Chez Trane, la programmation hors-ligne booste le soudage et la découpe plasma robotisés

Trane est le leader mondial des systèmes de conditionnement d’air et de réfrigération avec plus de 26 000 employés et un chiffre d’affaires supérieur à 6 milliards de dollars. Sa gamme de produits englobe les équipements de climatisation pour des applications résidentielles, commerciales, institutionnelles et industrielles. Trane est présent partout dans le monde au travers de ses bureaux de ventes, ses joint-ventures et ses 29 sites de production. Les deux usines implantées en France depuis la fin des années 60, à Charmes et à Golbey dans les Vosges, fabriquent des refroidisseurs de liquide et des ventilo-convecteurs. L’usine de Charmes, qui regroupe environ 500 personnes, produit des modèles de forte puissance. 60% de sa fabrication est destinée au marché européen. Chaque usine Trane est autonome et poursuit trois objectifs : fabriquer dans le temps le plus court, dans le respect de la qualité et en toute sécurité.

Tous les produits sont fabriqués à la commande. Environ 5 jours sont occupés par l’assemblage. Deux lignes d’assemblages coexistent dans l’usine de Charmes, pour les appareils à refroidissement par air (air cool) et les appareils à refroidissement par eau (water cool). En amont, ces deux lignes d’assemblage sont alimentées par l’unité de fabrication des échangeurs tubulaires. Pour des raisons de productivité, de qualité et de sécurité, il est essentiel de réduire au minimum les temps d’assemblage. Une condition pour satisfaire cet objectif est de préparer au mieux le travail en amont. C’est dans ce contexte qu’une réflexion sur la robotisation du soudage des échangeurs tubulaires s’engage, avec en ligne de mire la réduction des coûts de fabrication et une meilleure synchronisation des lignes d’assemblage.

Robotiser pour améliorer la productivité du soudage et résoudre une triple problématique

D’autres contraintes justifient l’intérêt pour la robotisation chez Trane. La production d’appareils de conditionnement d’air et de réfrigération étant fortement sensible à la saisonnalité, elle impose de faire appel à des soudeurs qualifiés au bon moment. Et compte tenu de la qualité de soudure requise pour satisfaire les codes de calcul des appareils à pression, ces soudeurs doivent être formés pendant 3 mois. Variation saisonnière de charge, main d’œuvre difficile à trouver et coûteuse à former, problème de qualité liée à la soudure manuelle… Face à cette triple problématique, la robotisation du soudage apparaît comme un choix judicieux.

Encore faut-il que les produits puissent être soudés par un robot. Or la conception des échangeurs induit lors de la préparation du soudage un jeu non maîtrisé dans le positionnement de la virole par rapport aux plaques situées à ses extrémités, pouvant atteindre 20 mm sur une longueur de virole de 4 m. Une réflexion s’engage donc avec le Bureau d’Etudes en 2002 pour modifier la conception des produits en vue de garantir la précision de positionnement des pièces, condition préalable au soudage robotisé. En parallèle, la stratégie de soudure est modifiée.

Un benchmarking est mis en place avec une usine sœur américaine, déjà équipée de plusieurs robots de soudage. Différents fournisseurs de robots sont consultés. L’installation retenue est basée sur une cellule équipée d’un robot suspendu sur un portique à un axe de translation longitudinale, qui s’avère très pratique pour la configuration de Trane. Deux positionneurs porte pièce à un axe de rotation permettent le chargement / déchargement des assemblages en temps masqué.

Intégrer la Programmation Hors-Ligne dès le lancement du projet

L’expérience de l’usine américaine montre que la programmation par apprentissage d’un échangeur immobilise un robot pendant une semaine. A Charmes, cela se traduirait par environ 25 semaines d’immobilisation. Trop pénalisant pour la rentabilité de l’opération. La programmation hors-ligne (PHL) du robot, qui pallie cet inconvénient, est donc envisagée dès le démarrage du projet. Le logiciel act/weld d’Alma est évalué courant 2003. Celui-ci semble en effet plus efficace que les solutions proposées par certains constructeurs, un logiciel de simulation trop générique ou un outil de programmation par apprentissage “virtuelle” jugé trop peu souple et pas assez précis. La très bonne connaissance du contrôleur du robot par Alma et la relation historique entre Trane et Alma, dont le logiciel de FAO découpe/poinçonnage act/cut est déployé à Charmes et à Golbey depuis plusieurs années, emporte l’adhésion des responsables du projet. Ceux-ci se fixent d’emblée l’objectif de ne procéder à aucune retouche des programmes sur le robot, toutes les mises au point devant être réalisées à la source dans le logiciel. “L’intégralité des programmes doit être reproductible et exploitable sous forme informatique”, souligne Vincent Guerbeur, responsable qualité pour l’usine de Charmes, à l’époque responsable soudage des assemblages permanents en charge du projet de robotisation.

La cellule robotique et le logiciel act/weld sont mis en service en avril 2004. C’est à ce moment-là qu’est réalisée la calibration logicielle de la cellule par Alma (mise à jour de la cellule virtuelle par rapport à la cellule réelle), une prestation essentielle qui conditionne la qualité de la programmation. Si le projet n’a rien laissé au hasard, il n’en reste pas moins que le soudage robotisé est complètement nouveau pour l’usine et que tout est à apprendre. Heureusement, Trane se donne les moyens humains de réussir l’intégration de ce procédé en dédiant Vincent Guerbeur, ingénieur soudeur de formation, et deux opérateurs robot à cette tâche. “A l’issue de la formation dispensée par Alma, il a fallu s’approprier l’outil de PHL, digérer les paramètres, établir une méthodologie de programmation, trouver les bonnes configurations et les tester sur le robot” se souvient Vincent Guerbeur, conscient d’avoir porté une grande responsabilité tout en s’étant passionné pour cette mission. Environ deux mois sont nécessaires pour maîtriser le logiciel act/weld et définir tous les paramètres, et quatre mois supplémentaires pour atteindre les objectifs de productivité et de qualité fixés au départ. Une trentaine de programmes couvrant toute la gamme de produits sont réalisés dans cette période.

Un transfert de technologie pour robotiser la découpe des enveloppes des échangeurs en 3D

Fin 2004, les responsables de Trane s’interrogent sur un autre process : la fabrication des enveloppes des échangeurs, alors sous-traitée. “Forts de l’intégration réussie du soudage robotisé, nous nous sommes alors demandés si nous étions capables de produire mieux et moins cher que les sous-traitants, en découpant nous-mêmes nos enveloppes avec un robot” résume Stéphane Hacquard, responsable process et développement pour l’usine de Charmes. Technologiquement, la découpe robotisée au plasma garantit en effet une qualité parfaite et constante des chanfreins, et donc un jeu minimum lors du soudage. Au plan financier, une étude de rentabilité confirme rapidement la pertinence de ce nouveau projet en démontrant une économie de plus de 35% par rapport à une fabrication sous-traitée.

La faisabilité de la découpe tridimensionnelle étant acquise, Trane et ses partenaires n’ont plus qu’à définir les détails de l’installation réelle et virtuelle. La cellule fournie est composée d’un robot monté fixe sur une glissière au sol à un axe de translation, d’un positionneur à un axe de rotation et d’un capteur laser ELS. Compte tenu de l’expérience acquise en soudage robotisé, l’implémentation de la découpe est beaucoup plus rapide et l’installation est opérationnelle dès la mi-2005. A la licence act/weld initiale est simplement ajouté un module pour gérer la technologie de découpe 3D ; ainsi un poste de travail suffit pour alimenter les deux robots.

Comme pour le soudage, les pièces sont importées dans le logiciel Alma depuis la CAO 3D (Inventor / Mechanical Desktop) au format STEP, puis sont automatiquement positionnées dans l’installation virtuelle grâce à une macro développées par Alma. Le logiciel permet également de programmer le capteur laser ELS. “Pour la découpe robotisée, la programmation par apprentissage n’était pas envisageable et sans le logiciel Alma, ce projet n’aurait sans doute pas vu le jour”, affirme Stéphane Hacquard avec le recul. En outre, les possibilités de simulation offertes par la PHL s’avèrent extrêmement pratiques pour gagner en productivité sur la découpe des viroles. Ainsi Romain Gotti, un jeune ingénieur formé en interne à la PHL il y a quelques mois, a rapidement mis au point une nouvelle méthode de découpe pour les trous destinés à recevoir les manchons sur la virole qui facilite les opérations de positionnement en vue du soudage.

Des gains sur toute la ligne…

Comme pour le soudage deux ans plus tôt, la découpe robotisée fonctionne désormais en vitesse de croisière et les responsables de Trane peuvent tirer un bilan très positif de l’intégration des deux procédés robotisés. Les objectifs fixés au départ, tant économiques que liés à la qualité et à l’organisation de la production dans l’usine, ont été atteints : gains de 45% en productivité et augmentation de capacité de 50%.

Grâce à la qualité de la calibration logicielle et la très bonne connaissance du contrôleur par Alma, il est possible de réaliser des programmes en PHL sans aucune retouche sur le robot.

Du fait du lancement en fabrication de nouveaux produits fin 2008, le logiciel Alma sera de nouveau fortement sollicité pour le soudage. C’est là un autre avantage déterminant de la PHL : “Grâce à act/weld, nous pouvons désormais anticiper le développement d’un nouveau produit, à condition de bien nous organiser”, souligne Vincent Guerbeur.

Considérant les facteurs clés pour intégrer avec succès la programmation hors-ligne dans leur process de fabrication, les responsables de Trane soulignent l’importance de la collaboration entre le constructeur de robots et Alma. La qualité et la constance de l’accompagnement technique d’Alma tout au long du projet sont également jugées déterminantes. Chez le client, se donner le temps d’intégrer la robotisation en y affectant des moyens humains suffisants (à plus forte raison si robot et PHL sont introduits conjointement) apparaît comme une condition indispensable à la réussite du projet. Et celle-ci sera d’autant plus grande que la personne dédiée à la PHL, indépendamment de son niveau d’études, aura été bien formée au procédé robotisé et sera motivée. C’est bien la preuve que les robots ne sont rien sans les hommes…

© 2008 – Alma

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