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De nouvelles perspectives pour un usinage des pièces aérospatiales de classe mondiale

Aujourd’hui, plus d’un demi-siècle après le coup de projecteur international donné par le chanteur Gene Pitney sur l’Oklahoma, un état situé au centre et au sud des États-Unis, avec son tube « 24 hours from Tulsa », un autre phénomène attire l’attention du monde entier sur la région. Orizon Aerostructures est une entreprise de fabrication de haute technologie dont la production est unique dans le Midwest. L’entreprise compte six sites et 763 employés travaillant à la fabrication de composants et de sous-ensembles complexes pour l’industrie aérospatiale sur une surface de production de près de 72 465 m² répartis sur les sites du Kansas, du Missouri et de l’Oklahoma, notamment quatre sites d’usinage qui utilisent en tout 100 machines CNC (dont 50 à cinq axes ou plus).

Cependant, c’est dans la toute nouvelle usine de la société, basée à Grove, à un peu moins de 90 minutes de route de Tulsa, qu’un niveau d’excellence inédit en matière de fabrication est en train de voir le jour.

    Dans une usine spécialement construite à cet effet, qui fait partie d’un investissement total de plus de 50 millions de dollars dans dix machines ECOSPEED F2060, Orizon a installé un système de fabrication flexible (FMS) basé sur neuf centres d’usinage ECOSPEED à cinq axes de Starrag. Et il établit de nouvelles normes dans l’usinage (principalement le fraisage) des pièces aérospatiales. Le système FMS, le plus grand système intégré de son type dans l’hémisphère occidental, permet à l’entreprise de réaliser :

    • au moins 30 % de réduction des temps d’usinage sur toutes les pièces par rapport aux anciennes méthodes ;
    • une amélioration massive de la finition de surface avec beaucoup moins d’exigences en matière d’ébavurage et de polissage ;
    • un rapport chiffre d’affaires/dépenses en capital exceptionnel et un revenu par personne 2 à 3 fois supérieur par rapport aux méthodes d’usinage traditionnelles.

    « Ce n’est pas une surprise quand on sait que l’ECOSPEED est capable de convertir une billette d’aluminium de 550 kg en une pièce structurelle complexe de 24 kg en moins de quatre heures lorsque la machine fonctionne à un volume de coupe maximal de 10 000 cm3/min », déclare Udo Herbes, directeur général de Starrag North America.

    Intégrant les neuf machines Ecospeed à grande vitesse (50 m/min) alimentées par un système de palettes à 18 stations automatisé et guidé par rail, et complété par une cellule de lavage/séchage intégrée, le système FMS nécessite seulement cinq personnes dans chacune des deux équipes journalières pour un fonctionnement 24 heures sur 24 et 7 jours sur 7 afin de permettre à Orizon de bénéficier d’extraordinaires avantages en matière d’usinage des pièces aérospatiales, en premier lieu pour les longerons d’ailes, les revêtements et les cloisons de séparation pour les principaux fabricants d’équipements d’origine (OEM) dans l’aérospatiale et la défense.

    La philosophie d’usinage avant-gardiste d’Orizon porte certainement ses fruits, et l’attitude de la société vis-à-vis de son investissement est claire, comme le souligne Charlie Newell, PDG : « En octobre 2016, nous rêvions de construire quelque chose d’unique en seulement 12 mois : une nouvelle usine pour abriter un nouveau système FMS qui atteindrait des rendements d’usinage supérieurs à tout ce que nous avions connu auparavant », dit-il.

    « En travaillant depuis le début avec Starrag, nous avons créé ensemble un partenariat absolument formidable, qui est une grande réussite pour l’usinage de pièces aérospatiales de classe mondiale. Il était clair, même avant la première vente de machine, que Starrag était prêt à écouter, à partager et à soutenir notre vision. Concrètement, Starrag nous a par exemple offert d’excellents niveaux de transfert de connaissances et nous a aidés à développer les processus appropriés autour de nos systèmes d’entreprise. »

    Il ajoute : « Il s’agit notamment de normaliser les opérations d’usinage (en utilisant un outillage standard) sur toutes les pièces et, par exemple, d’utiliser des outils de diagnostic en ligne qui permettent à Orizon (et Starrag Technology à Mönchengladbach) d’interroger le système ou des machines individuelles via des smartphones, des iPad ou des ordinateurs de bureau à toute heure du jour ou de la nuit. »

    Les diagnostics en ligne ne sont qu’un aspect (et un avantage) du système de production intégré (IPS) de Starrag, une plateforme numérique modulaire qui s’aligne sur la philosophie de Starrag « Engineering precisely what you value » en offrant aux utilisateurs une série de fonctionnalités visant à répondre à des tâches individuelles. Par exemple :

    • les solutions basées sur le cloud aident les utilisateurs à analyser et à optimiser les processus de manière plus spécifique afin d’accroître encore la productivité ;
    • le système de production de machines qui surveille la production en temps réel et protège la machine contre les erreurs de fonctionnement et les collisions ;
    • le contrôle qualité des processus, avec un moniteur qui avertit de la présence de vibrations dangereuses lors de l’usinage ; et
    • un système intégré de qualification des machines qui informera sur l’état des machines et, le cas échéant, affichera la ou les instructions de maintenance correspondantes.

    « Orizon a choisi les machines Starrag ECOSPEED F2060, chacune équipée d’une tête d’usinage cinématique parallèle Sprint Z3 et d’une tête de fraisage angulaire », explique Henry Newell, président d’Orizon, car la machine a produit tout ce que Starrag avait prévu en matière d’enlèvement de métal (jusqu’à 10 mètres cubes de copeaux par heure et par machine), de fiabilité (97 %) et de niveau de finition de surface (grâce à de superbes vitesses de secousse) ». « Il était également clair que Starrag était une entreprise à laquelle nous pourrions vraiment faire confiance et avec qui nous partagions des valeurs communes pour atteindre des résultats d’usinage de classe mondiale », ajoute-t-il. « Un seul copeau qui ne serait pas enlevé à temps dans une poche peut entraîner la mise au rebut d’une pièce valant 20 000 dollars, ce que personne ne peut se permettre ! »

    Cependant, Orizon ne s’est pas contenté de commander les six premières machines pour le FMS (avec le projet d’en ajouter trois autres, et peut-être plus à l’avenir). Orizon a d’abord installé une machine ECOSPEED autonome avec la tête Z3 pour tester de manière approfondie l’efficacité et le rendement de la machine sur les pièces de production afin d’obtenir ce que Josh Fink, vice-président de l’usinage, décrit comme « fournir aux clients une production plus rapide, de meilleure qualité et plus abordable ». 

    L’ECOSPEED F2060 originale d’Orizon se trouve seule dans sa propre zone, ce qui permet à l’usine de 8 000 m² d’accueillir le FMS, qui a commencé son développement en tant que FMS à six machines. La première machine F2060 pour le FMS a été installée en janvier 2017, suivie deux mois plus tard par le système de palettes. Le FMS était en production en octobre 2017. Un an plus tard, trois autres machines ECOSPEED ont été ajoutées, et d’après Josh, « plus important encore, ces trois dernières machines n’ont pas coûté de frais de main-d’œuvre supplémentaire pour le système, elles ont seulement généré des revenus ».

    La machine ECOSPEED F2060 de Starrag effectue des courses sur les axes X, Y et Z de 6 300 mm x 2 500 mm x 670 mm (broche en position horizontale) à des vitesses de déplacement de 50 m/min dans chaque axe. En outre, l’axe A/B à +/- 45 degrés est complété par une broche de 120 kW à 30 000 tours/min qui offre un couple de 83 Nm et peut tourner sans arrêt à 30 000 tours/min en mode S1. Les spécifications sont en outre améliorées sur une machine avec une dynamique élevée en accélération allant jusqu’à 1 g sur les cinq axes et une secousse pouvant atteindre 200 m/s³.

    Grâce à la station de chargement/déchargement, les pièces (jusqu’à 12 pièces différentes par palette, bien que la taille des pièces, en particulier leur hauteur, soit idéalement standardisée sur chaque palette de 2 mètres sur 6 mètres, chacune pouvant supporter des charges de 5 000 kg) sont chargées manuellement et serrées par un mélange de vide et de pinces mécaniques, la palette étant en position horizontale. Une fois chargée, la palette est inclinée à 90 degrés et placée dans le FMS de 82 mètres de long, le contrôleur de cellule sophistiqué « décidant » quelle machine traitera quelle palette.

    Le FMS, le plus grand système intégré de ce type dans l’hémisphère occidental, permet à l’entreprise de réaliser : au moins 30 % de réduction des temps d’usinage sur toutes les pièces par rapport aux anciennes méthodes.

    Avec un outillage commun maintenu par chacun des changeurs d’outils à 129 stations de l’ECOSPEED, ce qui signifie que n’importe quelle machine F2060 peut usiner n’importe quelle pièce dans n’importe quel ordre, le système de commande de cellules offre le meilleur de la fabrication flexible. Orizon a travaillé en étroite collaboration avec Starrag pour standardiser les vitesses et l’alimentation d’outillage et d’usinage, ainsi que la programmation des routines afin de permettre cette flexibilité de production de haut niveau.

    Après l’usinage, la palette se déplace vers la station de lavage/séchage où des buses de lavage à haute pression dirigent des jets inclinés pour atteindre chaque coin d’une pièce avant qu’un jet d’air ne soit utilisé pour le séchage. Cela dit, grâce à l’utilisation d’une quantité minimale de lubrifiant (MQL), les pièces entrent dans la station de lavage avec une quantité relativement faible de copeaux/liquide de coupe. Lors du déchargement, la palette retourne à l’horizontale et chaque pièce est retirée du système pour être ébavurée puis placée sur une machine de mesure des coordonnées pour un contrôle à 100 %.

    Chacune des machines ECOSPEED d’Orizon est équipée d’une tête d’usinage cinématique parallèle Sprint Z3, qui augmente la capacité de la machine à effectuer des fraisages et des perçages simultanés sur cinq axes et cinq côtés, avec une dynamique élevée. La tête utilise trois axes linéaires parallèles pour les entraînements montés radialement de façon équidistante dans la tête. La plateforme de la broche est reliée à chaque entraînement par des leviers rigides avec des pivots à chaque extrémité et une rotule à l’autre. 

    Lorsque les trois axes se déplacent simultanément, la broche est déplacée en ligne droite sur l’axe Z ; le mouvement synchronisé des trois axes Z permet à la broche de suivre n’importe quelle trajectoire dans un cône sphérique de +/- 45 degrés à un maximum de 80 degrés/seconde. Si les trois axes se déplacent différemment, la plateforme de broche est inclinée dans la cinématique A/B. 

    Chaque machine est dotée d’un axe C intégré permettant l’utilisation de têtes de fraisage angulaires interchangeables automatiques fonctionnant à chaque angle spatial compris entre -135 degrés et +135 degrés. Ces têtes font de chaque machine une unité à six axes pour accéder aux zones difficiles d’accès et les usiner efficacement.

    L’outillage conique standard HSK A63/80 est utilisé, ainsi que des outils « mono » mesurant jusqu’à 50 mm de diamètre.  Tous les outils sont équipés de puces RFID pour une gestion efficace des outils.

    La collaboration entre Orizon et Starrag se traduit notamment par le fait que les trois dernières machines ECOSPEED installées présentent des « ajustements » de conception pour répondre aux besoins d’Orizon : modifications de la porte piétonne, amélioration de l’éclairage des caméras intégrées aux machines et amélioration de la porte d’accès pour les routines de maintenance, par exemple.

    Les opérateurs d’Orizon effectuent des opérations de maintenance de base qui sont complétées par le programme de maintenance préventive ServicePlus de Starrag. Dans ce cadre, une redevance annuelle couvre toutes les éventualités et garantit un temps de réponse rapide, l’inspection et la réparation.

    Ayant obtenu de tels gains en matière d’efficacité d’usinage, Orizon ne se repose pas sur ses lauriers, comme le souligne Josh Fink : « Les performances du système sont constamment étudiées, avec des conférences téléphoniques chaque semaine entre nous et Starrag pour discuter des niveaux de disponibilité de la machine (actuellement 97 %) et de l’utilisation de la broche (87 % ciblés). Oui, c’est très bien d’avoir de tels objectifs, mais l’essentiel est de pouvoir les atteindre. Il s’agit tout simplement d’une amélioration continue. »

    Le service est la priorité pour Starrag Amérique du Nord

    Avec plus de 700 machines Starrag en service aux États-Unis, le directeur général de Starrag North America, Udo Herbes, sait très bien où se situent les ambitions de l’entreprise, aujourd’hui et dans un avenir immédiat.

    « Alors que le marché aérospatial est le véritable moteur du marché américain de Starrag, suivi par les secteurs de l’industrie et de l’automobile lourde (par exemple, les mines et les véhicules tout-terrain), il est clair que nous devons continuer à développer notre équipe, et certainement celle des techniciens de service, pour répondre aux demandes des clients qui exigent des temps de fonctionnement des machines extrêmement élevés. Nous devons nous assurer que chaque client est toujours satisfait. »

    Il ajoute : « Avec un centre de pièces détachées à Kentucky, des pièces livrées le lendemain si nécessaire, et des techniciens de service en divers endroits des États-Unis, nous continuerons à garantir la remise en service d’une machine dans les 48 heures en cas de problème. » 

    Orizon Aerostructures

    Aircraft manufacturers and their supply chain partners place extremely high demands on high quality and reliable production processes. A prime example is Orizon Aerostructures, who partnered with Starrag to build something very unique in the American Mid-West. The ECOSPEED F 2060 FMS is the largest, fully automated system of its type in the western hemisphere, consisting of a total of nine Ecospeed 5-axis high-speed machining centers. 

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