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MERCEDES OUVRE LA VOIE

Mirel Scherer

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Plusieurs usines du constructeur allemand ont mis en oeuvre des installations robotisées de soudage à distance avec scanner. Productivité et qualité sont au rendez-vous.

Grande première à l'usine Daimler de Sindelfingen, près de Stuttgart en Allemagne. Véritable cité de l'automobile, cette unité qui fabrique, entre autres, les nouvelles Classe C de Mercedes utilise depuis plusieurs mois des cellules robotisées de soudage laser à distance. Le ballet de la trentaine de robots Kuka utilisés ici est incessant. La production de ces cellules affiche un rendement de près de 900 000 soudures par jour. Le concept RobScan de Kuka qui associe robot, laser et scanner, fait merveille dans la fabrication en grande série des portes, des ailes, du capot et de la traverse médiane arrière.

Bien sûr, le soudage à distance n'est pas une nouvelle technologie. De nombreux constructeurs d'automobiles l'utilisent. Fiat ou Renault, par exemple, ont mis en oeuvre des installations automatisées conçues par Comau qui en a vendu jusqu'ici une dizaine. Baptisées AgiLaser, ces solutions utilisent un robot de type portique équipé d'une source CO2 et, depuis 2003, soudent les portes de voitures comme l'Idea de Fiat ou la Musa de Lancia. Avec un temps de cycle de 0,8 seconde par point de soudure.

Un câble optique conduit le faisceau

Utilisatrice de moyens de soudage laser depuis 1990, l'usine allemande n'a pas cessé d'innover en recourant toujours aux technologies les plus évoluées. Disséqué depuis 2001 par les ingénieurs de Daimler, le procédé de soudage à distance a fini par les convaincre. Les équipements robotisés de soudage laser à distance, utilisés dans l'usine de Sindelfingen, s'inscrivent dans cette démarche volontariste. Ils vont plus loin que la solution du constructeur italien et ouvrent en réalité une nouvelle ère dans le soudage des ouvrants. « L'originalité de cette installation consiste dans l'utilisation de composants standards et c'est la première de ce type utilisée dans la fabrication en grande série », explique Bertold Hopf, responsable de la planification de la production de l'usine. Les robots en effet sont des plus classiques tandis que le scanner et la source laser à disque sont ceux que Trumpf propose depuis plusieurs années déjà.

Selon l'expert allemand, la technologie de soudage à distance ou à la volée (welding-on-the-fly) est plus rapide, plus précise et plus économique que les procédés classiques. Petite explication technique de Bertold Hopf : « Le faisceau laser est généré loin des cellules de soudage et présente au besoin jusqu'à six rayons. Le faisceau lumineux est ainsi amené, via un câble optique d'une longueur atteignant 100 mètres, vers chacun des robots soudeurs. Ces câbles se déplacent donc à vitesse continue et à distance relativement élevée au-dessus de la pièce à usiner, par exemple une pièce de carrosserie. »

Des installations très flexibles

La tête de scanner PFO de Trumpf est placée à la sortie du faisceau laser du câble où deux miroirs ajustables détournent le faisceau de lumière à une vitesse fulgurante sur le point de soudage, le laser sautant de l'un à l'autre en une fraction de seconde. La lenteur de démarrage et d'arrêt, observée sur le bras robotique à chaque point dans le soudage par point, n'existe plus, et la déviation du faisceau laser se fait avec une grande précision optique grâce au scanner. « Dans les essais industriels de simulation série, nous avons réduit les temps de fabrication de près de 80 % par rapport au traditionnel soudage par résistance », affirme Holger Schubert, chef de projet RobScan chez Mercedes-Benz à Sindelfingen.

L'équipement laser utilisé pour la nouvelle Classe C a été élaboré en collaboration avec la division laser de Trumpf. Mais, les ingénieurs allemands ont pris toutes leurs précautions en demandant une ouverture complète. « L'installation a été conçue de manière à pouvoir remplacer les robots et les sources laser par celles d'autres fournisseurs », confirme Bertold Hopf. Qui annonce par ailleurs que l'étude approfondie de sources laser à fibre d'IPG est presque finie et qu'elles pourront « faire leur apparition dans la fabrication de l'usine cette année ».

Autres avantages importants : toutes les installations affichent un degré élevé de flexibilité et la précision de soudage s'améliore. Au total, 26 lasers à disque TruDisk de Trumpf de 4 kW sont utilisés dans les RobScan, complétés par d'autres appareils pour les contours de préparation ainsi que 34 scanners PFO du même constructeur. La qualité des points de soudure est sensiblement améliorée. Le procédé ouvre en outre aux concepteurs et aux responsables de la production des possibilités de conception bien plus flexibles pour la structure de la carrosserie.

Sur la nouvelle Classe C, il permet ainsi de substituer environ 15 % de tous les points de soudage par des points RobScan. Selon Bertold Hopf, ce pourcentage pourra être augmenté à 20 voire 25 % du total. Car le RobScan a déjà fait tâche d'huile chez Daimler : « Ces solutions laser sont désormais utilisées partout dans le monde chez Mercedes-Benz pour le gros oeuvre. C'est le cas, par exemple, des usines Mercedes-Benz de Brême ou Sindelfingen en Allemagne, ou de celle d'East London en Afrique du Sud, qui produisent la nouvelle gamme Classe C au moyen de cette innovation. »

Une solution à un coût compétitif

Ce type d'installation qui assure un contrôle de la qualité en temps réel et à 100 %, devrait intéresser d'autres constructeurs. Selon nos informations, Renault étudie activement en collaboration avec le CLFA (Coopération laser franco-allemande) le potentiel d'une cellule équipée d'un laser à disque de 8 kW installée sur un robot Kuka. Car la solution reste hautement compétitive, même si on a besoin d'un robot de plus, équipé d'une source YAG pour assurer la préparation pour le soudage de la tôle galvanisée utilisée dans la construction d'automobiles. « Un des problèmes qu'il faut résoudre lorsqu'on utilise cette approche c'est l'évacuation des vapeurs de zinc », explique Didier Boisselier, responsable technique à l'Irepa.

Responsable de la division laser chez Trumpf France, Gilles Caquot confirme ces propos : « On assure l'opération de préparation de tôles galvanisées grâce aux petits bossages réalisés par le laser YAG, ce qui laisse un jeu de 0,1-0,2 mm nécessaire au dégazage », explique-t-il. Pour lui, en tout cas, il est clair que la solution de soudage à distance, n'est plus réservée à la fabrication des voitures de haut de gamme vu sa productivité et son coût compétitif : « Avec cette approche qui assure beaucoup plus de cordons de soudure en même temps, on utilise quatre fois moins de robots », souligne-t-il.

Cela dit, combien en coûte- t-il ? Les responsables de Daimler préfèrent garder pour eux le coût de leurs nouvelles installations laser. On peut toutefois se faire une idée de l'investissement qu'il faut consentir. « Il faut compter environ 350 000 euros pour une source laser à disque de ce type et 50 000 euros pour un scanner 2D comme celui utilisé à Sindelfingen », indique Gilles Caquot, qui précise que la nouvelle famille de scanners lancée par Trumpf travaille en 2D 1/2. Quant au robot, il ne pèse plus très lourd dans l'addition. « Il faut dépenser moins de 50 000 euros pour un de nos robots 6 axes du type 100 HA (pour high accuracy) qui peut manipuler une centaine de kilos », précise Jean-François Germain, directeur commercial de Kuka France. Reste à ajouter à ces coûts celui de l'ingénierie pour avoir une idée de l'investissement total nécessaire.

Éliminer le recours au scanner

En tout cas, pour les chercheurs de l'IWB (Institut pour la machine-outil et le management industriel) de l'université technique de Munich (Allemagne), le soudage laser à distance réduit le temps de cycle et les coûts de fabrication. Un résultat rendu possible par le développement de nouvelles sources laser, à disque ou à fibre, capables d'opérer à plusieurs mètres. « Les systèmes avec scanner présentent deux avantages majeurs », expliquaient ainsi les chercheurs aux conférences Lasers dans la fabrication, du salon Laser 2007 de Munich. « La faible inertie des éléments mobiles dans le scanner autorise des vitesses du point de focalisation laser atteignant 1 000 m/min, ce qui réduit sensiblement le temps de cycle. La distance longue entre les optiques et la pièce à souder simplifie les systèmes de fixation. Le soudage laser peut ainsi s'appliquer à une panoplie plus large de pièces. »

Pour les chercheurs allemands, l'avenir pourrait appartenir à un autre développement. Il s'agit d'un concept développé toujours par Kuka qui élimine le recours au scanner. L'approche présente quelques avantages par rapport au soudage à la volée. « L'utilisation de robots standards et des optiques laser conventionnelles réduit les investissements et les coûts de maintenance », affirment-ils. En effet, les systèmes de contrôle du dialogue entre les robots et le scanner deviennent superflus et on réduit certaines parties redondantes de la cinématique. Seul inconvénient : le temps de cycle, plus long que celui constaté dans les applications de soudage laser à la volée. Le temps de programmation manuelle de la trajectoire adéquate pénalise cette approche. Les chercheurs allemands proposent alors le recours à un système de programmation off line qui a été testé sur un robot Kuka 60 HA doté d'un laser à fibre de 8 kW avec une performance (bpm ou beam parameter product) du rayon de 4 mm.mrad.

Repositionnement rapide du faisceau

Les opérations de soudage d'une tôle en acier non revêtue ont démontré que la vitesse optimale se situe autour de 6 m/min. L'installation utilisée lors de ces tests met en oeuvre aussi un système de mesure sans contact basé sur la triangulation laser monté sur l'optique de soudage. Ce dernier transfère les informations concernant la position du joint de soudage via un réseau de terrain Profibus DP à un PC de contrôle. Enfin, un programme de configuration des opérations de soudage en 3D a été développé grâce aux outils RobCad d'UGS.

Pour les chercheurs allemands, les résultats sont plus qu'encourageants. « Les temps de repositionnement du faisceau de soudage sont compris entre 150 et 390 ms en fonction de la distance de repositionnement (1 078 mm pour une géométrie en 2D et 1 829 pour la 3D) et de la géométrie de la pièce à souder », constatent-ils. À titre de comparaison, le système de soudage à distance avec scanner offre des temps de repositionnement de l'ordre de 50 mm pour des distances de 100 mm. L'avenir de l'approche sans scanner se présente donc sous les meilleurs auspices.

LES AVANTAGES DU PROCÉDÉ ROBOTISÉ

Forte réduction des coûts de fabrication Amélioration sensible de la productivité Qualité de soudage améliorée

PRATIQUEPOUR TOUT SAVOIR SUR LA FABRICATION LASER

- La première édition du salon Lasys présentera du 4 au 6 mars 2008, dans les halls d'exposition de Stuttgart (Allemagne), toutes les possibilités industrielles de la technologie laser. - Plus de cent exposants ont déjà confirmé leur présence, quelque 4 000 visiteurs sont attendus. - Les conférences SLT 08, organisées dans le cadre du Lasys 2008, présenteront un programme technologique de haute volée. Renseignements Sandy Zorn Tél. : 00 49 711 25 89 374 sandy.zorn@messe-stuttgart.de www.messe-stuttgart.de

SOUDAGE À DISTANCE ROBOTISÉ ET AVEC SCANNER

Un robot, un scanner, une source laser : les ingrédients du soudage à distance sont des plus habituels. Pilotée par un PC, l'installation de robotique coopérative utilisée par Mercedes met en oeuvre des robots Kuka et des lasers à disque de 4 kW extrêmement précis ainsi que des scanners PFO, ces deux derniers dispositifs fournis par Trumpf étant montés sur l'avant-bras du robot (Rofin propose une approche du même type, laser plus scanner). La solution exploite la flexibilité du robot pour prépositionner le scanner. Les miroirs de ce dernier sont manipulés par des galvanomètres et assurent un positionnement très fin du rayon laser sur la pièce à souder. À haute vitesse bien sûr : 4 m/s, soit 15 % plus vite que le soudage par points.

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