Les équipementiers de machines rencontrent le moment

Sep 22, 2023

L'intelligence artificielle et l'automatisation aident à moderniser l'usinage

Alors que le monde de la fabrication se transforme en dehors de l'atelier d'usinage, les choses à l'intérieur doivent également changer. Les fournisseurs de machines-outils font donc ce qu'ils peuvent pour aider les ateliers à s'adapter aux dernières exigences de production et aux considérations économiques. En plus de mettre à niveau la technologie de diverses manières, ces entreprises aident les clients à passer à l'automatisation avancée de leurs opérations d'usinage.

Certaines mises à niveau de machines-outils sont le résultat d'une forte poussée des utilisateurs. Par exemple, les constructeurs de véhicules électriques et d'autres demandent des systèmes réguliers avec des vitesses de broche et une puissance plus élevées, selon Tim Thiessen, vice-président des ventes et du marketing chez Okuma America Corp., un constructeur de machines-outils à Charlotte, Caroline du Nord. "Je dis que ce qui a été le point idéal dans la norme de l'usinage à plus grande vitesse progresse."

Alors qu'Okuma propose généralement des machines de 75 ch avec des vitesses de broche allant jusqu'à 10 000 tr/min, de nombreux clients demandent maintenant des broches de 18 000 tr/min à 100 ou 150 ch, a-t-il noté. "Ce serait une chose si nous considérions cela comme une application de niche, mais je vois que cela devient de plus en plus courant dans l'industrie."

Selon Thiessen, les clients d'Okuma veulent plus de puissance machine afin de pouvoir accélérer à des vitesses de broche élevées en quelques secondes. Et ils veulent des vitesses de broche plus élevées pour augmenter les vitesses d'avance et réduire les temps de cycle, généralement lors de l'usinage de l'aluminium ou du titane, a-t-il ajouté.

En plus de rendre les machines plus performantes, les fournisseurs essaient de les rendre plus faciles à utiliser. Une façon consiste à incorporer le contrôle conversationnel, une technologie basée sur le texte qui permet aux utilisateurs de saisir des informations de programmation en réponse à des éléments sur des menus simples qui apparaissent sur les écrans de contrôle.

Par exemple, DMG Mori USA Inc. à Hoffman Estates, Illinois, propose ce qu'elle appelle des cycles technologiques, une option de commande conversationnelle conçue pour simplifier la programmation avancée pour des opérations telles que le skiving d'engrenages. Au lieu de créer le programme nécessaire hors ligne, les cycles technologiques "permettent d'entrer des cycles de programmation complexes dans la machine-outil", a déclaré Gerald Owen, directeur général de l'ingénierie nationale chez DMG. Ils permettent également aux opérateurs de faire des ajustements aux programmes à la volée, a-t-il ajouté.

DMG est l'un des nombreux fabricants de machines offrant de telles fonctionnalités. "Combiner et simplifier ce qui était auparavant des fonctions très haut de gamme et (fournir) une interface plus simple et plus facile à celles-ci est une tendance dans l'industrie", a déclaré Owen.

D'autres fonctionnalités avancées de la machine-outil tirent parti des développements dans le domaine très discuté de l'intelligence artificielle. Par exemple, Smooth Ai Thermal Shield de Mazak Corp., Florence, Ky., est inclus avec toutes les nouvelles machines de Mazak pour compenser la distorsion thermique des composants de la machine due aux fluctuations de température causées par le fonctionnement de la machine ou l'environnement. Dans la version automatique, les capteurs collectent en continu des données de température, qui sont stockées et analysées par un logiciel qui apprend à partir des données afin qu'il puisse effectuer des ajustements dans les paramètres de processus si nécessaire pour éviter que les changements liés à la température dans la machine n'affectent la qualité des pièces.

"L'idée est de maintenir la stabilité de la machine tout au long de la journée ou du processus d'usinage", a déclaré Jared Leick, responsable du groupe de produits des centres d'usinage de Mazak. "Et le but est de s'assurer que vous obtenez toutes les bonnes pièces de la machine."

L'IA joue également un rôle clé dans le fonctionnement de la fonction de surveillance de l'état de la broche de Mazak. Le but de cette fonction est "d'empêcher une broche de se gripper ou de tomber en panne pendant que vous coupez", a déclaré Leick. "Vous ne voulez pas couper une pièce de 10 000 $ et (avoir) une broche qui se grippe ou s'arrête sur vous, vous devez donc mettre la pièce au rebut."

Développée en partenariat avec l'école d'ingénieurs de l'Université de Cincinnati, la surveillance de l'état des broches repose sur des algorithmes qui comparent les vibrations et la fréquence des roulements de broche en fonctionnement à des graphiques indiquant les valeurs de vibration et de fréquence obtenues en testant de vraies broches. L'équipe de développement a cartographié les données dérivées de bonnes broches, de broches défectueuses et de broches sur le point de s'user.

"L'idée est de surveiller votre broche en temps réel et d'envoyer un (signal) à l'opérateur en cas de problème afin d'éviter que votre broche ne tombe en panne pendant l'usinage", a déclaré Leick.

Un autre développement majeur dans l'industrie des machines-outils est l'émergence d'alternatives super polyvalentes aux machines dédiées aux opérations individuelles, que l'on pourrait appeler des machines-outils tout-en-un. Un exemple serait une machine de fraisage-tournage qui peut également gérer le meulage, le skiving d'engrenages et la métrologie avancée.

"C'est la tendance de l'industrie", a déclaré Owen chez DMG, qui fabrique de telles machines. "Au lieu de machines qui ne font qu'une seule chose, nous assistons enfin à l'évolution des machines-outils vers une plate-forme à guichet unique qui fait tout."

Les avantages de l'usinage tout-en-un incluent une meilleure précision des pièces grâce à moins de configurations, ainsi que le besoin de moins de machines différentes dans l'atelier. Si une seule plate-forme peut servir de tour, de fraiseuse à trois axes et de rectifieuse, par exemple, un atelier qui nécessite les trois technologies de machine n'a pas besoin d'une machine distincte pour chaque technologie qui occupe une surface au sol précieuse, a noté Owen. Au lieu de cela, l'atelier peut se débrouiller avec une seule machine multifonction ou il peut occuper le même espace au sol qui serait occupé par trois machines à technologie unique avec trois machines multifonctions pour étendre considérablement ses capacités.

Les machines tout-en-un d'aujourd'hui peuvent inclure plus que de multiples fonctions d'usinage. Owen a souligné qu'ils peuvent également offrir des fonctions traditionnellement exécutées par des systèmes périphériques, comme la métrologie avancée. « Les progrès réalisés au cours des cinq dernières années dans le domaine de la métrologie sur les machines-outils peuvent constituer un énorme avantage pour les clients », a-t-il déclaré. Au lieu d'acheter une machine de mesure tridimensionnelle séparée, par exemple, "vous pouvez essentiellement transformer votre machine en une MMT. Vous pouvez utiliser des caméras et des lasers pour mesurer des pièces qui vous donneront les mêmes résultats qu'une MMT".

D'autre part, Owen a noté que les capacités d'usinage d'une unité tout-en-un peuvent ne pas correspondre à celles d'une machine conçue pour une opération spécifique.

"Je dirais qu'une rectifieuse traditionnelle sera toujours un peu plus précise qu'une machine-outil", a-t-il déclaré. Il y a donc probablement un moment où une rectifieuse dédiée devrait être utilisée, a-t-il reconnu, ajoutant que cela pourrait être lorsque des précisions au niveau du micron sont requises.

Une machine-outil multifonction moderne peut également être équipée d'un système de fabrication additive métallique. Aujourd'hui, ces machines hybrides peuvent être vues principalement dans les industries aérospatiale et automobile, selon Eric Wold, directeur régional des ventes chez Mitsui Seiki USA Inc., Franklin Lakes, NJ Mais Wold pense que ces machines seront finalement plus largement adoptées, décrivant la technologie comme étant encore à ses balbutiements.

Pour illustrer à quel point les machines-outils hybrides peuvent être utiles, Wold désigne un client qui répare des turbines. Cette main ferme meule la partie endommagée d'une roue, puis soude à la main le matériau sur la roue et enfin meule à la main le nouveau matériau dans la forme appropriée.

"C'est une sorte de sale boulot et ça ne paie pas très bien, donc ils ont un roulement élevé de la main-d'œuvre", a-t-il noté.

Comme alternative à cette procédure manuelle, Mitsui Seiki propose une machine qui peut enlever la zone endommagée d'une roue avec un processus soustractif, puis la reconstruire avec un système additif qui utilise un laser pour fusionner des couches successives de poudre métallique. Lorsque le processus additif couche par couche est terminé, le nouveau matériau est usiné dans la forme finale.

"Il s'agit essentiellement d'un processus automatisé", a déclaré Wold. "Vous pouvez avoir un opérateur qui charge les pièces dans la machine, mais vous n'avez pas plusieurs personnes qui travaillent les pièces à la main."

En revanche, les capacités d'une machine-outil hybride ne sont pas bon marché. Un hybride Mitsui Seiki capable de gérer le travail de la roue coûtera sept chiffres aux acheteurs, selon Wold. Cependant, a-t-il ajouté, compte tenu du taux de roulement élevé des employés qui se produit lorsque le travail est fait manuellement, le retour sur investissement dans un hybride peut prendre moins de deux ans.

En ce qui concerne les nouvelles constructions, Thiessen d'Okuma souligne qu'une machine-outil hybride peut être un bon choix pour fabriquer une pièce en deux matériaux différents. Considérez une pièce qui est principalement en acier inoxydable mais qui comprend une caractéristique faite d'un matériau exotique comme l'Inconel.

"Est-ce que vous l'envoyez pour le faire fabriquer, ou est-ce que vous usinez (l'acier) et ensuite mettez une portion d'additif Inconel dessus?" demanda Thiessen. "Ce serait vraiment un gain de temps de pouvoir conserver cela dans une seule machine. Même s'il faut un peu de temps pour poser l'(Inconel), vous n'avez pas besoin de sortir la pièce de la machine et de la mettre sur un camion."

Ensuite, il y a le fait que les composants qui nécessitent un matériau coûteux comme l'Inconel dans un certain domaine n'ont pas besoin d'être entièrement fabriqués à partir de ce matériau. "Disons qu'il s'agit d'une pièce de 20" [508 mm] de diamètre", a déclaré Thiessen. "Si je peux faire une fonction en Inconel et que le corps (principal) de la pièce peut être en acier inoxydable ou en acier ordinaire, je me suis beaucoup épargné."

Une machine-outil hybride peut terminer le processus additif, puis usiner le matériau ajouté pour obtenir la forme et les dimensions finales. Ou si une pièce l'exige, a déclaré Thiessen, un hybride peut aller et venir entre les processus additifs et soustractifs, en ajoutant du matériau, puis en usinant le matériau ajouté plusieurs fois.

Okuma propose une option additive principalement avec son tour multitâche et ses centres d'usinage verticaux à cinq axes. Pour produire des machines-outils hybrides, l'entreprise s'est associée à Trumpf GmbH, qui fournit la technologie additive. Dans l'hybride vertical à cinq axes d'Okuma, par exemple, une tête laser Trumpf est montée à côté de la broche. "Lorsque vous souhaitez l'utiliser, une petite niche s'ouvre et la tête laser sort", a déclaré Thiessen.

La mauvaise nouvelle pour les acheteurs potentiels est que le laser double presque le prix de la machine-outil, a averti Thiessen. Par conséquent, a-t-il dit, un hybride "n'est pas quelque chose que vous achèteriez et verriez si vous pouvez lui trouver une utilisation plus tard".

En plus de faire progresser la technologie à l'intérieur de leurs machines-outils, les fournisseurs aident les clients intéressés à donner à leurs machines un coup de main technologique de l'extérieur en automatisant leurs processus. Alors que le début de la pandémie a déclenché beaucoup de discussions sur l'automatisation industrielle, elle reste un sujet brûlant dans les cercles de l'industrie même si la menace du COVID s'éloigne.

"Avec le manque de machinistes et d'ingénieurs qualifiés - et même le manque de main-d'œuvre non qualifiée - je pense que le niveau d'automatisation va continuer à croître de façon exponentielle", a prédit Wold de Mitsui Seiki.

Pour les opérations d'usinage, Wold a déclaré que cela signifie plus qu'un simple chargement et déchargement automatisé des machines. "Vous pourriez avoir un robot qui construit des assemblages d'outils, mesure des outils et les équilibre", a-t-il déclaré, ainsi qu'un robot qui construit des appareils et y place des pièces. "Ensuite, il y a l'automatisation de la façon dont vous transportez les outils, les pièces et les accessoires vers la machine-outil.

Le simple fait de transporter des outils vers et depuis la machine-outil semble être un travail assez simple, mais je pense que dans les magasins, il est difficile de trouver des personnes pour le faire. Mais un simple chariot robotique peut être programmé pour se frayer un chemin à travers l'atelier jusqu'à la bonne machine-outil."

Wold a souligné que le retour sur investissement dans ce type d'automatisation est assez rapide, mais que le coût initial peut être élevé. Il évalue le coût d'un système de base pour le chargement de palettes dans une petite machine-outil entre 50 000 $ et 75 000 $. Pour les machines plus grandes avec de très grands pools de palettes qui fabriquent des pièces coûteuses 24 heures sur 24, il a déclaré : « Je pense que vous parlez de millions de dollars » en coûts d'automatisation initiaux.

D'un autre côté, a-t-il noté, "un employé n'a pas vraiment de coût initial. Il s'agit plutôt d'un coût récurrent dans le temps. Je pense donc que le défi pour de nombreuses entreprises est de regarder le retour sur investissement (de l'automatisation) et non le coût initial".

Mitsui Seiki ne fabrique pas de systèmes d'automatisation pour ses machines. L'entreprise se concentrant sur la construction de machines-outils, "nous aimons nous associer à des entreprises spécialisées dans l'automatisation", a déclaré Wold. "Je pense que cela fonctionne mieux pour l'utilisateur final."

Un constructeur de machines-outils qui fabrique également des équipements d'automatisation est Grob Systems Inc. à Bluffton, Ohio. Derek Schroeder, directeur des ventes de machines universelles de l'entreprise, voit l'automatisation des machines-outils devenir plus flexible. Au lieu de systèmes capables de déplacer une seule taille de palette, par exemple, Schroeder a déclaré que certains fabricants d'automatisation proposent des systèmes capables de gérer plusieurs tailles de palettes, ainsi que des cellules qui gèrent à la fois les palettes et les pièces.

Un exemple d'un type d'automatisation plus flexible est le nouveau PSS-T300 de Grob. En plus de retirer et de charger automatiquement des palettes de différentes tailles, ce système de stockage de palettes à tour peut desservir deux machines différentes.

Une autre nouvelle offre d'automatisation du fournisseur est la cellule robotisée de vision GRC-V, conçue pour coupler une seule machine Grob avec un robot industriel Fanuc à six axes. Comme son nom l'indique, la cellule est équipée d'un système de vision qui lui permet de trouver et de charger différentes pièces afin de faciliter les changements de pièces fréquents.

En règle générale, une cellule robotisée est dédiée à une seule pièce pendant une longue période, a déclaré Schroeder. Cependant, avec le GRC-V équipé d'une caméra, "vous pouvez mettre un type de pièce différent chaque jour ou à chaque quart de travail et le charger de manière robotique".

Les cellules robotisées dédiées à une seule pièce peuvent également avoir des préhenseurs difficiles à régler pour s'adapter à différentes tailles de pièces. Pour passer d'une pièce de 10" [254 mm] de large à une pièce de 16" [406 mm] de large, par exemple, "quelqu'un devrait déverrouiller la pince, déplacer les doigts et réapprendre les (positions) à l'intérieur de la cellule", a déclaré Schroeder. "Ce changement prend du temps et une personne assez qualifiée."

C'est pourquoi Grob a également mis au point un système de réglage automatique des pinces. Au lieu d'apporter manuellement les modifications requises à un préhenseur, a expliqué Schroeder, un contrôleur de cellule utilisant ce système amène le préhenseur sur un support de réglage à l'intérieur de la cellule, où les doigts sont automatiquement déplacés dans les bonnes positions pour saisir une pièce de taille différente.

Une fois qu'il est opérationnel, bien sûr, un processus automatisé est plus facile pour le personnel du magasin qu'un processus manuel. Mais est-il facile d'en arriver là ?

"Je pense qu'il y a une perception que les robots sont très difficiles à gérer", a déclaré Wold. Mais les bons ingénieurs en mécanique qui programment des machines CNC dans les ateliers ne trouveront pas que ce soit le cas, a-t-il insisté. "Une fois qu'ils se seront familiarisés avec un robot, ils vous diront que c'est beaucoup plus facile que de programmer une CNC avec une FAO."

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