Le masquage laser atteint les équipementiers automobiles

Jun 16, 2023

Deux larges convoyeurs télescopiques se déplacent en tandem sous les têtes de découpe laser actives, en maintenant un espace constant en dessous pour que les fumées et les matériaux en fusion puissent s'évacuer.

Un jour au début de 1974, les éditeurs de The FABRICATOR de l'époque ont lu un manuscrit sur une technologie de pointe qui avait passé des années dans le laboratoire mais qui commençait à peine à faire son apparition dans l'atelier de fabrication. À côté d'une photo granuleuse d'un laser CO2 de 500 watts monté sur une machine d'oxycoupage, l'article indiquait : "Maintenant, après toutes ces années de promesses, les lasers sont devenus un outil de travail des métaux acceptable."

Cela s'est avéré être un euphémisme. Toutes ces années plus tard, le laser domine la fabrication de tôles de précision. Il s'est épanoui en partie grâce à sa capacité à découper n'importe quelle forme dans n'importe quelle orientation. Les agencements imbriqués sur un laser à plat dans un atelier de travail à grande diversité de produits et à faible volume ressemblent à des œuvres d'art.

Bien sûr, à mesure que les volumes de commandes augmentent, la découpe au laser a traditionnellement moins de sens sur le plan économique. Cela est resté le cas alors même que le laser à fibre a pris d'assaut le marché il y a plus de dix ans. Un laser à fibre incroyablement rapide semble incroyablement productif, mais la tête de coupe doit encore tracer le profil de la pièce.

Une presse à emboutir peut découper le profil d'une ébauche en une seule fois, d'où la prédominance de la presse à emboutir dans le découpage à grand volume, en particulier dans l'industrie automobile. Il n'y a aucun moyen qu'un laser puisse dépasser une ligne de découpe traditionnelle avec des presses d'emboutissage mécaniques, n'est-ce pas ?

Pas nécessairement. Les lignes de découpage au laser ont fait leur chemin vers certains des premiers utilisateurs du monde entier, notamment SET Enterprises, un centre de service de métal basé au Michigan. En 2016, Daimler a installé deux lignes de découpe laser à l'usine Mercedes-Benz de Kuppenheim, en Allemagne. Une autre ligne de découpe laser a démarré sa production dans une autre usine Mercedes-Benz en Allemagne au début de cette année, et une quatrième ligne est en phase d'assemblage.

Les dernières lignes de découpage au laser présentent la flexibilité "sans outil" dont la plupart des fabricants de métaux équipés de lasers de découpe à plat bénéficient depuis des années. Mais certaines lignes de découpe laser correspondent également, et parfois dépassent, la vitesse de nombreuses lignes de découpe basées sur presse installées dans le monde. C'est un exploit que les éditeurs de The FABRICATOR en 1974 n'auraient probablement pas pu imaginer.

Le terme découpage au laser n'est pas nouveau, mais il peut prêter à confusion, en particulier pour ceux qui ne font pas partie de la chaîne d'approvisionnement automobile. Cela n'a rien à voir avec les "ébauches soudées sur mesure", parfois appelées "ébauches soudées au laser", dans lesquelles différents profils découpés sont joints par soudage au laser pour créer une seule ébauche qui possède des propriétés adaptées à l'application.

Le concept du masquage laser aux États-Unis remonte aux années 1990. Au tournant du millénaire, un consortium multi-entreprises appelé Laser Blanking Central a posé une question qui, rétrospectivement, était en avance sur son temps : et si une presse à découper pouvait être remplacée par un système de découpe laser alimenté par bobine ?

Le groupe, qui comprenait des sociétés telles que DCT à Sterling Heights, Michigan, et Alabama Laser Systems à Munford, Alabama, ainsi que des experts en laser tels que Charles Caristan (maintenant chargé de mission technique chez Air Liquide), a développé quelques concepts initiaux. Une bobine serait introduite dans un niveleur de précision, puis dans un lit de découpe laser, après quoi des robots ou d'autres dispositifs déchargeraient les pièces coupées et (si nécessaire) élimineraient le squelette. Depuis lors, les progrès technologiques, y compris le laser à fibre haute luminosité, ont fait de ce concept une réalité.

L'industrie automobile d'aujourd'hui a plus de variations de modèles que jamais, ce qui a bien sûr fait des changements de matrices une cible d'amélioration. L'échange de matrices en une minute (SMED) est une excellente idée, mais ne pas avoir de matrice à changer en premier lieu est encore mieux.

Chacune des trois têtes laser du système possède son propre portique.

Une matrice de découpe est plus rentable lorsqu'elle produit des ébauches avec des lignes droites et des angles. Un laser préfère travailler avec une ébauche profilée, où la tête de coupe n'a jamais à décélérer complètement, à tourner et à accélérer autour d'un angle aigu - et il se trouve que bon nombre de ces formes profilées facilitent la formabilité dans une presse à emboutir, en particulier pour le processus de dessin. Quelle que soit la forme de l'ébauche, le découpage au laser permet aux ingénieurs de l'ajuster pour un meilleur formage.

Les voitures et les camions du futur devront également être plus légers et plus sûrs, d'où la demande d'aciers avancés à haute résistance et d'autres matériaux avec des rapports résistance/épaisseur apparemment sans cesse croissants. Ces matériaux ne sont pas gentils avec les matrices de découpe. Le laser, quant à lui, ne se soucie pas de la résistance à la traction d'un matériau, mais uniquement de l'épaisseur et de la capacité du matériau à absorber l'énergie du laser. Le découpage au laser n'élimine pas toutes les préoccupations concernant les matériaux à haute résistance - le matériau alimenté par bobine doit encore être nivelé avant d'atteindre les têtes de découpe laser - mais le retrait de la matrice de découpage atténue un bon nombre d'obstacles techniques.

Andreas Heuer, responsable de la technologie de formage chez Mercedes-Benz pour les usines de Gaggenau et Kuppenheim, a d'abord commencé à examiner le processus pour des raisons purement pragmatiques : l'entreprise ne voulait pas modifier son usine existante pour faire de la place pour d'énormes fondations de machines, bouclant fosses et une baie haute pour les ponts roulants nécessaires au changement des matrices de découpe.

"Nous n'avons pas besoin d'espace supplémentaire pour le stockage des matrices, et nous n'avons plus besoin de ponts roulants pour les changements de matrices", a-t-il déclaré. "La grande flexibilité qui accompagne cette technologie est également très bénéfique pour nous, car nous avons un nombre croissant de types de véhicules.

"[Le découpage au laser] a également simplifié les changements géométriques lors de l'introduction de nouveaux jeux de matrices [pour le formage]", a poursuivi Heuer, ajoutant que certains changements de géométrie des ébauches ont facilité les processus d'étirage en aval. "Pour certains ensembles, nous avons créé six à huit géométries [vierges] différentes. Cela nous a permis de mettre en œuvre des changements rapidement sans perturber la production actuelle."

Daimler utilise maintenant le découpage au laser pour produire plusieurs composants de carrosserie extérieurs critiques sur le plan esthétique. "L'usine atteint une vitesse de ligne dans certaines applications allant jusqu'à 60 mètres par minute", a déclaré Manuel Hunger, directeur des ventes chez Schuler, basé en Allemagne, qui a conçu et construit les lignes de découpe laser de Daimler. "Par exemple, la ligne a produit plus de 40 hottes par minute."

"Nous avons découpé des ébauches pour toutes les parties extérieures de la carrosserie et des pièces structurelles plus grandes pour la carrosserie principale des voitures et des camions Mercedes-Benz", a poursuivi Heuer. "Nous utilisons les nuances typiques utilisées par d'autres constructeurs automobiles, comme l'acier galvanisé et l'aluminium, allant de 0,65 à 1,5 mm d'épaisseur."

Regarder la ligne de découpe laser de l'usine en action, c'est comme assister à une danse hautement chorégraphiée, chaque composant électronique et mécanique jouant un rôle essentiel. Une bobine est chargée sur un système de gain à double bobine pendant que la bobine précédente est en cours de traitement. Si le nouveau matériau l'exige, les cassettes de planage à rouleaux de précision se remplacent automatiquement en quelques minutes. Lorsqu'un changement de bobine doit se produire, le dérouleur ramasse et présente la nouvelle bobine, qui est alimentée avec du mou (pas de fosse de bouclage) à travers le niveleur et dans le système de découpe laser.

L'enveloppe de travail de découpe laser comprend trois têtes de découpe laser, chacune avec une source d'alimentation laser à fibre IPG de 4 kW distincte. Les têtes se déplacent dans la direction X ainsi que Y (à travers la bande).

Hunger a déclaré que le fait d'avoir trois têtes de découpe laser constitue un bon équilibre. Avoir moins de têtes ralentit la vitesse de suppression, tandis qu'avoir plus de têtes entraîne un nombre excessif de perçages, d'accélérations et de décélérations, simplement parce que chaque tête laser ne couperait qu'une petite partie du nid passant en dessous. Et dans le cadre d'une feuille alimentée en continu, le nid "passe sous" le laser.

Les pièces découpées sont empilées, transportées hors du système et mises en scène, prêtes à être transportées en aval.

La technologie de base du découpage au laser ne réside pas dans la découpe au laser elle-même, mais plutôt dans ce qui se passe sous le trait de scie. La bande doit continuer à bouger, avoir de l'espace en dessous pour évacuer le matériau fondu et rester entièrement soutenue, tout cela en même temps.

Pour ce faire, les systèmes de découpage au laser utilisent intelligemment les convoyeurs télescopiques. Dans les systèmes de découpe laser de Daimler, deux larges convoyeurs, l'un devant la ou les têtes laser actives et l'autre derrière, positionnés avec un écart constant entre eux, se déplacent vers l'avant et vers l'arrière dans la direction X (avec et contre le flux de matériau), synchronisés avec l'action de coupe. Cela garantit que le système maintient toujours un espace constant sous l'action de coupe, où la gravité et le vide éloignent le matériau fondu, les particules et les fumées de la coupe elle-même. Schuler appelle ce convoyeur synchronisé et système d'extraction des fumées "DynamicFlow Technology".

Après la découpe vient le démêlage et l'empilage, deux éléments critiques sans lesquels le découpage laser n'aurait pas beaucoup de sens. Oui, certains systèmes de découpe laser sont devenus si rapides dans certaines applications qu'ils dépassent certains systèmes de découpe conventionnels, mais cela ne signifierait pas grand-chose si les découpes devaient être triées manuellement.

Comme Hunger l'a expliqué, le découpage au laser a plusieurs scénarios de démêlage, où les bonnes pièces sont séparées des rebuts. Le premier implique des travaux qui coupent des nids qui ne laissent aucun déchet. Les capots découpés au laser de Daimler, coupés en ligne les uns après les autres, en sont un excellent exemple. Les découpes de capots s'étendent sur toute la largeur de la bande, sortent de la cellule laser, passent par un processus de nettoyage, puis sont envoyées sur des convoyeurs séparés vers des empileurs hautes performances similaires à ceux utilisés sur les lignes de découpe traditionnelles.

"Nous faisons cela [chez Daimler] parce que l'empilage de robots n'est pas assez rapide pour l'application", a déclaré Hunger.

Un autre scénario de dépilage implique un nid avec de la ferraille qui tombe dans une opération dite de "délestage par gravité", qui se produit en dehors de l'enveloppe de travail du laser. Cette méthode ne fonctionne que si la ferraille est orientée et façonnée de telle sorte qu'elle tombe facilement de la bande.

À partir de là, l'empilement peut se produire de deux manières. Si l'orientation de la pièce le permet et que le délestage par gravité s'avère fiable, les pièces coupées peuvent alors s'écouler directement vers les empileurs, comme elles le feraient dans une situation sans rebut, tandis que les rebuts tombent dans une goulotte à rebuts et dans un poubelle. Alternativement, une série de robots peut saisir les pièces hors du squelette et les transporter sur la goulotte à ferraille sur une bande transporteuse menant à l'empileur.

Daimler ébauche les parties extérieures de la carrosserie critiques d'un point de vue esthétique, d'où la nécessité d'un processus de nettoyage des ébauches à base de brosse après la découpe au laser. "La contamination par la saleté et la poussière était une préoccupation majeure pour nous", a déclaré Heuer, ajoutant que même sans l'étape de nettoyage supplémentaire, le processus ne laissait "qu'une poussière mineure qui ne serait pas pertinente pour nos étapes de processus suivantes".

"A ce jour, nous pouvons dire que l'équipement, comme les lignes de découpe traditionnelles, a besoin d'un nettoyage fréquent pour assurer la propreté des découpes. Nous effectuons actuellement un nettoyage standard toutes les deux semaines et un nettoyage intensif semestriel de tous les convoyeurs."

"Pour réduire le nettoyage manuel de la ligne, chaque bande transporteuse peut être équipée d'une unité de nettoyage à brosse", a ajouté Hunger.

Andreas Heuer, responsable de la technologie de formage chez Mercedes-Benz pour les usines de Gaggenau et de Kuppenheim, a dirigé la transition de l'usine de Kuppenheim vers le découpage au laser, qui a débuté en 2017. Photo publiée avec l'aimable autorisation de Daimler AG.

Selon Hunger, les lignes de Daimler atteignent des niveaux d'efficacité globale de l'équipement (OEE) supérieurs à 75 %. "Nous n'avons jamais pu atteindre un tel niveau dans une ligne de découpe conventionnelle", a-t-il déclaré.

Étant l'un des premiers à adopter, Heuer voit le découpage au laser devenir le processus de découpage dominant dans l'automobile. « À mon avis, le découpage au laser remplacera le découpage conventionnel. Cette technologie est un moyen moderne et innovant d'optimiser le processus de découpage et d'augmenter l'efficacité. Et les matrices optimisées pour les géométries de découpe laser contribueront à rendre le découpage au laser plus avantageux.

Qu'en est-il des autres domaines de la fabrication métallique? Selon Hunger, la technologie pourrait éventuellement trouver sa place dans davantage de centres de service en dehors de la chaîne d'approvisionnement automobile, et même chez les grands fabricants de tôles, en particulier ceux qui consomment une grande quantité de certaines qualités et épaisseurs de matériaux, suffisamment pour acheter une bobine à un prix raisonnable. temps.

Les changements de bobine et de niveleur-cassette permettent de passer rapidement d'un matériau à l'autre. Daimler, par exemple, utilise un processus automatisé dans lequel un opérateur inspecte le matériau et lance le changement.

Les éléments critiques sont le démêlage et l'empilement. Comme Hunger l'a expliqué, certaines approches de désempilage automatisé sur un découpeur laser peuvent suivre certaines des mêmes stratégies que le désempilage automatisé à partir d'un laser à plat. Par exemple, des pièces plus petites peuvent être assemblées et retirées par le robot comme une seule unité.

Bien sûr, les volumes de pièces doivent être adéquats. "Le système de découpage au laser n'est pas idéal pour gérer [de nombreuses] formes différentes en même temps", a déclaré Hunger, ajoutant qu'il nécessite également que les pièces sans onglets mesurent au moins 250 mm de long ou de large.

Bien sûr, les ateliers de fabrication de prototypes et de mélange élevé et à faible volume ne verront probablement pas d'utilisation pour un tel équipement de découpage au laser dans un avenir prévisible. Mais si le volume de la partie augmente, l'histoire pourrait changer. Si le mélange de profilés découpés d'un fabricant ou d'un centre de service peut être désemboîté, empilé et envoyé rapidement en aval de manière fiable, le découpage au laser devient alors une possibilité distincte.

Les robots saisissent et empilent les pièces découpées. Les pièces qui ne nécessitent pas de prélèvement robotisé sont directement acheminées vers un empileur.