Automatisation intelligente pour le tournage petits lots/grande variété : efficacité et flexibilité

Le besoin d'automatisation

L'automatisation pour applications de tournage existe depuis des décennies : chargeurs de barres, portiques de chargement, robots chargeurs sont des équipements standards. Tous sont efficaces en production moyenne à grande série. Mais les pressions du marché poussent les fabricants de CNC vers des lots plus petits, gérant une gamme plus large de formes et tailles de pièces. Cette évolution apporte de nouveaux défis :

• Comment les petites tailles de lots affectent-elles le choix optimal d'automatisation pour le tournage ?
• Quel type d'automatisation convient le mieux pour traiter une gamme de tailles et formes de pièces ?
• Quelles sont les bonnes pratiques pour optimiser l'investissement équipement ?

Reculons un instant pour examiner le but fondamental de l'automatisation en atelier. Augmente-t-elle l'utilisation des équipements ? La capacité de production ? Réduit-elle les coûts de fabrication ? La main-d'œuvre ? La plupart des directeurs d'atelier diraient que la vraie raison — le moteur n°1 de l'automatisation — est le manque de main-d'œuvre fiable et qualifiée. Sans main-d'œuvre pour faire tourner l'entreprise, elle rétrécira ou disparaîtra. Réduire les besoins en main-d'œuvre doit être au cœur de tout projet d'automatisation, surtout en grande variété/petits lots.

Pourtant, beaucoup de directeurs hésitent à investir dans de l'équipement réduisant la main-d'œuvre. Cette réticence vient probablement de la tendance à sous-estimer le coût de la main-d'œuvre et surestimer celui de l'équipement. Un tour CNC à 250 000 $ peut sembler bien plus cher qu'un opérateur à 15 $/h. Mais en ajoutant avantages, taxes et formation, le coût net de l'opérateur est d'environ 21 $/h. Si la main-d'œuvre n'est pas disponible pour développer l'activité, sa valeur est bien plus élevée. En amortissant le tour sur 15 ans avec financement, maintenance, électricité et loyer, le tour coûte environ 3 $/h à posséder 24h/24, 7j/7, 365j/an. Les investissements réduisant la main-d'œuvre ont un coût initial élevé, mais offrent généralement un excellent taux de retour.

Grande variété, petits volumes

Grande variété signifie de nombreux types de pièces : barres, arbres, palets, lingots, pièces moulées et forgées avec de nombreux types de caractéristiques. Petits volumes signifie petites quantités par lot. Mais la définition de « petit » dépend de qui la donne. Au lieu de se focaliser sur le nombre de pièces, il vaut mieux considérer le temps d'exécution du lot, ou le pourcentage du temps de lot consacré au réglage. Si le temps de réglage dépasse 10 % du temps d'exécution du lot, on est en fabrication petits volumes.

Ces définitions comptent car la grande variété nécessite des équipements flexibles, tandis que les petits volumes exigent des temps de réglage courts. Quand la fabrication est à la fois grande variété et petits volumes, le choix d'équipement optimal est délicat. Les ateliers doivent voir le tableau global et peser soigneusement coût et disponibilité de la main-d'œuvre versus coût de l'équipement. Cela les aidera à faire de meilleurs choix pour les types de tours et d'automatisation adaptés à leur installation.

Options de tours pour grande variété/petits volumes

Sous-estimer le besoin de réduire la main-d'œuvre est la plus grosse erreur lors du choix d'un tour pour cette configuration. On écarte souvent les capacités de fraisage au profit d'une opération sur un centre de fraisage existant. Le coût supplémentaire pour la contre-broche, le changement rapide d'outils ou de mandrins peut faire passer ces options pour des luxes superflus. Mais les directeurs regrettent rarement d'avoir acheté des options coûteuses qui réduisent la main-d'œuvre. Les options machine réduisant le travail opérateur auront presque toujours un ROI élevé. Mâchoires de mandrin à changement rapide, pinces à changement rapide, outillage à changement rapide devraient équiper tout tour faisant de la grande variété/petits volumes. Les options offrant la flexibilité d'usiner des pièces en une seule machine (« one-and-done ») auront aussi un excellent ROI.

La contre-broche : un « must-have »

Presque toutes les pièces tournées nécessitent deux opérations. En automatisant les tours, la contre-broche est une option particulièrement bénéfique, dont la valeur est souvent négligée ou mal comprise. Même si le tour ne fait que du travail sur barre et que la contre-broche ne sert qu'à enlever le bout de tronçonnage, elle se rentabilisera sur la durée de vie de la machine versus un opérateur rechargeant les pièces ou meulant le bout à la main.

L'automatisation d'une application de rechargement (chucking) est là où la contre-broche rapporte vraiment. Sans elle, un robot ou portique typique ne peut compléter qu'une opération à la fois. Après la première opération, l'opérateur doit régler les mâchoires pour la seconde, retourner les pièces et les recharger dans l'alimentation.

Pour décider d'ajouter une contre-broche, ces questions sont à considérer :

• Toutes les pièces à faire seront-elles posées dans l'alimentation face finie vers le bas ?
• Les pièces nécessitent-elles un repérage angulaire (clocking) de la première à la seconde opération, et l'alimentation peut-elle le maintenir fiablement ?

Si la réponse à l'une de ces questions est non, sans contre-broche la seconde opération devra être chargée manuellement, augmentant la main-d'œuvre et le coût de fabrication.

Chargeur de barres, portique ou robot ?

Généralement, le type de travail prévu dicte le type d'automatisation. Grande variété = flexibilité nécessaire pour différentes tailles et formes. Petits volumes = temps de réglage courts pour petits lots. Malheureusement, il n'y a pas de décision d'automatisation claire pour grande variété/petits volumes. Le meilleur choix sera généralement dicté par la gamme de variété que l'automatisation doit supporter.

Chargeurs de barres : choix d'automatisation le plus populaire pour les tours. Simples, fiables, abordables. Limitation principale : taille de pièce, diamètre max ~120 mm (4,75 po). Pour grande variété/petits volumes, les chargeurs de barres de type magasin, à entraînement servo, à chargement court offriront généralement la plus large gamme de diamètres avec les temps de réglage les plus courts. Pour du travail dans les limites du chargeur de barres, c'est un choix difficile à battre.

Portiques de chargement : technologie éprouvée, souvent disponible directement du constructeur de tour comme solution intégrée, moins de soucis d'interface. Fonctionne comme un robot chargeur : prend une pièce de l'alimentation, la charge dans le mandrin du tour, la reprend en fin d'opération, la place dans la sortie. Généralement configuré avec double pince pour efficacité : le robot décharge la pièce finie tout en tenant la suivante. Peuvent généralement être configurés pour arbres ou pièces rechargées. Temps de réglage courts entre pièces similaires, mais longs pour passer d'un arbre 50x380 mm à un palet de 150 mm. Autre limite : ne peuvent pas gérer certaines tailles/formes. Utilisent souvent un chargeur à empilage pour palets nécessitant empilement matière brute et pièces finies.

Robots chargeurs : il y a quelques années, seulement disponibles en systèmes entièrement custom, coûteux, ciblés gros volumes, mal adaptés à la grande variété/petits volumes. Aujourd'hui, de nouveaux développements technologiques rendent les robots chargeurs attractifs pour cette configuration.

Chargeur Cobot

Les robots collaboratifs (cobots) sont populaires car sans mesures de sécurité spéciales, portables, et relativement faciles à programmer. Mais déballer un cobot et l'ajouter à une machine productive grande variété/petits volumes peut être intimidant. Adapter pinces, concevoir/construire alimentation entrée/sortie, ouvre-portes, interface CNC ne sont pas des tâches triviales. En théorie, un chargeur cobot peut traiter une gamme de formes/tailles ; son efficacité dépend de la conception de l'alimentation, de la sortie et de la pince. Les temps de réglage dépendent de ces mêmes facteurs, mais seront probablement significativement plus longs sur un système « maison » qu'un produit d'automatisation « clé en main ».

Chargeur Robot-in-a-Box (RIB)

Le Robot-in-a-box (RIB) est une nouvelle catégorie d'automatisation qui gagne rapidement du terrain. Un RIB combine un robot industriel avec système de sécurité intégré, pinces, alimentation entrée/sortie flexible et interface standard vers CNC populaires. Les RIB sont généralement préprogrammés avec une interface utilisateur simple qu'un opérateur apprend en quelques heures. Un RIB a typiquement un système entrée/sortie plus flexible qu'un portique. Souvent portables, permettant d'adapter l'automatisation à la meilleure machine pour le travail. Plusieurs fournisseurs de RIB ont fait du temps de réglage court et de l'alimentation flexible une priorité d'ingénierie. De ce fait, les RIB auront généralement un avantage sur les portiques en environnement grande variété/petits volumes.

RIB avec MultiGrip

MultiGrip est une nouvelle technologie de serrage conçue spécifiquement pour l'automatisation grande variété/petits volumes. Disponible sur le VBX-160, un RIB de VersaBuilt Robotics. Initialement développé pour centres d'usinage verticaux, ce serrage a trouvé son chemin dans les applications de tour avec des capacités uniques sur les pinces robot traditionnelles. Problème des pinces à trois mors traditionnelles : pas toujours adaptées à une variété de formes. Elles font bien les palets ronds, mais peuvent ne pas convenir pour longs arbres ou pièces sans surface ronde à serrer.

La pince robot MultiGrip ne prend pas les pièces comme une pince traditionnelle. Elle prend des mors MultiGrip usinables et utilise ces mors pour prendre les pièces. Les mors peuvent être facilement usinés pour s'adapter à une variété de formes : arbres, palets, quasi-infinité de formes géométriques. Le robot charge alors la pièce dans un collet ou mâchoires de mandrin existant comme un chargeur robot traditionnel. Ce système est essentiellement un changeur d'outil automatique pour le robot, réduisant les temps de réglage.

Optionnellement, le tour peut être configuré avec des mâchoires de mandrin intermédiaires MultiGrip. Dans cette configuration, le VBX-160 charge les mors et la pièce directement dans le mandrin du tour pour usinage. MultiGrip agit alors comme changeur d'outil automatique pour le robot ET changeur de mâchoires automatique pour le tour. Le VBX-160 élimine une autre étape de réglage et permet au système de traiter plusieurs numéros de pièce en un seul chargement. Pour grande variété/petits volumes, le système peut être chargé en fin de quart avec jusqu'à quatre numéros de pièce différents et traitera automatiquement les pièces, y compris la sélection des bons programmes sur le CNC, pour que les opérateurs trouvent un lot de pièces finies le matin.

Un VBX-160 avec MultiGrip peut traiter des arbres jusqu'à 150 mm de diamètre et 380 mm de long, et des palets jusqu'à 250 mm de diamètre et 150 mm de haut.

Conclusion

Le paysage de l'usinage CNC évolue. Les clients demandent des pièces plus complexes, avec délais courts et petits lots. Simultanément, la main-d'œuvre pour régler et faire tourner les machines CNC se fait plus rare. Faire les bons investissements en outillage, serrage et automatisation permet aux ateliers de mieux répondre aux besoins clients, réduire la dépendance à la main-d'œuvre rare, et augmenter croissance et rentabilité.