »

Pour les ingénieurs dans l'aérospatial, le naval et d'autres secteurs progressistes, l'innovation à plus grande échelle signifie qu'ils ont maintenant une boîte à outils illimitée à partir de laquelle explorer comme jamais auparavant.