Des guitares aux bols : automatisation et outils de fin de bras (EOAT) chez Pacific Rim Tonewoods

Dans une scierie nichée dans la chaîne de montagnes des Cascades du Nord aux États-Unis, des robots sont à l’œuvre. Pacific Rim Tonewoods (PRT) fournit aux fabricants de guitares, grands et petits, tels que Martin, Taylor, Gibson et Fender, ainsi qu’aux luthiers individuels - artisans qui fabriquent et réparent les instruments à cordes - des bois de très haute qualité fraisés et façonnés à partir d’essences d’arbres soigneusement sélectionnées.

Il y a une dizaine d’années, PRT a remanié ses opérations, en s’attachant à minimiser les déchets et à optimiser ses processus de fraisage. Les changements apportés ont permis d’améliorer leur rendement de plus de 12 %. Une fois ces améliorations apportées aux processus, PRT a mis le cap sur l’automatisation afin d’ouvrir de nouvelles perspectives dans d’autres secteurs de la société.

Nous avons échangé avec l’ingénieur Jake Wells sur la façon dont l’impression 3D à frittage sélectif par laser (SLS) avec la série Fuse de Formlabs a rendu leurs systèmes robotiques plus abordables, plus efficaces et plus durables. Les outils de fin de bras (EOAT) et les aides à la fabrication imprimés en 3D par SLS ont permis de réduire les délais de production et d’optimiser les flux de travail automatisés, ce qui les a aidés à intégrer la robotique en interne.

La robotique et l’automatisation sont les pierres angulaires de l’avenir de la fabricabilité numérique, annoncé depuis longtemps, et dans de nombreux secteurs, elles ont tenu leur promesse de rendre les opérations plus efficaces. Les entreprises les plus performantes, comme PRT, ont intégré l’automatisation de manière à prendre en charge les « trois D », c’est-à-dire les tâches « dirty, dull, et dangerous » (sales, ennuyeuses et dangereuses) qui sont trop longues, difficiles ou dangereuses pour que les humains les accomplissent de manière cohérente.

Mais lorsque PRT a démarré l’installation de ses premiers robots, l’intégration - les composants matériels et logiciels qui permettent de programmer et d’équiper un robot pour une application spécifique - laissait à désirer. Leur premier robot était un KUKA KR-6 à 60 000 $ qui devait palettiser des pièces de bois spécialisées et de très haute qualité. Le système a permis aux employés de consacrer beaucoup de temps à des tâches plus complexes et de plus grande valeur, mais le fait de travailler avec l’intégrateur externe a créé une inadéquation entre le robot et la tâche, et Jake Wells savait qu’il était possible de mettre en place un processus de travail plus efficace.

« Le principal problème que nous avons rencontré était l’intégration du brut. Les intégrateurs extérieurs n’avaient pas l’habitude de manipuler du bois et ont choisi ce robot qui était plus grand que ce dont nous avions besoin. Lorsque nous avons décidé d’internaliser ces décisions, nous avons réévalué ce système et il est apparu clairement qu’il existait une approche meilleure et plus efficace. Notre approche consisterait à faire correspondre de manière globale un robot à son outil », explique Jake Wells.

Jake Wells a commencé par imprimer des conceptions d’effecteurs sur une imprimante 3D à dépôt de fil fondu (FDM) qu’il avait chez lui. L’intérêt de l’impression 3D est apparu tout de suite : ils ont pu concevoir, ajuster, tester et itérer plusieurs fois par semaine, en essayant de trouver le meilleur équilibre entre la résistance et le poids. « J’ai été le seul ingénieur pendant un certain temps, et il était tellement plus logique d’imprimer quelque chose, de l’installer sur le robot et de voir comment cela fonctionnait que de consacrer tout ce temps à l’ingénierie d’un produit destiné à l’usinage », explique Jake Wells.

PRT dispose d’un atelier d’usinage interne doté d’une puissante machine à commande numérique contrôlée par ordinateur à quatre axes, capable de manipuler les pièces sur mesure nécessaires à l’EOAT personnalisé. Toutefois, pour s’engager dans l’usinage d’un appareil, il faut que la conception soit entièrement finalisée, faute de quoi c’est un gaspillage de matériaux et d’heures de travail pour l’opérateur qualifié.

Les pièces imprimées en 3D FDM pouvaient servir de pièces d’ajustement pour les tests, et même d’utilisation finale dans certains cas, mais elles n’étaient pas fiables et pouvaient se casser trop facilement lorsqu’une force était appliquée le long des lignes de couche. « Il était difficile de savoir si les pièces imprimées par FDM étaient de qualité tant qu’elles n’étaient pas en service. Des pièces qui semblaient en bon état pouvaient tomber en panne après 20 000 cycles sans raison apparente, d’autres pouvaient subir 120 000 cycles avant de tomber en panne, et même dans ce cas, cela peut être simplement dû à une collision », explique Jake Wells.

Ils ont commencé à envoyer des pièces à imprimer en 3D par un prestataire de services et ont apprécié la solidité, le poids et la durabilité des pièces en Nylon 12 sur MJF qu’ils ont reçues. Cependant, la sous-traitance leur a fait perdre trop de temps. Alors qu’ils cherchaient à démarrer de nouveaux projets, ils ne pouvaient pas attendre des semaines avant de recevoir une pièce pour les essais.

PRT avait besoin d’une solution interne capable de fournir des pièces de qualité pour l’utilisation finale, suffisamment résistantes pour des centaines de milliers de répétitions en tant que composants EOAT. Ils aimaient les pièces en nylon qu’ils sous-traitaient aux imprimantes MJF, et avaient également besoin d’une chambre de fabrication aux dimensions adéquates pour les effecteurs finaux. La Fuse 1 était le choix idéal à tous les égards. « Nous avons commencé à travailler sur des pièces suffisamment complexes pour qu’il soit difficile de les usiner, et des matériaux comme l’aluminium n’auraient pas été suffisants. Nous devions combler la cavité pour les pièces complexes, mais durables et l’apporter en interne », explique Jake Wells.

La série Fuse et Nylon 12 Powder permettent de créer des pièces d’utilisation finale de qualité dans un matériau familier de qualité industrielle. La nature autoportante de la technologie SLS a permis d’imprimer en 3D les effecteurs terminaux de conception générative, avec leurs courbes organiques et leurs noyaux évidés, sans ajouter de temps supplémentaire après le post-traitement et le retrait des supports.

Bien que les effecteurs finaux fassent l’objet de la plus grande attention - et peut-être à juste titre - il existe de nombreuses pièces des systèmes robotiques automatisés que l’impression 3D peut aider à gérer. Sur chacun des robots, des dizaines de câbles compliqués fournissent de l’énergie et des signaux aux divers éléments de l’appareil. Au cours des opérations quotidiennes, ces câbles peuvent être coincés, serrés, cassés, effilochés ou simplement gênés. Pendant la maintenance, un câble mal acheminé peut faire des ravages sur des fils et des connecteurs fragiles. Jake Wells a commencé à imprimer des pinces personnalisées pour maintenir les câbles sur la machine et dans certains groupes, rendant ainsi l’ensemble du système plus efficace et moins sujet aux dommages.

Les pinces personnalisées peuvent être conçues de manière à laisser la sciure se déplacer facilement à travers elles plutôt que de la piéger pour la nettoyer ultérieurement. Elles maintiennent les câbles dans certaines positions pour faciliter leur maintenance ou leur remplacement, et elles améliorent la facilité d’entretien et l’efficacité de l’opération. La série Fuse a permis de concevoir et d’itérer une petite pièce simple qui a un impact considérable, et ce sans passer par des heures de travail d’ingénierie pour la commande numérique par ordinateur ou des semaines de délai de production.

L’impression 3D de composants personnalisés a également rendu l’opération plus sûre. Chaque système robotique est surveillé par plusieurs capteurs de sécurité qui contrôlent la tâche et créent une boucle de retour pour le système de sécurité. Ces capteurs améliorent la sécurité et alertent les opérateurs en cas de problèmes ou de risques. Bien que les capteurs soient produits en série, ils sont utilisés dans des paramètres uniques, de sorte que chaque intégrateur doit trouver un moyen personnalisé de les supporter pour qu’ils soient efficaces.

« L’ensemble de notre robot est conçu en CAO et testé dans un logiciel de simulation. Nous sommes en mesure de placer les capteurs dans le modèle et de déterminer l’angle et la pose optimaux, puis d’imprimer le support à la perfection pour que chaque capteur soit exactement à sa place. C’est extrêmement important pour les capteurs de sécurité, car un capteur mal placé peut présenter un risque pour la sécurité », explique Jake Wells.

Les supports ont une autre fonction : assurer la pérennité du système. L’intégration numérique des supports de capteurs dans l’agencement CAO de l’ensemble du système permet à quiconque d’imprimer facilement en 3D des supports de remplacement à tout moment. « N’importe qui peut remplacer ce capteur plus tard et il sera déjà parfaitement orienté vers ce qu’il veut. Nous avons procédé de la même manière avec les systèmes de radars de sécurité. Pas de problèmes de sécurité et de meilleurs résultats, tout simplement », affirme Jake Wells.

PRT dispose d’un atelier d’usinage entièrement équipé d’une machine à commande numérique à quatre axes, et Jake Wells possède une grande expérience en tant que machiniste et concepteur de pièces usinées complexes. Les deux technologies sont faites pour fonctionner de concert, et l’usinage comme l’impression 3D offrent des avantages différents.

La plus grande différence réside dans l’engagement initial. Jake Wells peut passer des jours, voire des semaines, à parfaire la conception d’une pièce usinée, de manière à ce que l’installation et l’utilisation du matériau soient aussi efficaces que possible. Pour l’impression 3D, notamment grâce au flux de travail intuitif de la série Fuse, tout va un peu plus vite. « Dans notre atelier, nous sommes fortement optimisés pour l’usinage, mais en même temps, il y a plus de choses qui entrent dans la conception pour la fabrication CNC, beaucoup de connaissances préalables. Alors qu’avec l’impression 3D, il y a beaucoup de choses que je peux concevoir en quelques heures et voir si cela fonctionne - ce qui pourrait prendre quelques semaines si vous deviez l’usiner », explique Jake Wells. La facilité d’utilisation de la série Fuse a aidé Wells à travailler avec tous les membres de l’équipe pour que les pièces soient imprimées et utilisées.

Pour les effecteurs finaux, les pièces doivent être suffisamment solides pour saisir et placer les morceaux de bois sur la palette, tout en étant assez légères pour ne pas surcharger le bras robotique. La résistivité et la précision dimensionnelle sont également des préoccupations premières. « L’impression 3D permet de consolider les assemblages métalliques encombrants pour n’avoir qu’une seule pièce, cela simplifie les assemblages et permet d’en assurer la maintenance à l’avenir », explique Jake Wells.

Mais les avantages de l’impression 3D d’EOAT ne sont pas au rendez-vous si vous travaillez comme un atelier de machiniste normal, habitué à fabriquer des outils métalliques encombrants. Le processus de conception n’est pas individuel, nous a dit Jake Wells. Pour tirer pleinement parti de l’impression 3D, il faut modifier le flux de travail et ouvrir de nouvelles voies à la créativité.

L’impression 3D a rendu les intégrations robotiques de PRT plus fluides, plus simples et plus optimisées. « Cela nous a grandement aidé lors de l’intégration de l’automatisation. Si vous avez un problème spécifique avec la gestion des câbles, ou un certain point sensible avec un robot, vous pouvez probablement utiliser l’impression 3D pour aider à le résoudre » explique Jake Wells.

Les effets positifs de l’automatisation interne et de la conception des appareils ont ouvert de nouvelles perspectives à PRT. « Nous avons misé sur la production de bols en bois de haute qualité à un prix abordable. Nous aurons besoin de solutions spécialement conçues pour y parvenir, l’ajout de l’impression 3D à notre boîte à outils nous aide à optimiser davantage nos systèmes pour leur rôle », explique Jake Wells.

De même, la réussite de Jake Wells avec les pièces imprimées en 3D par SLS l’amène à considérer les composants EOAT et d’automatisation comme une autre source de revenus. « Nous avons des pièces que nous utilisons dans la production et que nous pourrions vendre à d’autres personnes dans le monde de l’automatisation. Nous n’avons pas acheté la Fuse avec l’intention d’imprimer 200 effecteurs, mais c’est un outil que nous possédons. Si vous avez des personnes qui comprennent l’outil, il peut être très puissant », explique Jake Wells.

Pour en savoir plus sur la série Fuse, consultez notre page. Pour vous rendre compte par vous-même de la résistance de Nylon 12 Powder, demandez un échantillon gratuit de pièce imprimée en 3D.