Hexagon Smart Assembly Shop : Connecter les univers réel et virtuel de la fabrication

Les constructeurs et équipementiers automobiles sont contraints de réduire le temps de développement des produits, les coûts de lancement et les délais. Les avancées technologiques de la révolution industrielle 4.0 peuvent encourager une révision profonde de l’approche de base employée pour le prototypage et le lancement de véhicules. Ce concept de jumeau numérique du processus de fabrication est ce qu’Hexagon appelle Smart Assembly Shop (SAS).

Grâce à l’intégration de multiples solutions, notamment le scanning et la métrologie, le morphing CAO, la compensation de la gravité, la simulation de processus multiphysiques et la gestion des données de qualité, Hexagon a mis en place une plateforme qui permet aux équipes d’ingénierie d’évaluer en détail les effets agrégés du processus de fabrication et de prendre des mesures pour limiter les problèmes avant l’usinage du premier outil ainsi qu’après la constatation d’une non-conformité.

Introduction

Chaque structure de carrosserie et de châssis automobile est fabriquée selon des spécifications dimensionnelles strictes. Les éléments clés doivent être correctement positionnés pour être ajustés à d’autres composants de l’assemblage ou pour réussir l’inspection visuelle du consommateur, communément appelée « joints et affleurements ». La méthode traditionnelle au cours des quelques 100 dernières années consistait à emboutir, ou réaliser autrement, chaque composant (détaillé) individuel en se rapprochant le plus possible des données nominales. Différents emboutissages, moulages et extrusions étaient alors réunis en sous-ensembles à l’aide d’un soudage par points ou d’autres techniques d’assemblage. Là aussi, l’objectif était de respecter les valeurs nominales.

Ce processus se répétait d’une station à l’autre, les sous-ensembles étant couplés jusqu’à ce qu’un assemblage soit terminé ou, dans le cas le plus complexe, jusqu’à l’assemblage complet de la caisse en blanc. Cependant, cette approche implique une légère erreur dimensionnelle de chaque composant embouti qui s’écarte de plus en plus du nominal à chaque étape d’assemblage consécutive.

De plus, la conformité des composants individuels ne garantit pas celle de l’assemblage. Station après station, l’écart dimensionnel par rapport à la valeur nominale évolue et ses causes profondes deviennent de plus en plus difficiles à identifier. L’effet de la variation du processus à chaque étape de fabrication doit également être pris en compte. Bien que cet effet soit connu et observé depuis longtemps, il n’y avait tout simplement pas de solution pour résoudre ce problème complexe. Les ingénieurs se sont plutôt appuyés sur l’intuition, les connaissances tribales, les essais et les erreurs pour obtenir les résultats souhaités.

Figure 1. Éclaté du côté soudé de la carrosserie.

Pour réduire considérablement les coûts et délais de développement et de lancement des produits, nous devons réduire le nombre de prototypes physiques et d’itérations nécessaires pour obtenir la conformité dimensionnelle de l’assemblage final, ainsi que la quantité et la complexité des fixations. Deux disciplines de base de la solution SAS sont décrites ci-après : Contrôle virtuel des fixations (VCF) et Assemblage virtuel (VA).

Smart Assembly Shop – Assemblage virtuel

 L’Assemblage virtuel est un workflow similaire qui se base sur de nombreux systèmes et principes du Contrôle virtuel des fixations. Le flux de travail de l’Assemblage virtuel SAS se concentre sur les étapes consistant à fixer, serrer et assembler physiquement plusieurs composants individuels et sous-ensembles pour former des assemblages de plus en plus grands à mesure que le processus d’assemblage progresse. L’objectif est de prédire le comportement du processus d’assemblage grâce à des simulations multiphysiques de fixation, de soudage et d’assemblage tout en tenant compte des paramètres de composants dimensionnellement non nominaux qui entrent dans le workflow.

Le résultat de l’Assemblage virtuel est une évaluation efficace de la fabrication permettant aux ingénieurs d’évaluer rapidement le comportement d’assemblage résultant bien plus tôt dans le cycle de développement du produit. La numérisation du workflow Assemblage virtuel offre plusieurs avantages :

• Réduction des délais de développement et de lancement de nouveaux produits
• Diminution et suppression potentielle des coûts et des efforts requis par le prototypage physique
• Amélioration de la fiabilité de la conception et de la fabrication plus en amont dans le cycle de développement du produit
• Capacité à identifier plus tôt les changements de conception et de processus dans le cycle de développement du produit
  
  

 Figure 2 : Workflow du Contrôle virtuel des fixations

La Figure 3 montre un exemple de workflow d’Assemblage virtuel. Dans ce cas, le processus commence par l’entrée de plusieurs géométries non nominales, incluant les composants/fixations, le plan de métrologie et les données de traitement en provenance des systèmes CAO/PLM/logiciels d’entreprise. Ces données génèrent une version numérique du processus d’assemblage physique. Le processus virtuel doit refléter le plus fidèlement possible le processus physique.

La représentation géométrique des composants peut être basée sur la géométrie nominale directement issue de la CAO. Elle peut également tirer parti des données de scan métrologique (STL) pour effectuer un morphing géométrique comme décrit ci-dessus afin d’obtenir des représentations géométriques non nominales dans les modèles d’assemblage virtuel. Le module de simulation Assemblage virtuel exécute ensuite une simulation de processus distincte pour chaque étape du processus de fabrication. Celle-ci peut inclure le formage du métal, la découpe, l’application d’adhésif, le bridage, l’assemblage mécanique, le soudage, le pliage, etc...

Figure 3 : Workflow Assemblage virtuel

Les résultats de chaque étape sont rassemblés au fil du processus pour être réunis dans des ensembles de plus en plus grands. Après chaque étape d’assemblage, les résultats de simulation sont évalués par l’application d’un plan de métrologie tel que le système de points de référence (RPS), comme cela s’effectuera pendant la fabrication. Sur la base de ces résultats, l’équipe d’ingénierie peut prendre des mesures pour améliorer/optimiser le processus de diverses façons, notamment en modifiant l’approche de serrage et de fixation, le processus de soudage/assemblage, la séquence de soudage, les configurations de station précédentes ou les géométries de composants individuels.

Conception flexible

Les workflows Contrôle virtuel des fixations et Assemblage virtuel sont conçus pour être flexibles. La solution a été développée de manière à tenir compte de nombreux cas d’utilisation. Il revient à l’utilisateur et à son équipe de décider comment ils souhaitent exploiter le logiciel, en choisissant des flux de travail modélisés qui simplifient la sélection et la configuration. La figure 4 illustre les différentes sélections qu’un utilisateur peut effectuer pour définir la configuration de processus souhaitée.

Figure 4 : Entrées SAS

Les utilisateurs de SAS peuvent réaliser de nombreuses tâches avec la solution. Voici quelques exemples de cas d’utilisation/études identifiés par nos clients :

• Évaluer l’interaction entre la conception et le processus de fabrication : Quel est l’effet de la combinaison des pinces, fixations, emplacements de soudure, séquences de soudage, etc., sur la macrodéformation de l’assemblage ?
• Comprendre l’impact des géométries non nominales dans le processus : Comment se comporte le processus lorsque la géométrie de la pièce ou du sous-ensemble s’écarte des valeurs nominales ?
• Effectuer un contrôle virtuel des fixations des pièces et sous-ensembles : Comment les pièces et sous-ensembles non nominaux s’intègrent-ils dans le contrôle des fixations, séparément et avec d’autres pièces ?
• Évaluation de l’efficacité/la stabilité des fixations : Quel est le degré de répétabilité du processus de bridage des pièces dans le système de fixation ? La pièce sera-t-elle toujours placée au même endroit ?
• Réaliser une métrologie virtuelle pour comprendre l’impact sur la tolérance dimensionnelle : Quel est l’impact des études décrites ci-dessus concernant le plan de métrologie ou de contrôle dimensionnel ?

Solution de simulation optimisée par la métrologie

En combinant le matériel de métrologie, les logiciels, la simulation de processus et la gestion des données de qualité dans une solution cohérente, spécialement élaborée, les ingénieurs bénéficient d’un flux de travail rationalisé qui rend cette analyse avancée efficace et efficiente dans un contexte de production. Une solution intégrée relie plusieurs technologies individuelles pour soutenir le processus Smart Assembly Shop. Elle gère les données à travers les différentes étapes du processus, permettant une gestion efficace de grandes quantités de données de scan, de données de métrologie, d’informations d’assemblage et de résultats de simulation. La plateforme peut faire cela pour de nombreux composants tout au long du workflow. Les ingénieurs peuvent ainsi rapidement analyser les données et interpréter les résultats au lieu de passer du temps à essayer de faire fonctionner le logiciel.

Grâce à une solution intégrée, ils ont la capacité de repérer de manière efficace les éléments qui entraînent des comportements indésirables et de déterminer la méthode la plus efficace pour les restreindre. Les interfaces logicielles scriptées peuvent soutenir le plan d’expérience (DoE) automatisé à grande échelle et l’optimisation, permettant ainsi aux ingénieurs d’évaluer sans interaction humaine de nombreuses combinaisons potentielles de systèmes de serrage, de fixation, de séquences de soudage ainsi que de nombreuses autres données géométriques et de processus. Enfin, la solution intégrée permet à diverses parties prenantes ayant différentes fonctions dans l’organisation d’interagir avec des données de qualité virtuelles et physiques et de tirer des conclusions sur les facteurs de qualité dimensionnelle.

Conclusion

Le Smart Assembly Shop d’Hexagon intègre différentes technologies de pointe afin d’améliorer considérablement le processus de développement et de commercialisation des produits dans le secteur. Cette solution aide à réduire les boucles de développement des processus de conception et de fabrication en évaluant virtuellement le processus prototype. Ce faisant, elle diminue aussi considérablement les coûts et le temps nécessaire pour faire passer un projet du stade de la conception à celui du processus d’approbation de la production.