Automatisation dans la production de poêles à bois 4.0 : un jumeau numérique pour le robot de soudage

Souder des poêles bruts de manière automatisée tout en couvrant une large gamme de produits, tel est l'objectif de la société HASE Kaminofenbau GmbH, située à Trèves. Le fabricant innovant de poêles à bois du sud-ouest de l'Allemagne lance un à deux nouveaux modèles par an. Grâce à l'interaction optimale entre le jumeau numérique et les robots de soudage de KUKA, HASE peut désormais répondre sans peine à la demande croissante.

L'automatisation assure le confort : les poêles à bois modernes sont à la mode

Une chaleur douillette, du bois qui crépite, un feu qui brille : pour de plus en plus de gens, un poêle à bois incarne la convivialité à l'état pur et est indispensable dans le salon. C’est pourquoi la demande ne cesse d'augmenter chez HASE, fabricant de poêles à bois de Trèves. Entre-temps, l'entreprise familiale fondée en 1979 produit jusqu'à 15 000 poêles par an, plus rapidement et plus efficacement qu'auparavant grâce à l'automatisation. La particularité : tous les poêles à bois HASE sont fabriqués à 100 % sur le site de l'entreprise en Rhénanie-Palatinat, où travaillent environ 200 employés. Outre le « Made in Germany », le spécialiste des poêles à bois mise sur des solutions techniques innovantes - que ce soit par le biais de nouveaux modèles de poêles chaque année, du logiciel intelligent iQ pour un feu propre ou de l'automatisation de la production par des robots et donc des processus plus efficaces. Dans ce contexte, l'interface entre les machines physiques et les applications numériques joue un rôle décisif.

Comme nous manquons de plus en plus de spécialistes en soudage, nous n'avons pu profiter du marché en plein essor qu'en automatisant notre production.

Florian Fischer, responsable du développement de la production chez HASE

Répondre à une forte demande grâce à une production automatisée

En effet, la demande croissante de poêles modernes et propres a posé quelques défis à l'entreprise de production régionale. « Un poêle à bois a un grand nombre de cordons de soudure - les souder toutes à la main prend beaucoup de temps », explique Florian Fischer, responsable du développement de la production chez HASE. « Comme nous manquons aussi de plus en plus de spécialistes en soudage et que nos installations d'exploitation étaient vieillissantes, nous ne pouvions profiter du marché en plein essor qu'en automatisant notre production. » En confiant à des robots le travail de soudage exigeant au poêle brut, notamment en raison des températures, les collègues peuvent se concentrer sur leur métier. Il s'agit par exemple du soudage de portes de foyers, où la zone de travail est de toute façon trop étroite pour un robot de soudage.

Un jumeau numérique au cœur de l'installation de soudage

L'objectif de la manufacture était donc fixé : augmenter la productivité, garantir la qualité tout en soulageant les collaborateurs, à l'aide de robots de soudage. Mais HASE ne serait pas HASE si le fabricant de cheminées innovant ne pensait pas à l'avenir. « Nous voulions construire une installation robotisée ultramoderne et flexible qui puisse également traiter de futurs modèles qui n'existent pas encore, sans que nos concepteurs aient à se restreindre ou que la production s'arrête pour autant », raconte M. Fischer. « C'est pourquoi le jumeau numérique joue également un rôle décisif. »

Chez HASE Kaminofenbau à Trèves, l'artisanat traditionnel rencontre l'automatisation innovante.

HASE fait confiance depuis 20 ans déjà aux performances des robots de KUKA, pour ce projet, le choix s'est donc également porté sur le premier fournisseur de robotique intelligente. La possibilité d'utiliser du matériel KUKA sous la forme de deux KUKA KR CYBERTECH nano ARC HW, de l'unité linéaire KUKA KL250-3 et du positionneur a été particulièrement intéressante dans le cadre de cette collaboration. En effet, c'est l'interaction avec le logiciel KUKA.Sim et le Digital Twin qui a été le décisive pour HASE. Le logiciel de simulation donne virtuellement vie au applications robotisées avant même que l’installation soit mise en service. Les séquences de déplacement de robot programmées hors ligne sont représentées en temps réel et analysées ainsi qu’optimisées quant à leurs durées de cycle. De plus, l'Add-On KUKA.Sim ArcWelding simule les applications de soudage automatique. Il est par exemple possible de définir les positions d'approche ou l’orientation optimale des robots pour le processus de soudage.

Programmation hors ligne plus rapide des modèles de poêles

« Toutes les séquences de soudage et de mouvements de nos deux robots sur l'unité linéaire sont simulés à l'avance à l'aide de KUKA.Sim, complètement isolés de l'installation proprement dite », explique Martin Altmeier, programmeur HASE. « À l’aide du jumeau numérique, nous pouvons ainsi programmer hors ligne un programme de poêle en deux heures. En ligne, nous devrions mettre une installation hors service pendant deux semaines pour cela. Cela prouve que sans la programmation hors ligne via le logiciel de simulation, notre production et le développement de nouveaux modèles ne seraient pas possibles aussi rapidement et facilement. »

Sur le rail linéaire, les deux robots de soudage KR CYBERTECH nano ARC soudent les cordons des composants.

KUKA.Sim permet également de comparer très tôt l'idée que se font les concepteurs de nouveaux modèles de poêles avec la réalité, dans la phase de prototypage. En effet, à l'aide du jumeau numérique, Hase peut simuler à l’identique les séquences de soudage et les concepteurs obtiennent une représentation identique du processus de production ultérieur. HASE peut ainsi tester des séquences de soudage pour de nouveaux poêles avec le jumeau numérique et, à la fin, créer sur cette base le programme de soudage correspondant pour la cellule robotisée.

L'automatisation rencontre la flexibilité

Lorsque le programme d'un modèle de poêle est prêt, les robots peuvent tout de suite commencer. L'opérateur de la machine place le poêle dans l'installation à l'aide d'un dispositif de levage, lance le programme, et le positionneur soulève le poêle brut pré-agrafé, qui pèse entre 20 et 100 kilogrammes selon le modèle, dans la position souhaitée. Sur le rail linéaire, les deux robots de soudage KR CYBERTECH nano ARC - reliés à deux sources de courant TPS 500i Fronius - soudent ensuite automatiquement les cordons des composants dans l'ordre établi. « Auparavant, nous avons déterminé exactement par simulation quel robot se chargeait le mieux de quel cordon de soudure, et à quel moment », explique M. Altmeier, programmateur, « afin d'éviter toute déformation, de garantir l'étanchéité des cordons de soudure et d'obtenir la durée de cycle optimale ».

Grâce au jumeau numérique, les constructeurs obtiennent une représentation identique du processus de production dès la phase de prototypage.

Le risque de panne est réduit à un minimum

Un autre avantage : grâce à différents niveaux d'utilisateurs avec des profils de rôles clairs comme celui de l'opérateur, HASE a réduit quasiment à zéro le risque de panne dû à des erreurs de manipulation. De plus, tous les programmes actuels sont sauvegardés dans le logiciel KUKA - même en cas d'erreur, toutes les données peuvent donc être immédiatement restaurées. « Nous voulions relier le monde virtuel au monde réel de manière optimale », explique Bernd von der Bank de Paul von der Bank GmbH, intégrateur partenaire de longue date de KUKA, pour décrire son intention dans le cadre de ce projet. « Que je modifie quelque chose sur l'installation ou dans la simulation, cela n'a pas d'importance, car il se passe la même chose dans les deux systèmes. Le fait que le monde en ligne et le monde réel s'harmonisent aussi bien est unique sur le marché. »

Les professionnels des poêles à bois de HASE, les experts en automatisation de KUKA et la société Paul von der Bank GmbH en tant qu’intégrateur partenaire ont travaillé main dans la main.

Les applications de KUKA offrent un contrôle virtuel et réel cohérent

Jusqu'à ce que KUKA.Sim et les robots de soudage fonctionnent ensemble de manière optimale, HASE, l'intégrateur Paul von der Bank GmbH et le service client de KUKA ont développé ensemble le logiciel et programmé une solution sur mesure. C'est en particulier l'expertise de HASE qui a été déterminante pour le résultat final réussi. « Le défi du soudage électrique est que le monde virtuel n'a pas de tolérances », explique M. von der Bank. « En revanche, la technique d'assemblage réelle en a - et pas qu'un peu. »

La solution d'automatisation sur mesure pour HASE rend la fabrication de différents modèles de poêles possible.

L'architecture modulaire du logiciel permet de répondre aux besoins des clients

Pour que la simulation des cordons de soudure et les paramètres de soudage s'adaptent de manière optimale au travail du contrôleur du robot et que le « Post-Teach effort » soit le plus faible possible, tous les participants ont modifié ensemble KUKA.Sim en fonction des besoins de HASE - l’architecture modulaire du produit du logiciel le permet ! Un avantage important à cet égard : les données sont cohérentes à 100 pour cent ; ainsi, le contrôleur virtuel et le contrôleur réel travaillent avec exactement les mêmes données. De cette manière, KUKA.Sim crée la base pour une mise en service virtuelle.

Grâce à l'architecture modulaire du produit, le logiciel est parfaitement adapté aux exigences de HASE.

Productivité accrue grâce à une installation robotisée haut de gamme

Grâce à l'excellente interaction entre le jumeau numérique et les robots, HASE a pu réduire la durée de soudage par poêle de 45 minutes à 15 minutes. Suite aux bonnes expériences faites avec cette installation, HASE en a construit une deuxième entre-temps, complètement identique à la première. De ce fait, la charge de travail pour la programmation et la commande est réduite. Les deux nouvelles installations remplacent les cinq plus anciennes - un immense gain de place pour la production !

Précision et efficacité : grâce à l'excellente interaction entre le jumeau numérique et les robots, la durée de soudage par poêle a été réduite de 45 à 15 minutes.

Hors ligne, nous pouvons programmer un programme de poêle en deux heures à l'aide du jumeau numérique, alors qu'en ligne, nous devrions mettre une installation hors service pendant deux semaines.

Martin Altmeier, programmeur chez HASE Kaminofenbau GmbH

Le fabricant de poêles à bois pourrait désormais produire jusqu'à 25 000 poêles par an, contre un maximum de 15 000 auparavant. « Les deux installations robotisées haut de gamme représentent pour nous la plus grande innovation en matière de technique de soudage que nous ayons jamais eue », résume M. Fischer. « Le plus difficile dans l'automatisation est de trouver un moyen de couvrir simultanément une large gamme de produits. Nous avons relevé ce défi avec succès en collaboration avec KUKA et Paul von der Bank GmbH ». C'est dans ce travail commun que trouve aussi le secret de la réussite du projet : KUKA a proposé à HASE un pack complet et a développé sur place une solution sur mesure en collaboration avec le client et l’intégrateur partenaire.

L'automatisation : une opportunité

Les collaborateurs de HASE ne considèrent pas non plus la solution d'automatisation comme une menace pour leur emploi, compte tenu de la pénurie croissante de main-d'œuvre qualifiée, mais comme une garantie d'existence de leur employeur. HASE souhaite poursuivre de manière conséquente sa solution intermédiaire entre l'artisanat de proximité et l'automatisation innovante et travaille déjà en collaboration avec KUKA sur des concepts de pliage et de peinture automatisés ainsi que sur le soudage de sous-ensembles. Pour de nombreux autres poêles à bois modernes et propres - et encore plus de confort crépitant dans les salons.