Man & Machine
Success stories20.02.2018

Usinage de moules robotisé chez Audi

Un pas de géant vers l'Industrie 4.0

En résumé

En 2016, Audi a remplacé les perceuses radiales manuelles par un système robotisé innovant intégré au processus de production. Un pas de géant vers l’Industrie 4.0 en matière de fabrication de moules. Après un examen exhaustif de toutes les options d’usinage imaginables, Audi a en effet opté pour une solution inédite impliquant l’utilisation d’un robot industriel Stäubli TX200 pour percer des trous profonds et, à un stade ultérieur du projet, pour assurer un alésage et un filetage de précision dans les moules. Précision et rigidité ont été immédiatement enregistrées. Pour Audi, le centre d’usinage robotisé répond à toutes ses attentes concernant le perçage des orifices de ventilation. Cette bonne expérience encourage vraiment l’industriel à intégrer d’autres processus d’usinage dans un proche avenir.

Au cœur du centre de compétences de pointe d’Audi dédié aux équipements d’usine et à la technologie d’emboutissage, absolument tous les processus sont numériques et interconnectés. Ainsi, pour la fabrication de moules, un centre d’usinage robotisé remplace désormais quatre perceuses radiales. Un projet complexe qui présente des avantages décisifs.

En 2015, lorsque Audi a de nouveau remporté le prix d’Outilleur de l’année, le jury ne tarissait pas d’éloges sur le développement exceptionnel et la réalisation partielle d’une chaîne de processus numérisés en continu. L’année suivante, le géant de l’automobile d’Ingolstadt a fait un nouveau pas de géant vers l’Industrie 4.0 dans la fabrication de moules. En 2016, Audi a en effet remplacé les perceuses radiales manuelles par un système robotisé innovant intégré au processus de production.

Gereon Heidrich, responsable de la technologie des machines au centre de compétences, explique : « Jusqu’à présent, nous utilisions des perceuses radiales pour percer les orifices de ventilation dans nos moules. Ce processus, qui ne pouvait pas être automatisé avec les machines existantes, était fastidieux et s’accompagnait de coûts de main-d’œuvre élevés. Il était en outre contraire au concept d’Industrie 4.0 exigeant l’intégration numérique de toutes les étapes du processus. »

Après un examen exhaustif de toutes les options d’usinage imaginables, Audi a opté pour une solution inédite impliquant l’utilisation d’un robot industriel pour percer des trous profonds et, à un stade ultérieur du projet, pour assurer un alésage et un filetage de précision dans les moules.

Les représentants d’Audi n’ont pas hésité à mettre en œuvre ce projet de pointe. Juliane Kollecker, chef de projets dans le département New Business Areas for Automation Technology au centre de compétences : « Depuis 2011, la solution robotique développée en interne pour l’usinage des orifices de ventilation dans les moules en fonte grise se révélait probante. Cela nous a convaincu de la faisabilité de notre projet. »

Mais les équipementiers qui avaient été consultés n’étaient pas de cet avis. Pour eux, les exigences étaient trop strictes pour l’usinage robotisé, avec bien trop de zones d’ombre. Audi a finalement trouvé un équipementier expérimenté (robot-machining GmbH) à Seligenstadt qui a bien voulu mener l’étude exploratoire, puis la réalisation. Cette entreprise est spécialisée dans le développement, la conception et la production de centres d’usinage robotisés clés en main. En étroite collaboration avec le centre de compétences, elle a développé un concept alliant technologie des processus, mécanisme de serrage et technologie d’usinage. Sa proposition a obtenu l’aval de la direction d’Audi, et la vision s’est concrétisée. L’usine est entièrement intégrée dans la production depuis le quatrième trimestre 2016.

Une usine innovante s'appuyant sur le savoir-faire

Une visite d’inspection sur site à Ingolstadt permet de prendre la mesure du savoir-faire mobilisé pour réaliser le centre d’usinage robotisé. Ce centre de 8 m de long et de 7 m de large peut usiner des moules en acier ou en fonte grise. Les dimensions maximales des moules sont de 4 500 x 2 500 x 1 000 mm et ils peuvent peser jusqu’à 20 000 kg. Une solution fluide a été trouvée pour manœuvrer les moules de plusieurs tonnes dans la cellule. Ils entrent et sortent par la trappe de l’enceinte de sécurité qui peut être ouverte d’une simple pression sur un bouton.

Le contrôle de toutes les activités au sein de la cellule est assuré par un robot haute précision Stäubli équipé d’une broche d’usinage de 37 kW et fonctionnant à un régime maximum de 16 000 tr/min. Le robot TX200 forte charge 6 axes présente une charge nominale de 100 kg et un rayon d’action de 2 194 mm. Bien que ces statistiques soient impressionnantes, elles restent insuffisantes pour accéder à toutes les positions d’usinage. C’est pourquoi le robot a été monté sur un rail.

Bernd Luckas, ingénieur commercial chez robot-machining GmbH, explique pourquoi le choix s’est porté sur ce robot : « Avec le robot Stäubli TX200, nous avons pu atteindre le niveau de précision requis dès la phase de test. Nous avons aussi délibérément mis de côté le TX200L avec son bras pour retenir le TX200, car il est encore plus précis et plus rigide, offrant une répétabilité de ±0,06 mm. C’est pourquoi nous avons opté pour un rayon plus court. » Une contrainte qui impose un réalignement des moules de très grande taille, car le robot ne peut pas atteindre toutes les positions d’usinage, malgré le rail.

Lorsqu’un moule est réaligné, il requiert souvent un redimensionnement qui prolonge les temps de cycle. Cela pourrait bientôt appartenir au passé. Il est déjà prévu d’installer dans l’usine un deuxième robot Stäubli TX200 au sein du centre d’usinage robotisé. Le robot « 2 » fonctionnera de l’autre côté du robot « 1 » et sera monté sur un rail. Autrement dit, chaque outil pourra être entièrement usiné lors d’un unique serrage, ce qui réduira considérablement les temps de cycle. D’après Gereon Heidrich, la décision quant à savoir si et quand le deuxième robot entrera en service est une question de chiffres : « Nous étudions ici les aspects économiques, qui dépendent du volume d’activité de notre centre d’usinage robotisé. »

Stäubli TX200 robots with spindle at Audi
Le Stäubli TX200 perce un orifice pilote pour une précision maximale. Le modèle six axes impressionne par sa capacité à percer des trous profonds grâce à une rigidité et à une commande des mouvements exceptionnelles.

L'usine innovante dans la pratique

Il convient d’effectuer un étalonnage précis du moule avant que le robot ne perce son premier trou profond. À cette fin, le robot TX200 utilise une sonde 3D depuis le magasin d’outils et mesure la position exacte du moule. Au terme de la réconciliation hors ligne et une fois les positions de perçage calculées, l’opérateur réalise une dernière simulation de toutes les étapes du processus avant que le perçage ne commence réellement.

Chaque moitié du moule requiert entre 70 et 80 évents. Le perçage des orifices de ventilation s’effectue en trois étapes : une première appelée « mirroring », une deuxième avec le perçage d’un trou pilote de 30 mm de profondeur et la dernière où l’orifice cible d’un diamètre compris entre 4 et 8 mm est percé. La particularité est que le robot contrôle la progression linéaire du foret.

Un système de chargement automatique des outils permet au robot de s’équiper de façon autonome auprès du magasin avec tous les outils dont il a besoin. Le TX200 peut même remplacer le foret par un autre effecteur au niveau d’une station de changement. Cette solution garantit une automatisation et une flexibilité maximales.

« Le robot perce des évents pouvant atteindre 120 mm de profondeur. Cela requiert une rigidité et une commande des mouvements exceptionnelles que seul le robot Stäubli est en mesure d'apporter avec sa technologie de transmission propriétaire. »

Juliane Kollecker, chef de projets dans le département New Business Areas for Automation Technology

Une chaîne de processus numérisés en continu

Autre atout de taille : les positions des orifices de ventilation sont prédéfinies lors de la phase de conception du moule dans le système de CAO et peuvent être transférées vers le système de programmation en ligne du centre d’usinage robotisé sans effort supplémentaire. La mise en réseau numérique est un facteur clé dans la réduction des temps de passage, comme l’explique Lisa Dilg, chef de projets en charge des technologies d’usinage : « Auparavant, nous devions définir les positions des orifices de ventilation sur site et les percer à l’aide d’outils manuels. Cette étape n’est plus d’actualité avec le processus numérisé, ce qui nous permet de réduire les temps de cycle d’environ 60 %. »

Gereon Heidrich est tout aussi enthousiaste au sujet de cette innovation : « Le centre d’usinage robotisé répond à toutes nos attentes concernant le perçage des évents. Cette bonne expérience nous encourage vraiment à intégrer d’autres processus d’usinage dans un proche avenir. »

Une fois ces processus intégrés, les lacunes actuelles dans la mise en réseau numérique de toutes les étapes du processus seront comblées en grande partie. Pour le centre de compétences, l’objectif suprême est plus que jamais à portée de main : simuler la totalité de la chaîne de processus. Les systèmes en réseau devraient à l’avenir faciliter le réglage fin et modulable de la capacité dans l’optique d’optimiser la production.

Stäubli TX200 robots at AudiStäubli spindles at Audi

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