État actuel de la découpe : découpe laser à la pointe de la technologie

Sep 01, 2023

J&J Company, fabricant de métaux du Tennessee, Cupples, adopte une approche inhabituelle du flux de travail avec ses 19 machines de découpe laser. Considérant que l'opération a une livraison à temps presque parfaite, l'approche fonctionne. Getty Images

Note de l'éditeur: Ceci est la deuxième partie de notre série en quatre parties sur l'état actuel de Cutting pour commémorer notre 50e anniversaire. Consultez la partie I, la partie III et la partie IV.

Lorsque les recrues commencent dans le département de découpe laser de Cupples' J&J Company Inc., elles se retrouvent généralement à décharger des pièces découpées d'un nid, juste après qu'elles sortent du laser. C'est un point de départ commun pour beaucoup de ceux qui commencent leur vie professionnelle dans un atelier de fabrication de métaux typique, en particulier les petits - peut-être une douzaine d'employés, moins de 5 millions de dollars de revenus annuels - sans les systèmes de découpage automatisés plus courants dans les grandes opérations.

Le fait est que J&J de Cupples n'est pas petit. En fait, selon les normes de fabrication sur mesure, c'est l'une des plus grandes opérations du pays, avec 340 employés et un chiffre d'affaires annuel dépassant 63 millions de dollars. Entre une usine à Jackson et une autre à Dyersburg, dans le Tennessee, elle compte 19 machines de découpe laser, dont quelques-unes des plus puissantes de ce côté-ci de l'Atlantique. Il dispose de plus de 35 presses plieuses, de capacités d'usinage complètes, d'une grande opération de soudage (à la fois manuelle et 25 cellules robotisées), les travaux. Pourtant, vous ne verrez pas de tour automatisée alimentant les feuilles ou stockant les pièces coupées n'importe où. L'atelier dispose d'un laser avec chargement/déchargement automatisé, mais c'est pour une manipulation sans rayures, pas pour un débit accru.

"Les gens nous disent que pour grandir, nous devons tout automatiser", a déclaré Jeff Cupples, vice-président de l'estimation et de l'ingénierie. "Eh bien, d'une manière ou d'une autre, nous avons réussi sans cela. Nous n'arrêtions pas de penser:" Nous allons éventuellement devoir utiliser l'automatisation. Mais notre clientèle a pratiquement dit que nous n'en avions pas besoin. Nous avons 99 % de livraisons dans les délais. Et nous n'avons aucune dette. Nous possédons chaque machine que nous avons, et nous payons comptant pour les nouvelles machines que nous achetons. D'une manière ou d'une autre, dans ce monde fou, nous avons trouvé notre créneau. "

L'opération continue de croître, preuve qu'il n'y a pas de "bonne façon" de gérer un département de découpe laser et, d'ailleurs, de gérer une opération de fabrication sur mesure plus large (et dans le cas de Cupples, un grand atelier d'usinage également).

Pour célébrer le 50e anniversaire du magazine FABRICATOR, nous examinons l'état actuel de la découpe au laser, en disséquant l'opération chez plusieurs fabricants de premier plan à travers le pays. Le magazine et la découpe laser ont grandi ensemble. La couverture de la publication sur la découpe laser de la tôle remonte à 1974. Au fil des ans, elle a documenté la montée de la machine de découpe laser d'une nouveauté obscure et d'un remplacement potentiel du travail de poinçonnage "flex tool" à la domination de l'industrie. Certes, J&J de Cupples ne serait pas l'opération qu'elle est aujourd'hui sans elle.

Cupples adopte une approche "mini-usine" pour ses opérations de découpe et de pliage, régie par sa clientèle. L'entreprise a une poignée de très gros clients qui ont des exigences de capacité élevées, généralement suffisamment de pièces répétitives pour remplir une mini-usine entière. Cupples reste un magasin d'emplois, donc le partage des ressources abonde. Si une mini-usine a une capacité disponible, les planificateurs déplacent le travail en conséquence. Et une mini-usine reste dédiée aux petites séries et aux mix produits élevés.

Chaque mini-usine est dotée d'un groupe de personnes très familières avec un groupe de produits, soit d'un seul client, soit d'une poignée de clients. "Mais nous sommes flexibles", a déclaré Cupples, ajoutant que si les demandes de capacité changent, les gens se déplacent entre les mini-usines selon les besoins.

Le personnel n'est pas seulement familier avec un groupe de pièces au sens superficiel. Ils savent quelle qualité de matériau à partir de quelle usine convient le mieux à ces pièces et quels lasers fonctionnent le mieux.

L'approche de la mini-usine guide les cheminements de carrière et la formation commence par observer le personnel vétéran - non pas assis devant un ordinateur, regardant un nid, mais debout près de la table de navette laser elle-même, déchargeant des pièces.

La société J&J de Cupples s'est fait un nom en poussant à la pointe de la découpe laser. Elle a investi dans plusieurs systèmes laser à fibre de 10 kW de Bystronic ainsi que dans des Eagles de 12 kW et 15 kW (illustrés ici).

On pourrait penser que décharger des pièces serait un bon moyen de perdre rapidement de nouvelles personnes. Mais cela ne se produit pas chez Cupples, principalement parce que les opérateurs apprennent l'importance d'un processus de déchargement fluide. Si les opérateurs peuvent retirer, empiler et envoyer rapidement des pièces en aval vers l'opération suivante, ils savent que toutes les variables opérationnelles qui les entourent fonctionnent comme il se doit. Chaque machine est équipée d'un chargeur à bras oscillant à portée étendue. Et sur chaque machine, les gens peuvent accéder à la table de navette des deux côtés, capable de retirer et de trier les pièces aussi rapidement que possible.

Secouer et casser est une rareté. "Nous n'aimons pas tabuler [les pièces dans les nids]", a déclaré Cupples, ajoutant que les programmeurs accordent une attention particulière à l'orientation des pièces et à la configuration des lattes d'une machine pour un support cohérent des pièces coupées, modifiant parfois une configuration des lattes pour s'adapter au mélange de pièces du jour.

Dans n'importe quelle situation, manuelle ou automatisée, le shake-and-break ralentit le débit, et pour la plupart des gens, c'est un travail ingrat. Si les recrues de Cupples passaient leurs journées à trembler et à casser, elles ne resteraient probablement pas longtemps dans l'entreprise.

Ils ne resteraient pas non plus longtemps s'ils travaillaient dans le chaos, se précipitant de table de navette en table de navette, transpirant abondamment pour retirer les pièces avant que le laser n'ait fini de couper la feuille suivante. Mais ils ne se précipitent pas. Une fois que le laser a terminé son cycle, le système à double navette retire la feuille coupée et la remplace par une nouvelle. Les recrues déchargent les pièces de manière ordonnée et discutent avec les vétérans tout en apprenant comment et pourquoi l'opération fonctionne si bien.

Par exemple, ils apprennent que même si une pièce occasionnelle peut avoir besoin de passer par le planeur de pièces, ils n'ont pas besoin de passer par l'ébavurage des pièces plates. "Notre règle générale est que nous voulons moins d'une bavure de 0,005 pouce sur le bord, ce qui, selon les normes de l'industrie, n'est essentiellement pas de bavure du tout", a déclaré Cupples. "Donc, si nous ne pouvons pas obtenir une bavure inférieure à 0,005 pouce de manière cohérente avec un laser à fibre, nous utilisons nos lasers CO2. Pourtant, nous effectuons une découpe de production avec 10 mm et moins avec de l'azote, et 99 % de cela est coupé avec le laser à fibre."

Autre exemple : un vétéran du tri des pièces peut indiquer deux pièces étroites qui seront des pièces de gauche et de droite qui seront formées en canaux étroits. Ils sont imbriqués les uns à côté des autres mais mis en miroir de sorte que les attributs de géométrie de bord soient opposés les uns aux autres. La recrue rappelle que le rendement matériel est extrêmement important, et pourtant, organiser ces pièces de cette manière semble laisser une section Web plus large. Il en parle au vétéran expérimenté à proximité, et le vétéran explique la libération de la contrainte résiduelle après la coupe, ainsi que la nature des tolérances de formage sur la presse plieuse. Le flan long et étroit est très légèrement courbé, car le laser a libéré la tension qui était piégée dans la feuille.

L'équipe de la mini-usine fait tout son possible pour éviter cela, bien sûr. Ils travaillent en étroite collaboration avec le personnel des achats et étudient comment la coupe affecte les stocks de différentes usines et centres de service. En fait, l'entreprise ajuste ses tableaux de technologie de coupe en fonction de ce qu'elle sait de certains matériaux provenant de certaines sources. Deux feuilles identiques de la même qualité et de la même désignation ASTM peuvent couper différemment si elles proviennent d'endroits différents.

Les programmeurs emboîtent et programment également le laser pour minimiser ces effets, en s'assurant que le laser emprunte un chemin pour "pousser la chaleur" du laser loin de la pièce, peut-être en orientant la pièce d'une manière qui atténue les effets des contraintes résiduelles et des complications lors du formage ultérieur.

Mais dans de rares cas, un arc toujours aussi léger est tout simplement inévitable. Dans la plupart des cas, cette pièce serait envoyée via le niveleur de pièces. Mais pour ces pièces, le client n'en a pas besoin. Les tolérances des canaux formés sont ce qui compte vraiment. Et orienter ces deux parties dans le nid afin qu'elles se reflètent l'une l'autre donne à l'opérateur de la presse plieuse deux parties légèrement inclinées dans des directions opposées. Cela permet à l'opérateur de frein de pousser l'erreur de tolérance dans le même sens, vers la dimension non critique, sur les voies gauche et droite.

Cupples a ajouté qu'un vétéran discutant avec une recrue n'approfondirait probablement pas tous les détails immédiatement (sinon, les pièces coupées ne seraient jamais déchargées et triées à temps). Quoi qu'il en soit, l'opération de déchargement manuel donne aux gens l'occasion de vraiment regarder un nid de pièces coupées, d'en parler et d'apprendre. Les débutants apprennent comment l'opération fonctionne aussi bien qu'elle le fait, et les personnes expérimentées acquièrent des connaissances pour de nouvelles améliorations.

Les employés déchargent des pièces d'une table de navette. Exploitant un laser à fibre de 10 kW, ils fonctionnent à 3/8 po. matériau à 225 pouces par minute, trop rapide pour qu'un seul opérateur puisse décharger. Une barrière immatérielle entoure le système du chargeur et tout est réinitialisé une fois que les opérateurs ont dégagé la zone.

L'entreprise effectue à la fois une imbrication dynamique statique et automatisée, et la stratégie qu'elle choisit dépend du client et des pièces à découper. "Un nid n'est pas qu'une question de densité", a déclaré Cupples. "Nous avons besoin de pièces cohérentes. Et si nous avons des tolérances serrées, nous devons prêter attention au sens du grain du matériau. Il y a tellement de scénarios, et nous sommes prêts à travailler avec chacun d'eux tous les jours."

Bien que cela semble contre-intuitif, le fait que J&J de Cupples ait une bonne quantité de travail répétitif, tous organisés dans ces mini-usines, rend son déchargement manuel et son tri des pièces plus efficaces. Si les responsables devaient répartir le travail de déchargement des pièces entre 19 lasers qui produisaient des nids de pièces en petits lots provenant de dizaines ou de centaines de clients, eh bien, le chaos régnerait. Là encore, l'entreprise fait des petites séries et leur dédie une mini-usine "divers", mais la réduction de la production est son pain quotidien.

La demande des clients dicte le nid, et chez Cupples, la demande est un peu plus prévisible que, disons, un petit atelier de travail avec des centaines de petits clients. Au fil du temps, les programmeurs et les estimateurs d'une mini-usine travaillent ensemble pour créer le nid de pièces optimal, en équilibrant le besoin d'un rendement élevé des matériaux, d'une bonne cohérence des pièces et d'un flux de pièces fluide, y compris le tri des pièces.

Ils associent le bon nid de pièces au bon laser et à la main-d'œuvre disponible pour le tri des pièces. Si les lasers font fonctionner un lot de matériaux épais, le responsable de la mini-usine peut prévoir que deux personnes seulement font fonctionner trois machines. La durée du cycle de découpe est suffisamment longue pour que deux personnes puissent lancer des programmes et décharger les pièces avant que le laser ait fini de découper la plaque suivante.

De même, si une pièce est pleine de petites pièces comportant de nombreux trous, la durée du cycle de coupe sera plus longue, de sorte que l'opération nécessitera peut-être moins de personnel de tri. Une seule personne peut suffire à faire fonctionner la machine et à trier les pièces. À l'inverse, si un laser puissant coupe un nid de seulement une poignée de grandes pièces, le laser termine en quelques minutes. Cela nécessite qu'une équipe de trieurs soit prête à décharger les grandes pièces (avec des aides au levage) avant que le laser n'ait fini de couper. Alternativement, un programmeur peut choisir d'imbriquer plusieurs grandes pièces entourées de pièces plus petites. Cela allonge le cycle de coupe et donne aux trieurs un peu plus de temps pour décharger.

"Nous avons des équipes de tri flexibles dont le nombre augmente et diminue en fonction de la longueur du parcours sur la feuille ou l'assiette", a déclaré Cupples.

Cupples gloussa. « Il y a deux lasers à fibre de 10 kW dans d'autres magasins à moins d'un kilomètre de chez moi. Nous sommes encerclés ! Il a ajouté que les centres de service de l'acier à proximité installent également des lasers à fibre de haute puissance. "Ce sont des entreprises d'un milliard de dollars qui s'intensifient", a-t-il déclaré. "Nous devons gagner un avantage d'une manière ou d'une autre."

Cupples a acquis cet avantage grâce à une approche à deux volets. Tout d'abord, c'est un guichet unique, proposant non seulement la découpe (y compris au plasma et au jet d'eau), le pliage, le laminage, le soudage, la peinture et l'assemblage, mais également l'usinage intensif. Ce n'est pas non plus un petit département d'usinage; c'est une entreprise d'usinage à part entière.

L'atelier utilise l'automatisation attachée à l'un de ses lasers Bystronic, principalement pour un traitement sans rayures.

Deuxièmement, il s'agit d'un adopteur de technologie de pointe, en particulier en ce qui concerne les lasers. Le lieu dispose d'une salle blanche dédiée au nettoyage et à l'entretien des optiques laser. Cela inclut l'optique de ses huit lasers CO2 - qui sont toujours occupés à couper des stocks épais - et la société nettoie et entretient certaines de ses anciennes têtes laser à fibre.

À l'exception de l'échange des glissières du couvercle inférieur, les nouvelles têtes laser à fibre sont scellées et ne sont accessibles que par l'OEM laser. Mais cela n'empêche pas le fabricant de perfectionner le processus. Par exemple, sur son laser à fibre Eagle de 12 kW (vendu aux États-Unis par Fairmont Machinery), l'équipe de Cupples a étudié la coupe. Ils savaient que le faisceau avait la puissance et la concentration nécessaires pour effectuer une bonne coupe extrêmement rapidement, mais pouvait-il être encore meilleur ? Ils ont regardé la buse et ont eu une pensée.

"Nous avons dit : 'Hé, nous avons une capacité d'usinage et nous avons un stock de cuivre. Le fabricant de la machine est d'accord avec cela, alors coupons notre propre buse et voyons ce qui se passe'", se souvient Cupples. Cette buse, conçue pour favoriser l'écoulement laminaire et réduire la turbulence du gaz d'assistance à l'azote dans toute la saignée, a accéléré la vitesse de coupe d'environ 20 %. "La dernière fois que j'ai vérifié, nous avons coupé de l'acier au carbone de 3/8 de pouce à environ 305 pouces par minute."

Au FABTECH® 2019, cette buse, appelée de manière informelle la buse Cupples, était exposée sur le stand Eagle Laser. Comme Cupples l'a rappelé, "La machine de 15 kW au salon coupait de l'acier de 3/8" à 390 pouces par minute avec une buse Cupples."

Compte tenu des progrès incroyables de la vitesse de coupe ces dernières années, le risque est généralement payant. Si une nouvelle machine connaît des problèmes majeurs, cela affecte rarement la capacité globale. En fait, la capacité de coupe augmente presque toujours, malgré les temps d'arrêt imprévus.

Cupples se souvient avoir installé un laser à fibre de 6 kW, la première installation du genre en Amérique du Nord. "Nous semblions être des testeurs alpha et bêta sur celui-là", a-t-il déclaré. "Au cours des six premiers mois, la machine n'a pas fonctionné la moitié du temps. Mais nous étions quand même à la pointe de la technologie et nous obtenions toujours le rendement. Oui, la machine était en panne la moitié du temps, mais la machine fonctionnait deux fois plus vite [que notre ancien laser], et les accélérations étaient tellement meilleures. Donc, finalement, nous avions encore plus de rendement pour moins d'argent."

Cela dit, Cupples est pleinement conscient que toutes les entreprises, y compris les centres de services cotés en bourse, ne seraient pas prêtes à prendre de tels risques et à être à la pointe de la technologie. Faire ces sauts distingue Cupples de la concurrence et, surtout, augmente les connaissances techniques de beaucoup qui y travaillent.

Cela permet également à l'entreprise de collaborer avec une variété de fournisseurs de l'industrie, de Bystronic à Eagle en passant par High-YAG, pour les aider à développer les meilleurs produits possibles. Une telle collaboration - du client final au fabricant en passant par l'équipementier - est la raison pour laquelle l'éditeur de The FABRICATOR, la Fabricators & Manufacturers Association, a été lancé il y a un demi-siècle. J&J de Cupples, qui a ajouté plus de 100 employés au cours des 18 derniers mois, est la preuve de la qualité de cette collaboration.