Surmonter les obstacles à l'usinage de précision en mode « lights-out »

Qu'est-ce que l'usinage « lights-out » — et quelle est sa faisabilité réelle ?

L'usinage « lights-out » est une méthode d'automatisation de la fabrication visant à minimiser, voire éliminer, l'intervention humaine. L'idée de remplacer les humains par un gadget ou un processus qui ferait le même travail plus vite, mieux ou moins cher n'est pas nouvelle.

Ces dernières années, l'attrait pour la robotique et l'automatisation n'a cessé de croître, y compris dans le domaine de l'usinage de précision. La production entièrement automatisée en « lights-out » — avec son potentiel d'augmentation de la productivité, de débit accru, d'économies d'énergie et de réduction des coûts de main-d'œuvre — est probablement le rêve de tout propriétaire d'atelier d'usinage.

Mais la réalité est un défi, surtout dans le monde de l'usinage de précision. Même avec des opérations qui prétendent offrir une production entièrement automatisée en « lights-out », c'est un peu une illusion de dire qu'un service d'usinage de précision « tourne tout seul » jour et nuit.

Critères pour un usinage « lights-out » viable

Toute opération de fabrication en « lights-out » — qu'il s'agisse d'usinage CNC de précision ou d'une autre méthode de production — doit avoir certains fondamentaux en place pour réussir :

• Tous les équipements, y compris les outils, périphériques et programmation, doivent fonctionner ensemble sans faille. Le matériel doit pouvoir supporter un fonctionnement continu, idéalement avec capacité d'auto-surveillance et de correction automatique ou d'arrêt en cas de problème.
• Il en va de même pour les mécanismes d'alimentation en matière, de distribution du fluide de coupe, d'évacuation des copeaux et de déchargement des pièces finies.
• Et contrairement au rêve « sans humains », la surveillance à distance par une personne — avec la capacité de corriger les problèmes mineurs ou d'arrêter le système en cas de problème majeur — est un atout supplémentaire.

Peut-être le plus important : déterminer si une machine est capable d'un fonctionnement continu en « lights-out » exige de vérifier si elle offre le plus haut niveau de fiabilité. L'objectif est un Cpk ≥ 1,67 — soit la capacité pour 99,9999 % des pièces de répondre aux exigences.

C'est (littéralement) un taux de défaillance admissible d'une seule pièce sur un million.

Et même si une machine peut gérer le « lights-out », le critère généralement admis est que ce n'est une solution viable que si elle offre un retour sur investissement en deux ans.

Où l'opération « lights-out » est-elle utilisée aujourd'hui ?

Il existe de nombreuses applications où la robotique est un atout, même si seule une partie du processus de fabrication est automatisée. De la brasserie à l'emballage, en passant par les hubs FedEx, les entrepôts Amazon et la gestion des bagages aéroportuaires, l'automatisation joue un rôle important dans deux circonstances :

• Partout où elle offre une fiabilité d'une pièce sur un million

OU

• Lorsqu'il existe une capacité d'auto-correction du processus de manière rentable

Quelques exemples courants

Les opérations d'emballage automatisées utilisent un tri go/no-go intégré pour garantir la qualité pendant le fonctionnement « lights-out ». Par exemple, une caméra peut vérifier que le produit sortant de la ligne est conforme, et la machine peut écarter les pièces défectueuses ou s'arrêter si un problème survient.

Le soudage par points robotisé est largement utilisé pour le fonctionnement continu dans l'industrie automobile. (Vous pouvez en lire plus sur le soudage par points par résistance sur notre site.) C'est probablement l'image qui vient le plus à l'esprit quand on imagine des robots sur une chaîne de production.

Cependant, contrairement à la fabrication d'une boîte en carton, ce type d'opération nécessite un niveau différent de contrôle qualité. Après tout, on ne peut pas simplement écarter une voiture entière parce qu'une soudure est défectueuse. Comment vérifier qu'une électrode n'a pas lâché quelque part sur une ligne d'assemblage très longue et complexe ?

Applications privilégiées pour l'automatisation

Au Japon, FANUC Corporation exploite ce qui est largement considéré comme l'aboutissement de la fabrication automatisée en « lights-out ». Elle fait fonctionner des robots 24×7 dans un complexe géant de 22 usines pour produire d'autres robots pour des clients comme Tesla Motors et Apple. Selon Gary Zywiol, vice-président de FANUC Robotics America : « Non seulement c'est « lights-out », mais on coupe aussi la climatisation et le chauffage. »

L'automatisation est également utilisée dans toutes sortes de processus hostiles aux êtres humains. Cela inclut les étapes de fabrication présentant des problèmes de qualité ou de sécurité, ainsi que celles où un humain ne peut pas travailler au rythme rapide d'une machine, comme le soudage par points automobile décrit ci-dessus.

Ainsi, lorsque l'environnement de travail ou la tâche implique des températures élevées, des vitesses élevées ou des substances toxiques, la robotique offre un avantage considérable.

Défis du « lights-out » en usinage CNC de précision

Tout cela est très intriguant. Mais si nous ne sommes pas opposés à l'usinage « lights-out », nous restons appropriément sceptiques quant à sa viabilité dans l'atelier d'usinage de précision, où l'automatisation continue sans surveillance reste un défi.

Matériaux utilisés

Par exemple, dans notre domaine, la capacité à faire de l'usinage « lights-out » dépend non seulement de la géométrie de la pièce, mais aussi du matériau utilisé. En général, un matériau plus tendre — qui n'use pas l'outil aussi vite qu'un matériau dur ou ne crée pas beaucoup de copeaux filandreux s'enroulant autour de l'outil — est un meilleur candidat pour les tâches « lights-out ».

Cela signifie qu'avec un matériau tendre approprié, vous pouvez programmer votre machine à 17 h pour qu'elle tourne toute la nuit, et le matin, vous retrouverez un panier plein de pièces dans les tolérances, sans aucun outil cassé ou usé.

En revanche, un matériau dur comme l'acier inoxydable n'est recommandé par personne pour l'usinage CNC de précision en « lights-out ». Car un tel matériau dur et tenace peut user ou casser rapidement les outils. Ou vous arriverez le matin à de nombreuses pièces hors spécifications, gaspillant la matière chargée dans la machine et perturbant votre planning de livraison.

Tolérances requises

Les tolérances sont une autre considération importante. Si vous avez une tolérance de ±0,005" (0,127 mm) et un matériau fiable, l'usinage de précision « lights-out » n'est pas un problème. Mais si vous avez une tolérance de ±0,0005" (0,0127 mm) ou moins, vous cherchez des ennuis.

Car selon le matériau, le processus va user l'outil. Si vous maintenez un diamètre extérieur (DE) de 0,0002" (0,00508 mm) et lancez le processus sans surveillance, le matin vos pièces seront très probablement hors spécifications à cause de l'usure de l'outil.

Matériaux : ce qu'il faut faire et ne pas faire en « lights-out »

Certains matériaux sont naturellement plus appropriés pour l'usinage CNC de précision en « lights-out ». Par exemple, le laiton, l'alliage d'aluminium 6061, et certains plastiques qui ne tendent pas à produire de longs copeaux filandreux s'enroulant autour de l'outil, peuvent être utilisés.

Même l'acier inoxydable 303 pourrait être tenté pour l'usinage « lights-out ». Mais il faudrait d'abord programmer l'équipement pour qu'il tourne quelques heures afin de tester le maintien de la tolérance et vérifier l'usure de l'outil.

Certains matériaux sont absolument inappropriés pour la production « lights-out ». C'est le cas du chouchou de l'industrie des dispositifs médicaux, l'acier inoxydable 304, qui est difficile à usiner, produit des copeaux filandreux et génère des bavures. De même, les nuances 316, 17-4 et la plupart des autres aciers inoxydables sont difficiles à usiner et peuvent endommager vos outils.

Les superalliages ne peuvent pas être usinés en « lights-out », et le titane ne devrait JAMAIS être laissé sans surveillance. (Nous avons vu des vidéos d'une machine prenant feu à cause d'étincelles produites par des pièces en titane — c'était plutôt spectaculaire mais définitivement déconseillé !)

Autres obstacles dans le noir

Pour l'usinage de précision de milliers de pièces, le parc de tours CNC suisses à la pointe de Metal Cutting pourrait supporter la production « lights-out », dans la mesure où nous pouvons charger le barreur et programmer la machine pour qu'elle tourne automatiquement. Selon le diamètre, nous pouvons charger jusqu'à douze barres de 0,630" (16 mm) de diamètre ; avec les plus petits diamètres standards de 0,090" (2,25 mm), nous pouvons en charger encore plus.

Surveillance requise

Cependant, la nature de l'usinage CNC de précision fait que pendant un quart de travail normal de huit heures, vous avez encore besoin de quelqu'un sur place pour surveiller le chargement et s'assurer que tout fonctionne correctement. Donc, même dans les ateliers d'usinage de précision qui disent tourner en « lights-out », vous pouvez être presque sûr que quelqu'un est là pour s'assurer que rien ne va mal.

Problèmes de chargement des barres

L'usinage de précision pose aussi des défis pour le chargement automatique des barres. Premièrement, vous devez toujours considérer la tolérance de diamètre sur la matière que vous allez usiner. De plus, avoir un barreur ne signifie pas qu'il chargera correctement la matière, et il y a une courbe d'apprentissage sur pratiquement chaque projet.

Par exemple, quand vous travaillez avec des pièces de plus petit diamètre, si la machine n'est pas parfaitement réglée, elle peut essayer de charger deux barres à la fois, avec des résultats très mauvais.

Garder l'outil propre

Une autre exigence est que le processus « lights-out » doit inclure de l'air à haute pression ou une autre méthode de haute qualité pour garder la zone de travail exempte de copeaux afin qu'ils ne recoupent pas et n'émoussent pas l'outil. Vous devez aussi penser à comment décharger les pièces finies, en tenant compte de leur délicatesse, pour garantir qu'elles ne soient pas endommagées après usinage.

Fiabilité du « lights-out » en usinage de précision

Ne nous méprenons pas — nous ne disons pas que la production « lights-out » est impossible en usinage CNC de précision. Mais elle nécessite de réunir et d'obtenir l'avis de toutes les parties prenantes et fournisseurs dès la phase de planification, pour s'assurer d'avoir :

• Le matériau parfait
• Le dimensionnement et la géométrie de pièce appropriés
• Un Cpk ≥ 1,67 sur l'équipement
• Des tolérances pas si serrées que la fiabilité de processus à 99,9999 % ne soit pas faisable

Même l'usinage le plus précis aurait du mal à garantir une fiabilité d'une pièce sur un million sur l'outil, le barreur, la distribution du fluide de coupe et les tolérances serrées. Mais si toutes ces conditions SONT réunies, la production « lights-out » peut être envisagée.

Par exemple, chez Metal Cutting, nous pourrions tester quelle machine, quel outil et quel matériau atteindront les résultats spécifiés en processus « lights-out ». Ou nous pourrions tester un processus « semi-lights-out », où nous programmons une machine pour produire des pièces supplémentaires, non pas en fonctionnement continu toute la nuit, mais en demi-quart supplémentaire après les heures normales.

La question du ROI en usinage de précision

Pour les fabricants qui produisent le même produit encore et encore, réaliser un retour sur investissement dans le délai de deux ans de référence pour la production « lights-out » est faisable. Cependant, l'usinage CNC de précision consiste largely à fabriquer de nombreuses pièces différentes à plus court terme.

Cela signifie que pour de nombreux ateliers d'usinage de précision, il n'y a tout simplement pas le temps de tester si leurs opérations peuvent tourner en « lights-out ». De plus, deux ans, c'est long à attendre pour voir un ROI, ce qui rend l'usinage « lights-out » prohibitif en termes de coûts…

Chez Metal Cutting, chaque jour nous cotons typiquement de nouveaux projets d'atelier nécessitant de 200 à 20 000 pièces. Bien que nous ayons des travaux qui s'étalent sur des années, nous n'avons pas souvent de projets qui tournent continuellement pendant deux ans. Il est donc rare que toutes les planètes s'alignent et que nous ayons le temps d'explorer les options pour la production « lights-out ».

En fin de compte, l'usinage à tolérances serrées a trop de variables pour garantir une fiabilité d'une pièce sur un million, il n'est donc pas encore adapté à la production « lights-out » complète. Néanmoins, quels que soient les défis de votre projet, la technologie d'automatisation jouera sûrement un rôle croissant dans la production de petites pièces.

En attendant, pour des conseils sur la création des meilleures spécifications pour vos petites pièces, téléchargez notre guide gratuit, Comment affiner votre demande de devis à votre avantage maximal : Questions fréquentes dans l'approvisionnement de petites pièces.