L’automatisation se développe dans presque tous les secteurs ; des voitures autonomes, des distributeurs de boissons sans contact qui distribuent plus de 100 boissons différentes, des robots multifonctions. Comment l’industrie de l’assemblage électronique peut-elle bénéficier de l’automatisation alors que la quasi-totalité de la ligne CMS est déjà constituée de machines automatisées ?
Le plus grand obstacle à l’automatisation dans une usine de production de cartes électroniques classique est l’entreposage et la livraison des matériaux. Chaque usine dispose d’entrepôts et presque tous sont gérés manuellement par des ouvriers. À mesure que les effets du Covid se font sentir et que moins de personnes sont prêtes à accepter un travail répétitif et moins bien rémunéré, la demande d’automatisation des entrepôts pour la livraison des matériaux augmente rapidement.
Au cours des dix dernières années, l’automatisation de l’entreposage dans le secteur de la fabrication électronique a fait l’objet d’une attention croissante grâce aux tours de stockage automatique, qui remplacent les rayonnages. Non seulement les tours réduisent la main-d’œuvre et l’espace au sol nécessaire, mais elles améliorent également la précision, le contrôle et l’efficacité des stocks. L’étape suivante consiste à transporter automatiquement les matériaux du lieu de stockage à la chaîne de production. Les robots mobiles autonomes (AMR) sont la clé de ce processus. Grâce à des communications intégrées, les machines de prélèvement et de placement informent les tours de stockage d’une pénurie ou d’un nouvel ordre de travail, la tour livre les composants nécessaires à l’AMR qui les livre à la ligne. Tout cela sans aucune intervention humaine.
Cet article se concentrera sur les avantages de l’utilisation de la manutention automatisée flexible des composants en conjonction avec les AMR, pour réduire la main d’œuvre requise pour l’entreposage et la livraison, pour augmenter l’efficacité, améliorer la traçabilité, et réduire les erreurs en livrant les composants à la ligne juste à temps.
Introduction à l’AMR
Comme pour les produits manufacturés, l’assemblage électronique de composants montés en surface est un processus qui évolue rapidement. La volonté constante de concevoir et de fabriquer de nouveaux produits innovants exige davantage de vitesse, de miniaturisation et d’automatisation. Rien qu’au cours des 15 dernières années, nous avons assisté à l’apparition des smartphones qui ont littéralement changé notre façon de communiquer et d’interagir. Les technologies portables, qui étaient à la base développées dans de nombreux livres et films de science-fiction dans le passé, sont devenues réalité. Qui aurait cru que nous parlerions à des ordinateurs pour allumer des lumières ou modifier la température d’une pièce ?
Si certains domaines de la production de cartes électroniques ont évolué très rapidement pour répondre à cette demande croissante, d’autres ont été ignorés ou ont résisté obstinément au changement. Nous avons vu la taille des composants diminuer au point qu’ils sont à peine visibles à l’œil nu. Les vitesses de placement n’ont cessé d’augmenter pour répondre au besoin toujours croissant de dispositifs électroniques. L’AOI et le SPI ont été introduits pour trouver et prévenir les défauts afin d’améliorer la qualité globale. Et pourtant, la manutention, c’est-à-dire le processus de réception, d’étiquetage, de stockage et de livraison des différents matériaux à la chaîne de production, n’a pas changé depuis plus de 30 ans.
Analyse des différents types de stockage
Dans une usine classique, le processus de manutention des matériaux commence au quai de réception où un opérateur ouvre les cartons et vérifie ce qu’il a reçu par rapport à une liste fournie sous forme imprimée ou électronique. Après avoir confirmé les détails et les quantités, un processus quelconque est utilisé pour confirmer ce qui a été reçu par saisie manuelle dans le logiciel ERP. Les matériaux sont ensuite étiquetés (dans certains cas, mais pas tous) avec une étiquette d’identification unique qui sera utilisée pour le suivi, la vérification de la configuration ou à d’autres fins. C’est le début des enregistrements de traçabilité pour suivre tous les détails essentiels des composants, ce qui devient également de plus en plus courant. Une fois les matériaux étiquetés, ils sont stockés jusqu’à ce qu’ils soient utilisés. (ill. 1)
Le processus de stockage varie considérablement d’un secteur à l’autre. Dans l’opération la plus basique, les matériaux sont placés dans des racks ou des étagères selon un système quelconque, sans qu’aucun enregistrement électronique ne permettant pas de savoir où ils ont été placés. Les matériaux peuvent être organisés de manière alphanumérique, en fonction du client, du produit ou de bien d’autres méthodes. Il appartiendra aux opérateurs de trouver les matériaux lorsqu’ils en ont besoin. D’autres fois, l’emplacement est enregistré manuellement dans un logiciel ERP ou autre. Un autre système courant est un peu plus automatisé : des codes-barres sont utilisés pour chaque emplacement de stockage. Les codes-barres permettent aux opérateurs de scanner l’étiquette d’identification du matériel et l’emplacement où il a été stocké. L’utilisation de codes à barres permet d’améliorer la prévention des erreurs par rapport à la saisie manuelle pour les emplacements sans code à barres, mais il est toujours possible d’égarer des matériaux. La prévention des erreurs est l’un des principaux avantages du stockage et de la livraison automatiques des matériaux.
Les emplacements munis de codes barre offrent d’autres avantages par rapport aux emplacements manuels prédéfinis. Le stockage dynamique offre une plus grande flexibilité et une meilleure utilisation de l’espace. Le stockage dynamique signifie que l’emplacement de tout matériel n’est pas prédéfini et que les matériels peuvent être stockés dans n’importe quel endroit disponible. Cela élimine le besoin d’emplacements dédiés ou de commander des matériaux, ce qui réduit le besoin d’un espace « réservé » où retourner les matériaux. Ce concept est similaire à celui de la « couchette chaude » utilisée dans les sous-marins. Au lieu que chaque marin ait besoin de son propre lit, ils partagent des lits et obtiennent l’utilisation la plus efficace de l’espace. Pourquoi un espace devrait-il être réservé à un matériau alors qu’il se trouve sur la chaîne de production ? L’autre avantage du stockage dynamique est le gain de temps pour les opérateurs. Au lieu de prendre le temps de trouver l’emplacement correct pour le matériau et de l’insérer dans l’emplacement désigné, les personnes concernées placent simplement les matériaux dans le premier espace libre qu’elles trouvent. Aucune recherche, il suffit de placer les pièces et de scanner l’endroit où elles ont été placées.
Pourtant, les emplacements munis de codes à barres présentent toujours une certaine possibilité d’erreur et nécessitent toujours qu’un opérateur scanne chaque matériau à l’entrée et à la sortie, ce qui est un processus important de main-d’œuvre. Avec ou sans codes à barres, un matériel mal stocké peut causer d’importants problèmes de production, d’inventaire et de planification.
Le nec plus ultra en matière de stockage efficace et sans erreur est constitué par les tours de stockage entièrement automatiques. Avec les tours de stockage automatiques, l’avantage supplémentaire par rapport au stockage dynamique est que les pièces sont insérées et extraites par un robot, ce qui élimine la possibilité d’erreur de positionnement. Pour illustrer la différence entre le stockage manuel et le stockage automatique, on peut comparer un vidéoclub classique et un CinéBank. Dans un magasin classique, les vidéos étaient classées par genre et par titre. Vous pouviez trouver ce dont vous aviez besoin, mais cela prenait du temps et nécessitait beaucoup d’espace pour les étagères et les allées. Même lorsqu’un film n’était plus en stock, il restait un espace vide sur l’étagère où il aurait été placé. Avec CinéBank, de nombreux DVD peuvent tenir dans un espace très réduit et être extraits en quelques secondes en choisissant seulement ce que vous voulez sur un écran. Vous savez même avant de demander un DVD s’il est en stock ou non, ce qui vous évite de perdre du temps à chercher.
L’espace physique nécessaire à un être humain est supprimé et l’ensemble du stock est condensé dans une fraction de l’espace. Il en va de même pour les tours de stockage, avec l’avantage supplémentaire par rapport à CinéBank qu’une liste entière de matériaux (nomenclature) peut être fournie et extraite en une seule fois, sans qu’un opérateur doive prendre chacun d’eux au fur et à mesure de son extraction. Pour s’assurer qu’aucun matériel n’est égaré ou perdu, comme dans le cas de CinéBank, le code-barres d’identification unique est lu à chaque fois que le matériel est inséré dans la tour de stockage. La tour utilise ensuite la même méthode « dynamique » pour stocker les matériaux dans le premier emplacement disponible et enregistrer cet emplacement. Cela élimine totalement la possibilité d’une erreur humaine consistant à lire la mauvaise étiquette pour le matériau ou l’emplacement. L’opérateur n’a pas vraiment besoin de connaître l’emplacement exact du matériau, car lorsqu’il en a besoin, la tour extrait le matériau spécifique demandé ou requis. (ill. 2) Avec un compteur à rayons X intégré, il est même possible de réduire davantage le temps, le coût et la main-d’œuvre habituellement associés au contrôle des stocks.
La prochaine étape logique de l’automatisation complète d’une usine est l’insertion et la livraison automatiques des matériaux. Des robots autoguidés peuvent être utilisés pour rendre cela possible et assurer une livraison juste à temps partout dans l’usine. Grâce à un réseau de communication comprenant les machines de placement, les tours de stockage et les robots, les matériaux peuvent être livrés de manière fiable sans intervention humaine, exactement au moment et à l’endroit où ils sont nécessaires. Par exemple, lorsque la ligne de production manque de composants, un signal est envoyé à la tour de stockage pour extraire les matériaux nécessaires.
Une fois que la tour a extrait les matériaux nécessaires, une demande est faite à un robot pour livrer les matériaux. Le robot apporte les matériaux à l’endroit spécifique qui les a demandés. Tout cela se fait automatiquement, sans aucune intervention de l’opérateur. La tour a sélectionné le matériau spécifique à utiliser, l’a extrait et a appelé le robot. Le robot est arrivé au point d’enlèvement, a choisi le chemin à suivre et a livré au point de dépôt.
En utilisant cette méthode, il n’est plus nécessaire de stocker les matériaux près de la ligne de production. La raison principale pour laquelle la plupart des entreprises gardent des matériaux près de la ligne est d’éviter les arrêts de ligne causés par le manque de matériaux à temps. Avec la livraison automatique, il n’y a pas de retard ou de pause dans la production car le logiciel peut surveiller le taux de consommation et s’assurer que les matériaux sont livrés juste à temps. Un autre avantage de la livraison est que les matériaux sensibles à l’humidité ne sont pas exposés à l’environnement plus longtemps que nécessaire, ce qui réduit le temps, le travail et le coût nécessaires à la cuisson des composants. Cela signifie également que les matériaux ne se trouvent pas dans un endroit inconnu ou non contrôlé où ils peuvent être déplacés ou perdus.
Cela peut aider à réduire l’inventaire global en éliminant les achats de remplacement pour les matériaux « perdus ».
Ces avantages se traduisent par une amélioration significative de l’efficacité de la chaîne de production, une réduction de la main-d’œuvre et une diminution des stocks disponibles. Les délais de livraison des matériaux sont supprimés. Les retards ou les problèmes de qualité causés par des matériaux périmés sont éliminés.
La communication entre la ligne de production, les tours et le robot est l’une des clés de la livraison automatique des matériaux. Chaque élément du processus possède son propre logiciel. Au centre de cette communication, un logiciel de gestion coordonne tous les mouvements et fournit à l’opérateur une interface utilisateur pour interagir rapidement et facilement avec l’ensemble du système. Si la plupart des opérations sont effectuées automatiquement (comme la livraison d’une bobine de rechange à la chaîne de production), certaines nécessiteront l’intervention de l’opérateur. Prenons l’exemple d’un processus de manutention classique. Les nouveaux matériaux sont reçus et étiquetés. Ils sont ensuite stockés dans des tours. Lorsque les éléments sont prêts, les matériaux sont extraits des tours et acheminés vers la zone de préparation où ils sont installés sur des chargeurs. Sur la ligne de production, les matériaux de remplacement sont reçus et manipulés. Enfin, une fois la production terminée, les matériaux non utilisés doivent être déchargés et renvoyés au stockage. Même avec la livraison automatique, chacun de ces points nécessite une demande ou une confirmation manuelle de la part du travailleur. Le travailleur doit prendre manuellement les matériaux du robot, les mettre sur le robot, etc. Cela nécessite une interface utilisateur pour informer le robot lorsque le travailleur a terminé sa tâche ou pour faire des demandes au système.
Le logiciel du robot possède des fonctions permettant de tracer des itinéraires (et de contourner dynamiquement les obstacles), de décider de l’utilisation du robot et de les recharger si nécessaire. Ce logiciel ne dispose pas d’une interface permettant aux opérateurs de demander un robot ou de renvoyer un robot avec des matériaux usagés vers le stockage. De même, la ligne de production n’a pas de logiciel pour indiquer au robot quand l’opérateur a pris les nouvelles bobines livrées et qu’il est prêt à travailler sur une autre tâche. La fonction du logiciel de gestion est de coordonner toutes ces opérations.
Un flux classique ressemble à ceci
Les robots peuvent également être utilisés pour déplacer les matériaux nouvellement reçus vers des tours pour le stockage. Une fois le processus de réception et d’étiquetage terminé, un opérateur peut demander l’intervention d’un robot. Le robot emmène les matériaux vers n’importe quelle tour disposant de suffisamment d’espace, selon les instructions du logiciel de gestion. Le processus est fondamentalement le même que pour le retour des matériaux usagés dans les tours. L’une des clés de la gestion de la variété des matériaux utilisés dans l’assemblage par robot consiste à les stocker dans des « conteneurs » plus cohérents. En raison de la variété de formes et de tailles des bobines de CMS, des plateaux ou même des composants ensachés, il serait difficile pour le robot de les manipuler dans leur état naturel.
Les plateaux ESD offrent la résistance et la cohérence nécessaires pour permettre au robot de manipuler beaucoup plus facilement une pile de composants de formes différentes. Les plateaux sont ensuite empilés dans un « porte- plateaux » qui s’adapte facilement au robot pour le transport (illustration. 4). Le robot prend le porte-plateaux et le déplace à tout endroit où il est nécessaire. La possibilité de déconnecter le support de caisses du robot fournit une plate-forme pour maintenir les matériaux pendant que le robot est libéré pour effectuer d’autres tâches. Par exemple, le porte-plateaux peut être laissé dans l’ascenseur pendant que les tours de stockage extraient plusieurs matériaux. Dans le même temps, le robot est libre d’aller chercher les matériaux dans un autre porte-plateaux dans la zone de réception. Cela permet de réduire le coût global du système en utilisant au mieux le robot, tout en assurant la fonctionnalité complète de la livraison automatique.
Robots mobiles autonomes (AMR) et véhicules à guidage automatique (AGV)
Les robots mobiles sont déployés sur une variété d’applications de transport de matériaux afin d’augmenter l’efficacité et la productivité tout en réduisant les coûts de main-d’œuvre. Les AGV sont guidés dans la zone opérationnelle à l’aide de fils, d’aimants, de rubans ou de réflecteurs laser pour se déplacer sur des trajectoires prédéfinies. En revanche, les AMR utilisent une variété de capteurs et de cartes pour trouver le chemin optimal vers la cible. La différence peut être décrite au mieux entre un tramway et une voiture autonome. Un AGV agit comme un tramway qui se déplace sur une trajectoire prédéfinie. Dès qu’il y a un obstacle, le tramway doit s’arrêter et attendre que l’obstacle soit éliminé. En revanche, l’AMR peut se déplacer librement comme une voiture entre le point de départ et le point d’arrivée, choisir la route optimale et contourner les obstacles de manière totalement autonome.
La sécurité est essentielle. Les deux types de robots opèrent souvent dans un environnement collaboratif et partagent des allées avec des personnes. Cela nécessite des systèmes de sécurité sophistiqués et fiables qui excluent non seulement les accidents du robot lui-même, mais aussi ceux du robot et de sa charge utile. Les lasers de sécurité sont très souvent utilisés pour fournir au robot une connaissance de la situation et un arrêt de sécurité si des personnes sont trop proches. Si les porteurs de charge utile sont plus grands que l’empreinte du robot, des lasers de sécurité supplémentaires peuvent être utilisés pour assurer la sécurité globale du robot.
Gestionnaire de flotte
Alors que la plupart des entreprises commencent à explorer les avantages des robots mobiles avec 1 ou 2 robots, elles en ajoutent très souvent d’autres, ce qui peut entraîner une congestion, une inefficacité et une réduction des performances globales. Le logiciel de gestion de la flotte « Fleet Manager » résout ce problème en suivant et en coordonnant en permanence tous les robots déployés (illustration. 5). Ils offrent une multitude de fonctions qui peuvent s’avérer importantes dans les grands déploiements :
- Affectation intelligente des tâches : Réduit les pertes de temps et les déplacements en regardant continuellement vers l’avant pour anticiper quels robots seront les mieux positionnés pour les tâches à venir.
- Gestion des mouvements : Assure le bon déroulement des opérations dans des environnements très fréquentés en coordonnant les flux de circulation et en séquençant efficacement les prises en charge et les déposes aux emplacements cibles. Aux emplacements cibles, trouver la meilleure position pour les tâches à venir. (illustration. 6)
- Contrôle du trafic : Notifie les robots convergents de leurs trajectoires prévues, leur permettant de recalculer et d’éviter les collisions avec d’autres robots de la manière la plus efficace.
- Mises à jour automatiques : Effectue des mises à jour automatiquement sur l’ensemble de la flotte.
- Gestion de la charge : Suit l’état de charge des batteries de l’ensemble de la flotte et dirige les robots vers la station d’accueil disponible ou préférée la plus proche, selon un calendrier qui garantit le fonctionnement continu de la flotte.
- Intégration facile des systèmes informatiques : Fleet Manager peut se connecter aux logiciels MES, ERP et WMS afin que les tâches puissent être propagées automatiquement à la flotte en temps réel (Restful, SQL, Rabbit MQ, ARCL).
- Administration des compétences : Comprend les capacités de chaque véhicule de la flotte et s’assure toujours que le bon travail est attribué au bon robot. – Simulation de flottes : Les petites flottes peuvent être simulées pour optimiser les nouvelles installations ou les changements d’usine.
Les données
Les clients font état d’une amélioration de 60 à 70 % du temps nécessaire à la collecte des matériaux (kits) lorsqu’ils utilisent des tours de stockage automatiques. Cela s’applique également au temps nécessaire pour remettre en stock les matériaux non utilisés. Cela peut ne pas sembler évident au premier abord, mais lorsque des emplacements de stockage statiques sont utilisés, il faut beaucoup de temps aux opérateurs pour trouver, insérer et enregistrer les emplacements de chaque matériau, à l’insertion comme au retour.
Respect des délais ou retard des opérateurs
Avec la livraison robotisée, il n’y a effectivement aucun temps de travail nécessaire pour collecter et livrer les matériaux à la zone de préparation. Lorsqu’un kit est nécessaire, la liste est envoyée électroniquement aux tours de stockage. Comme pour le réapprovisionnement de la ligne, les tours demandent un robot lorsque les matériaux sont prêts. Le robot se rend alors automatiquement dans la zone de préparation de l’alimentation.
Le même processus peut être utilisé en sens inverse. Lorsque les opérateurs ont fini de retirer les matériaux des chargeurs, il leurs suffit de les placer dans un chariot et de cliquer sur un bouton pour demander au robot de les renvoyer aux tours. Le robot fait le reste. Il sait où trouver les matériaux et quelle tour dispose de suffisamment d’espace. Aucun opérateur n’est nécessaire prêt la tour pour effectuer le retour au stock. Une fois que tous les matériaux sont retournés, l’emplacement actuel est mis à jour dans la base de données et peut être partagé avec tout autre logiciel nécessitant ces données.
La livraison par robot permet également de réduire considérablement le nombre de travailleurs. Une usine classique peut avoir 3 à 6 changements de production par jour. Cela signifie 3 à 6 livraisons de kits et 3 à 6 retours de kits. Cela ne tient pas compte du temps de réapprovisionnement des bobines sur la ligne de production. Un AMR peut généralement remplacer ½ opérateur. Cela peut être augmenté si un seul robot dessert plusieurs lignes de production.
Conclusion
L’utilisation de tours de stockage automatiques combinées à des AMR pour la livraison des matériaux dans une usine de production de cartes électroniques peut améliorer de manière significative l’efficacité de la production, tout en réduisant les effectifs nécessaires et les coûts globaux.
Avec la pénurie croissante de main-d’œuvre dans le monde entier et la demande croissante de produits électroniques, l’industrie a besoin de solutions permettant une manutention fiable. Il est temps pour l’industrie de regarder au-delà de la ligne de production pour trouver des possibilités de réduire les coûts et d’améliorer l’efficacité. L’amélioration et l’automatisation de la manutention dans l’ensemble de l’usine est un domaine où il y a peu de possibilités.
Gerry Padnos, Essegi Automation Morrisville,
NC Christoph Wimmer, Omron Automation Renton, WA