La fabrication automatisée est un domaine dans lequel les fabricants d’équipements capitalisent depuis des décennies. Les systèmes automatisés sont considérés comme les principaux moteurs de la productivité des pays industrialisés. Par exemple, les données de l’Organisation de coopération et de développement économiques (OCDE) montrent que les travailleurs de l’industrie manufacturière aux États-Unis et en Europe de l’Ouest sont deux à trois fois plus productifs que ceux de l’Europe de l’Est. L’utilisation de systèmes automatisés est peut-être le facteur le plus important.
En adoptant des processus de fabrication automatisés, les entreprises peuvent créer un cercle vertueux où la rentabilité accrue génère des revenus pour des investissements en capital supplémentaires. Les données de l’Organisation internationale des constructeurs automobiles et du Bureau of Labor Statistics montrent que les producteurs américains d’automobiles et de camionnettes légères ont fabriqué 12 799 857 unités en 2000 avec une main-d’œuvre de 1,3 million de travailleurs. Dix ans plus tard, 675 000 travailleurs ont assemblé 7 761 443 véhicules. En d’autres termes, en une décennie, le nombre de véhicules produits par travailleur a augmenté de 9,7 à 11,5, soit une augmentation de la productivité de 18 %.
L’automatisation est un sujet bien connu des grands fabricants d’équipements d’origine (OEM). Cependant, pour de nombreuses petites entreprises, il s’agit encore d’un concept nouveau. Certains fabricants peuvent avoir des raisons légitimes de rester fidèles à des processus manuels éprouvés, mais beaucoup évitent l’automatisation pour des raisons qui ne sont pas nécessairement valables, telles que :
- Les équipements automatisés sont trop compliqués.
- Nous ne sommes pas familiers avec ce domaine.
- C’est trop cher.
- Nous ne saurons pas comment l’utiliser.
- Former des personnes à son utilisation prendra trop de temps.
- Nous aurons du mal à passer d’une pièce à une autre.
Les Premiers Obstacles
La crainte que les systèmes automatisés soient trop compliqués et difficiles à maîtriser est à l’origine de la plupart de ces préoccupations.
« Ce n’est pas nécessairement le coût, mais la technologie », a déclaré Takahiko Hiyoshi, vice-président de MiiC America Inc., basée à Canton, dans le Michigan, une entreprise concevant et produisant des cintreuses de tubes et de tuyaux CNC et robotisées. « MiiC a introduit des cintreuses robotisées il y a longtemps, et il me semble que de nombreux clients ont peur d’adopter cette technologie. Ils ont peur du coût de la formation de leurs employés et du temps nécessaire pour apprendre à utiliser la machine. »
Automatisé ne signifie pas compliqué.
« EPIC met l’accent sur la simplicité », a déclaré John Schott, P.E., président d’EPIC Systems Inc., basée à St. Louis, dans le Missouri. EPIC est une entreprise de conception d’équipements, de fabrication, d’intégration de lignes de production et de processus. « De nombreux fabricants pensent qu’un système automatisé sera trop complexe et ils craignent qu’il soit trop compliqué à gérer. EPIC essaie de simplifier les choses en adaptant le projet au client. Nous avons réalisé des projets très sophistiqués pour des clients, mais tous les projets ne doivent pas forcément être compliqués. »
Eric Patty, président de Wauseon Machine & Manufacturing, basée à Wauseon, dans l’Ohio, une entreprise concevant et fabriquant des systèmes de fabrication de tubes et de tuyaux manuels et automatisés, a cité le cas d’un client qui avait besoin d’une ligne automatisée pour fabriquer deux produits. Le client ne pouvait pas prédire les volumes des pièces, mais une production stable était essentielle : aucune interruption pour la maintenance ou le changement de pièces n’était acceptable. Le client souhaitait un système sophistiqué, mais Wauseon a convaincu le client que deux machines plus simples seraient beaucoup plus fiables et flexibles que la machine unique proposée par le client. Au final, les deux machines étaient plus chères que la machine unique, mais les dépenses supplémentaires se sont révélées moins importantes que la fiabilité de la proposition plus simple et plus fiable.
Après avoir acquis de l’expérience grâce à un projet simple, un fabricant peut passer à des applications plus sophistiquées.
« Si un fabricant commence par un projet simple, tel que l’automatisation du dépôt des pièces dans un conteneur sur un transporteur, le personnel peut ensuite utiliser ses connaissances pour l’appliquer ailleurs », a déclaré Mike Bollheimer, responsable de produit pour le cintrage et la fabrication de tubes, l’hydroformage et l’automatisation de structures chez Wayne Trail Technologies, basée à Fort Loramie, dans l’Ohio, un fabricant et intégrateur d’équipements.
« Très vite, ils cherchent des opportunités pour automatiser », a ajouté Bollheimer.
Une fois que la machine est en marche, les tâches compliquées commencent à sembler gérables.
« Je me concentre sur le soudage, et j’ai vu l’automatisation utilisée sur des pièces dont le temps de cycle est d’une à deux minutes », a déclaré Michael Scott, responsable du soudage robotisé et des dispositifs de fixation chez Wayne Trail Technologies. « D’un autre côté, j’ai mis en place une cellule automatisée pour une pièce nécessitant deux heures de soudage. »
Parfois, un processus qui semble simple, comme soulever et empiler de fines feuilles de métal revêtues, peut être un défi difficile.
« Nous avons mis au point un système pour manipuler des feuilles de métal très fines, similaires à du papier d’aluminium », a expliqué Scott. « Elles arrivent dans la cellule dans des orientations aléatoires, et la pince doit les ramasser une par une, les orienter à l’aide d’un système de vision spéciale pour obtenir une rétroaction, puis les empiler automatiquement. Il faudrait probablement 100 personnes pour suivre le rythme du système que nous avons conçu. »
Qu’il s’agisse d’un processus simple ou complexe, un autre obstacle potentiel à l’adoption de l’automatisation est de comprendre comment le nouveau système s’intégrera dans les processus existants de l’entreprise. Si l’entreprise fabrique de nombreuses pièces différentes et utilise une multitude de processus, il peut être difficile de perturber le système existant pour essayer quelque chose de nouveau. C’est là que les ateliers de fabrication ont un avantage par rapport à certains autres fabricants plus importants.
« Leur production est contrôlable », a déclaré Hiyoshi en parlant des petits ateliers. « Ils peuvent vraiment visualiser l’intégration de nouvelles technologies. La plupart de nos clients de taille moyenne ne peuvent pas le faire.
« Croyez-le ou non, les petits ateliers sont enclins à se lancer », a expliqué Hiyoshi. « La technologie automatisée n’est pas une technologie très coûteuse, par rapport à d’autres équipements, et les propriétaires sont aux commandes. Ils n’ont pas de bureaucratie, le siège social n’est pas situé à 1 000 kilomètres de là, dans un autre État, ils peuvent donc prendre la décision », a déclaré Hiyoshi.
Planifier, Planifier, Planifier
Pour les fabricants qui envisagent d’automatiser un processus de fabrication, il est bon de penser comme un développeur de systèmes automatisés ou un intégrateur d’équipements.
Schott décrit les systèmes automatisés comme étant composés de trois parties distinctes : l’entrée, la logique et la sortie. Parmi les trois éléments, l’entrée est généralement la plus grande limitation pour l’automatisation des processus. Il a cité l’exemple d’un brasseur utilisant les unités internationales d’amertume (IBU) pour déterminer si son processus de brassage utilise la bonne quantité de houblon. Les caractéristiques du houblon varient d’une année à l’autre, voire d’un lot à l’autre, tout comme les caractéristiques des raisins, de sorte que la quantité de houblon doit être ajustée pour maintenir le goût constant de la bière. La détermination du niveau d’IBU nécessite un test en laboratoire qui prend quatre heures pour être réalisé. Jusqu’à ce qu’un instrument en ligne fiable puisse mesurer les IBU in situ, le contrôle automatique en temps réel ne sera pas possible. Si un tel instrument est développé à l’avenir, la logique de contrôle sera relativement simple pour automatiser le processus.
Les fabricants de produits en métal ont rarement à faire face à des mesures aussi sophistiquées que la mesure de la chimie d’un liquide, mais le concept d’entrée-logique-sortie est essentiel pour comprendre le fonctionnement d’un système automatisé dans un environnement de fabrication.
John Schwochert, président de Proto-1 Manufacturing, basée à Winneconne, dans le Wisconsin, une entreprise concevant et fabriquant des systèmes de fabrication de tubes manuels et automatisés, a une perspective différente, mais tout aussi perspicace, sur le contrôle d’un processus automatisé. Les fabricants doivent garder à l’esprit que l’automatisation implique généralement plus que simplement déplacer du matériau vers une série de machines et effectuer une série de processus ; elle nécessite de gérer toutes les variables de ces processus. Selon Schwochert, la définition des variables et la conception d’un système capable de les contrôler sont les deux étapes clés pour faire fonctionner un système automatisé.
« Chaque partie du processus doit être contrôlée », a-t-il déclaré. « Par exemple, pour gérer les variables liées à la forme d’une pièce, vous pouvez utiliser un système de vision. L’un des facteurs variables est l’éclairage. Si vous n’avez pas assez de lumière dans la zone où le système de vision contrôle la pièce, il se peut qu’il ne détecte pas suffisamment de détails. Dans un autre cas, l’un de nos clients devait détecter un reliquat. Nous avons installé une balance pour peser la pièce, qui a donné de très bons résultats lors des tests dans nos installations. Une fois qu’elle a été installée chez le client, ce dernier s’est rendu compte qu’un chariot élévateur passant à proximité perturbait la balance. »
Le nombre de variables augmente avec le nombre de pièces uniques. « Si vous avez besoin d’un système capable de gérer 10 numéros de pièces différents, vous avez plus de variables à contrôler », a déclaré Schwochert.
Les fabricants doivent prêter attention à plus que les étapes de fabrication, a ajouté Schwochert. Une variable clé est la qualité de la matière première. Si la matière première n’est pas constante, il sera difficile de concevoir un système automatisé capable de travailler avec cette matière, a-t-il déclaré.
« Les individus ont cinq sens – la vision, l’odorat, l’ouïe, le toucher et le goût – et nous les utilisons pour prendre des décisions », a déclaré Patty de Wauseon. « Un système d’inspection automatisé ne peut pas prendre de décisions complexes. C’est réussite ou échec, continuer ou arrêter. Un système automatisé ne peut pas penser. »
L’incapacité du système à prendre des décisions est la raison pour laquelle le contrôle de toutes les variables est si critique.
« Un système automatisé peut produire beaucoup de bonnes pièces de manière constante », a déclaré Schwochert. « Il peut également produire beaucoup de mauvaises pièces de manière constante si quelque chose ne va pas. »
Comment commencer
Même si le système est simple, la plupart des fabricants ont besoin d’une aide considérable pour commencer, surtout pour leur premier projet d’automatisation, ont déclaré des experts. La principale difficulté peut être de visualiser le fonctionnement d’une cellule ; dans ces cas, les logiciels peuvent fournir une simulation visuelle.
« Les outils de simulation montrent ce que l’automatisation peut faire », a déclaré Patty. « Ils montrent que nous allons faire plus que réduire la main-d’œuvre, mais maintenir ou améliorer le temps de cycle. »
Patty a souligné que l’amélioration du temps de cycle n’est pas l’objectif principal de chaque projet.
« Certains clients ont d’autres priorités », a-t-il déclaré. « Par exemple, sur certains projets, nous n’optimisons pas nécessairement le temps de cycle, mais nous offrons de la flexibilité. »
Le passage de processus manuels à des processus automatisés est une occasion de repenser la façon dont une pièce est fabriquée. C’est une chance pour les ingénieurs concepteurs de développer une toute nouvelle façon de fabriquer le composant en question, ce qui peut entraîner d’importants gains.
« Lors de l’utilisation d’une cintreuse standard, les fabricants doivent souvent couper le tube en longueur, le plier, puis le recouper à la longueur finale », a déclaré Hiyoshi. « Avec une cintreuse robotisée, ils peuvent le couper à la longueur exacte avant de le plier, ce qui élimine une étape et les déchets. »
La différence réside dans la façon dont la tête de pliage est montée. Parce que la tête de pliage d’un robot est un effecteur terminal, elle peut se déplacer autour de la zone de travail, évitant les interférences et prévenant les collisions. La tête de pliage n’est pas fixe, ce qui offre une flexibilité de fabrication considérable.
MiiC a découvert que les fabricants peuvent éliminer environ les deux tiers des coûts d’opération en réduisant la main-d’œuvre et le nombre d’étapes de production. Elle a également découvert que les robots peuvent offrir des options supplémentaires dans les séquences de processus.
« Avec les cintreuses robotisées, le formage de l’extrémité peut souvent être effectué avant, entre ou après les étapes de pliage », a déclaré Hiyoshi. « Cela offre également la flexibilité d’ajouter des composants, tels que des vannes ou des sorties, ou de former les extrémités ; de redresser le tube, puis de le plier. Cela fait une énorme différence dans l’ingénierie du processus. »
Les fabricants doivent également comprendre que l’adoption de machines automatisées nécessite une réflexion sur les processus et les capacités de l’entreprise.
« L’automatisation flexible permet d’améliorer la productivité en ouvrant de nouvelles capacités », a déclaré Bollheimer de Wayne Trail Technologies.
« Par exemple, une entreprise pense peut-être au départ qu’elle a suffisamment de soudage pour occuper un robot six heures par jour », a déclaré Scott. « Si l’entreprise fonctionne en deux équipes, ce robot est disponible pendant un total de 16 heures. Il suffit de planifier un peu et d’étudier comment utiliser ce robot les 10 autres heures par jour. »
Qui s’occupe de la programmation ?
Une entreprise de fabrication n’est pas obligée d’embaucher un programmeur à temps plein titulaire d’un diplôme approfondi d’une université renommée pour programmer une cellule automatisée. Pour son premier projet, un fabricant doit probablement compter sur le fournisseur ou l’intégrateur pour s’occuper de la programmation. À mesure que l’expérience du fabricant s’accumule, il peut faire de plus en plus de programmation par lui-même.
Aborder un processus étape par étape est utile. Même si une routine est compliquée, il suffit de la décomposer en une série de mouvements et de processus simples. La bonne personne pour ce travail peut ne pas être un programmeur expérimenté.
« L’un des meilleurs programmeurs de robots que j’ai jamais vu était un soudeur qui avait 10 ans d’expérience en soudage manuel », a déclaré Scott. « Lorsque les propriétaires d’ateliers me demandent quel personnel ils ont besoin, je suggère qu’ils choisissent une personne qui a l’esprit ouvert et qui est désireuse d’apprendre. Programmer de nos jours consiste principalement à sélectionner des icônes sur un écran tactile. Les écrans tactiles sont partout ces jours-ci, sur les iPads et les iPhones, par exemple. Ce sont des appareils courants aujourd’hui, les gens ne sont donc pas intimidés par eux.
« Vous utilisez un bouton poussoir sur un pupitre pour déplacer le bras du robot vers un endroit, vous enregistrez cette position, puis passez à la suivante », a expliqué Scott.
« Nous enseignons aux opérateurs et aux responsables de la maintenance un ensemble de compétences de base », a déclaré Patty. Cela ne nécessite pas de programmation classique – écrire ligne après ligne de commandes. « Nous apprenons aux opérateurs comment déplacer un robot et toucher un point, et cela se fait à l’aide d’une souris ou d’un clavier. »
Trouver des opportunités pour l’automatisation
Le volume des pièces et le retour sur investissement potentiel sont deux facteurs qui aident à déterminer si un projet est réalisable.
« La règle des 80/20 s’applique à l’automatisation, tout comme elle s’applique partout ailleurs », a déclaré Scott de Wayne Trail. « Pour la plupart des fabricants, nous commençons généralement par les pièces qui représentent 80 % de leurs volumes de production. Ce sont les produits que les fabricants devraient envisager d’automatiser et sur lesquels ils doivent se concentrer pour obtenir une grande flexibilité de l’équipement. »
« Nous réalisons souvent un audit d’automatisation », a déclaré Bollheimer. « Par exemple, un atelier de fabrication peut posséder 20 processus, et le propriétaire peut avoir quelques processus en tête pour l’automatisation. Nous examinons de près toutes les opérations et déterminons les processus pour lesquels l’automatisation permettra d’obtenir le plus d’économies. »
« Après avoir utilisé des simulations pour aider les fabricants à visualiser le processus tel que nous l’automatiserions, nous créons un graphique du temps de cycle », a déclaré Scott. « Le graphique compare le temps de cycle attendu du processus automatisé avec le temps de cycle actuel lorsque le processus est effectué manuellement, et cela nous aide à fixer une période raisonnable pour le retour sur investissement. »
Patty a souligné qu’il est essentiel que les fabricants comprennent que certains processus se complètent et d’autres non.
« Une ligne d’automatisation peut être efficace pour une séquence telle que le formage, le lavage, le traitement thermique, l’inspection et l’emballage », a-t-il déclaré. « Par contre, combiner la découpe et le formage sur une seule machine est généralement une mauvaise idée. Les copeaux de la découpe peuvent entrer dans l’équipement de formage et perturber le processus », a-t-il ajouté.
En plus de prendre en compte les étapes de fabrication spécifiques de chaque processus, les fabricants doivent garder à l’esprit la sécurité, l’ergonomie et l’hygiène, qui offrent de bonnes opportunités pour l’automatisation.
« Ce sont des améliorations qui créent un meilleur environnement de travail », a déclaré Patty.
Les fabricants qui pensent que des volumes importants de pièces et des productions ininterrompues à long terme sont nécessaires pour justifier les coûts de l’automatisation seront surpris, ont déclaré des sources. Pour la plupart des fabricants, les jours de production en grande quantité et de changements inférieurs sont révolus depuis longtemps. De nombreux OEM ont adopté la production juste à temps et la gestion étroite des stocks, en imposant à leurs fournisseurs de produire des lots plus petits, ce qui entraîne des cycles de production plus courts et des changements plus fréquents. L’automatisation peut jouer un rôle important dans cette situation.
« Si on peut dire quelque chose à ce sujet, les séries courtes et les changements rapides nécessitent encore plus l’automatisation que les séries longues », a déclaré Schott d’EPIC. « L’automatisation élimine les erreurs humaines, telles que la saisie incorrecte d’un numéro. »
Dans de nombreux cas, le plus grand avantage de l’automatisation réside dans la réduction du temps consacré aux processus non génératifs de valeur, a déclaré Patty. De même, c’est la clé pour que les fabricants américains puissent rivaliser avec les fabricants dans des pays à faible coût de main-d’œuvre.
Et maintenant, vous avez acheté un robot ?
Investir dans une ligne de production automatisée ou une cellule de travail robotisée représente bien plus qu’un simple investissement en capital. L’un des clients de MiiC America a découvert qu’il n’a pas simplement acheté un robot, mais une adaptabilité. Il n’utilise pas le robot pour fabriquer des pièces ; il utilise plutôt la polyvalence du robot à son avantage. Plus précisément, l’entreprise utilise le robot pour faire face aux variations des volumes de production.
Lorsque les niveaux de production sont moyens, l’entreprise utilise une cintreuse dédiée pour fabriquer un composant spécifique, tandis que la cintreuse robotisée fabrique d’autres pièces. Lorsque la demande pour ce composant atteint son maximum, le personnel de production programme la cintreuse robotisée pour fabriquer la même pièce, complétant ainsi la production de la cintreuse dédiée. Lorsque la demande revient à la normale, le robot est réaffecté à d’autres tâches.
