Les données

Les consommables sont au cœur du coupage plasma, mais leur organisation et la documentation de leur utilisation ont été ardues, et prédire leur durée de vie n'a pas été une science exacte. La technologie consommable riche en données vise à changer cela.

Note de l'éditeur : Ce qui suit est basé sur les « Nouvelles tendances en matière d'optimisation des consommables de coupage au plasma », présentées à FABTECH 2022 à Atlanta, par Soumya Mitra, chef d'équipe d'ingénierie, et Kristopher Rich, directeur du marketing, Hypertherm Associates.

Pour les fabricants, l'environnement des affaires n'a jamais été aussi difficile. Rien qu'en 2021, les prix de l'acier ont augmenté de 215 %. Les attentes des clients en matière de livraison ont augmenté tandis que la stabilité de la chaîne d'approvisionnement a diminué.

Pendant ce temps, la pénurie de main-d'œuvre qualifiée se poursuit sans relâche. En 2021, l'American Welding Society a signalé une pénurie de plus de 400 000 soudeurs qualifiés. Les personnes qualifiées sont difficiles à trouver et, lorsqu'elles sont embauchées, elles partent souvent rapidement. Oui, c'est parfois une réalité inévitable d'un marché du travail tendu, mais cela peut aussi arriver parce que des personnes qualifiées passent du temps à faire des choses qu'elles ne veulent pas faire : faire des heures supplémentaires pour rattraper le temps perdu après une panne de machine ; gérer des configurations incohérentes et d'autres erreurs de collègues non formés et désengagés. Le désagrément continue, il n'est donc pas étonnant qu'ils recherchent des pâturages plus verts.

Les clients continuent d'exiger des tolérances dimensionnelles serrées de la part des fabricants. Confrontées à une pénurie continue de soudeurs, les entreprises se tournent vers une plus grande automatisation du soudage, une technologie qui nécessite un ajustement serré, qui à son tour exige une coupe de précision.

Les fabricants ne peuvent pas non plus se permettre une utilisation excessive d'opérations secondaires telles que l'ébavurage et le meulage. Ils doivent rendre les environnements de travail plus propres, plus sûrs et plus ergonomiques. En plus de tout cela, ils veulent éviter tout temps d'arrêt imprévu.

En plus de tout cela, les applications spécialisées ont le vent en poupe. Sur le marché mécanisé du coupage plasma, environ 90 % des fabricants coupent avec des torches montées sur des tables XY standard. Mais un nombre croissant d'opérations envisagent la découpe en biseau, la découpe 3D, le gougeage et d'autres applications plasma spécialisées. Ceux-ci exigent des consommables spécialement conçus pour répondre aux besoins de différentes applications, et ceux-ci doivent être gérés efficacement.

Dans le domaine du coupage plasma, en effet, la part du lion des temps d'arrêt provient d'une seule source : les problèmes de gestion des consommables. Un opérateur les assemble de manière incorrecte, ne correspond pas aux pièces ou pousse les consommables au-delà de leur durée de vie utile. Dans les années à venir, cependant, les consommables pourraient aider l'efficacité du coupage plasma à atteindre de nouveaux sommets, non pas avec la force brute de la puissance de coupe, mais avec les données.

Une alimentation de coupage plasma est peut-être le cerveau, mais les consommables sont au cœur de l'opération. Ils sont incroyablement importants, et pourtant leur mauvaise application est aussi incroyablement courante. Un opérateur peut choisir le mauvais consommable pour le travail. Ou ils pourraient avoir la mauvaise "pile" de pièces consommables. Chaque torche peut avoir entre trois et sept pièces, et si elles ne correspondent pas ou ne sont pas assemblées correctement, la découpe au plasma peut mal tourner en un clin d'œil.

De tels problèmes ont diverses causes, la première étant l'organisation (voir Figure 1). Un tiroir de consommables mal organisé peut entraîner toutes sortes de problèmes, en particulier pour les opérateurs qui se précipitent pour mettre en place une tâche. Dans le pire des cas, un poste opérateur plasma peut n'avoir qu'un seau rempli de pièces consommables non étiquetées, certaines neuves, d'autres approchant ou même au-delà de leur durée de vie utile. L'inventaire est un gâchis, et des personnes qualifiées et bien payées finissent par perdre du temps à passer au crible les bacs, à choisir ce qui, selon eux, fonctionnera et à espérer le meilleur.

La découpe au plasma adapte et contrôle le mélange et le tourbillonnement du gaz ionisé. La façon dont ce gaz s'écoule façonne essentiellement l'arc de plasma. Des consommables incorrects, incompatibles, anciens ou endommagés perturbent le flux et produisent des pièces coupées sous-optimales.

FIGURE 1. Un tiroir de consommables mal organisé peut nuire à l'efficacité du coupage plasma.

Par exemple, un anneau de turbulence incorrect peut étouffer le flux de gaz, ce qui entraîne une pénétration incomplète ou une coupe si mauvaise qu'elle ruine la pièce. La mauvaise buse avec le mauvais diamètre d'alésage peut donner des résultats similaires. Le mauvais anneau tourbillonnant ou la mauvaise buse peut également provoquer une angularité ainsi que des scories (voir Figure 2). Différents anneaux tourbillonnants peuvent se ressembler, mais la taille et le nombre de leurs trous et la façon dont ils sont disposés comptent vraiment, tout comme la façon dont ils sont assemblés.

Chaque application a sa propre recette de débit de gaz. Un ensemble de consommables qui coupe 0,25 po. plaque est différente de l'ensemble de consommables nécessaire pour couper 0,5 ou 1 po. plaque. Certains d'entre eux sont communs, d'autres non. Ainsi, si un opérateur doit passer d'un 0,25-in. travail à un 1-in. travail, il devra échanger certaines pièces consommables mais garder les autres là où elles se trouvent dans la pile de consommables.

Imaginez ce scénario courant : un opérateur a besoin d'une pièce consommable pour exécuter un certain travail. Il fouille dans le tiroir en désordre et ne trouve pas ce dont il a besoin, mais il trouve un composant d'apparence similaire. Assez proche, pense-t-il, et claque ensemble la pile de consommables dans la torche. Parce que le remplacement des consommables est si ardu, certains opérateurs pourraient les éviter comme la peste et couper avec des consommables bien au-delà de leur durée de vie. Tous ces scénarios produisent des coupes médiocres qui nécessitent des retouches telles qu'un meulage excessif et une préparation des bords, ce que les fabricants ne peuvent vraiment pas se permettre de nos jours.

Bien sûr, il y a une raison pour laquelle l'organisation des consommables est un défi. De nombreuses opérations de découpe de plaques ont une vaste collection de pièces consommables, et plus elles utilisent de pièces, plus il devient difficile de rester organisé. De plus, les exigences de qualité des travaux varient, ce qui à son tour fait varier le choix des consommables. Un travail de coupe de précision peut nécessiter des consommables neufs, tandis qu'un travail avec des exigences lâches peut être en mesure de tirer un peu plus de vie des consommables plus anciens. C'est pourquoi un tiroir de consommables peut contenir des consommables neufs et anciens. Les pièces les plus anciennes devront peut-être être jetées bientôt, et certaines auraient probablement dû être jetées il y a longtemps.

Tout cela crée un scénario où la qualité de coupe dépend de l'expérience d'un opérateur dans cet environnement. Un opérateur expérimenté (souvent du premier quart de travail) sait quelles pièces consommables fonctionnent bien et quand ; il pourrait savoir comment "lire" une buse ou un bouclier et dire s'il est proche de la fin de sa vie. Il passera peut-être quelques minutes à fouiller dans le tiroir, mais il a fouillé dans ce même tiroir pendant des années, alors il connaît son chemin. Avance rapide vers le deuxième ou le troisième quart de travail, cependant, et le scénario change. Les nouveaux opérateurs fouillent, font de leur mieux, mais peuvent finir par ne pas correspondre aux consommables ou choisir complètement le mauvais consommable.

Pire encore, les problèmes de consommables peuvent n'être qu'une des causes profondes des problèmes de qualité de coupe. Par exemple, si une pièce présente des scories excessives, un ampérage incorrect (comme lorsque vous coupez à 130 ampères alors que vous devriez couper à 200 ampères) pourrait être un facteur contributif. Et comme la découpe au plasma peut dépendre de la réaction du gaz ionisé (l'oxygène réagissant avec le fer dans l'acier au carbone, par exemple), le choix du gaz est également important. Dans l'ensemble, la découpe au plasma implique l'interaction d'une myriade de variables, et plus ces variables sont cohérentes et reproductibles, mieux c'est.

Comme première étape fondamentale, les magasins peuvent organiser leurs consommables, puis normaliser et documenter le processus de sélection (voir Figure 3). Ils peuvent également former les opérateurs à inspecter les consommables et documenter ce qu'ils voient.

La buse et l'électrode doivent être changées fréquemment car elles s'usent plus tôt que les autres composants. Ainsi, les opérateurs inspectent généralement les autres composants, y compris les écrans et les anneaux tourbillonnaires, et les remplacent si leur état le justifie. Idéalement, les meilleures pratiques et l'utilisation des consommables doivent être documentées.

Dans une prochaine étape, certaines opérations choisissent d'éliminer la collecte de pièces consommables et de les remplacer toutes par un système de consommables à cartouche. Chaque cartouche comprend diverses pièces et pièces qui entrent dans une torche à plasma traditionnelle (voir les figures 4 et 5). Lorsque l'opérateur doit passer à un nouvel ampérage, il remplace le consommable de la torche par une cartouche conçue pour gérer cet ampérage. Les composants de cette cartouche, alignés en usine, sont conçus pour s'user à un rythme similaire. L'utilisation de la cartouche entraîne une opération qui n'a pas de mélange d'anciennes et de nouvelles pièces consommables, et par conséquent, la qualité de coupe s'améliore.

Quoi qu'il en soit, quels que soient les consommables utilisés par un magasin, qu'ils soient traditionnels ou à base de cartouches, il a besoin de procédures concernant l'inspection, l'organisation et le remplacement des consommables. Ces procédures servent de référence pour la formation des opérateurs et la planification de la production. Si tout le monde, sur plusieurs quarts de travail, connaît les bases du coupage plasma, quels consommables vont avec quoi et quand il est temps de remplacer les composants usés, les temps d'arrêt imprévus dans le coupage plasma ne manqueront pas de chuter.

FIGURE 2. Une coupe avec des scories et des lignes de traînée incohérentes révèle des problèmes de débit de gaz, probablement liés à des consommables usés ou incompatibles, comme des anneaux de turbulence.

Cependant, pour s'améliorer davantage, l'industrie se heurte à une sorte de barrage technologique. Pour comprendre pourquoi, pensez à deux scénarios impliquant la découpe au plasma sur une table XY conventionnelle. Dans le premier scénario, un opérateur peut viser à extraire le dernier morceau de vie des consommables. Après tout, les opérateurs peuvent observer les problèmes au fur et à mesure qu'ils surviennent et s'adapter pour compenser.

À l'inverse, une opération de coupage plasma hautement automatisée pourrait changer les consommables très fréquemment, bien avant que les pièces consommables n'aient atteint leur fin de vie. Le coût des erreurs et des rebuts est élevé, c'est pourquoi l'entreprise décide effectivement d'absorber le coût supplémentaire des consommables.

Les deux stratégies peuvent fonctionner, mais elles sont également imprécises. Un opérateur peut prolonger la durée de vie de certaines pièces consommables et se retrouver avec des arêtes de coupe médiocres. Pire encore, des arêtes de mauvaise qualité suivies d'un meulage excessif pourraient devenir "cuites" dans l'opération, sans que personne ne pense qu'il pourrait y avoir une meilleure solution. Inversement, lorsque les opérations remplacent trop fréquemment les composants de la torche, elles dépensent plus en consommables et effectuent souvent plus de changements que nécessaire.

Les opérateurs font de leur mieux avec la technologie qui leur est donnée. Après tout, ils ne reçoivent aucune information en temps réel de la torche elle-même. Des opérateurs expérimentés observent l'arc, écoutent le sifflement aigu du plasma pour déterminer son état de santé et surveillent le fonctionnement sur le contrôleur. Lorsque la hauteur du sifflet change, ils peuvent deviner que l'alésage de la buse s'érode. Bien sûr, ils ne le savent pas tant qu'ils n'ont pas arrêté le système et inspecté les consommables. Le pire, tout cela est réactif. Le problème est déjà arrivé.

Cela commence à changer, cependant. Certaines des avancées les plus récentes en matière de coupage plasma intègrent des capteurs directement dans la cartouche consommable de la torche. À l'heure actuelle, la technologie est utilisée sur le marché de l'industrie légère, principalement pour configurer le système de coupe pour différentes applications. Dans ce segment, un atelier peut avoir besoin de consommables conçus pour la coupe manuelle, la coupe mécanisée et même le gougeage. Les cartouches sont codées par couleur en fonction de l'application (voir Figure 6) pour aider les opérateurs à faire la bonne sélection. La cartouche a un chipset qui peut communiquer directement avec le contrôle du système. Cela signifie que le système plasma s'installe efficacement en fonction de sa cartouche consommable.

La puce du consommable enregistre également des données sur chaque travail qu'il effectue. Les informations contenues dans les cartouches peuvent être lues à l'aide d'un smartphone via une application. Ainsi, lorsque les opérateurs ou les techniciens scannent les données sur la cartouche, ils peuvent voir quand, où et comment ce consommable a été utilisé. Ils peuvent voir les détails, y compris la pression des informations de configuration du système et les paramètres actuels ; à quels systèmes plasma les consommables étaient-ils connectés ; informations d'utilisation ; combien de coupes il a effectuées et les heures d'arc de transfert ; et combien d'arcs de transfert ont été initiés et sont entrés en contact avec la pièce. Les données révèlent également la fréquence à laquelle le système est entré en mode pilote, où le plasma forme un arc à l'intérieur du consommable avant d'être transféré à la surface de la pièce. Plus il y a de "pilotage", plus la durée de vie des consommables est susceptible d'être courte.

La technologie de puce à la torche amplifie la protection contre les erreurs (jeu de mots). Lorsque la cartouche consommable et la commande du système plasma communiquent, elles sont sur la même page. Lorsqu'il y a un décalage entre les paramètres du système plasma et le consommable, le système alerte l'opérateur, qui peut alors décider comment procéder.

Les cartouches consommables intégrées à la puce facilitent également le dépannage car elles peuvent enregistrer les codes d'erreur et d'autres paramètres de fonctionnement. Considérez une application de coupe où certains consommables durent trois heures tandis que d'autres durent six heures. L'opérateur scanne la cartouche via un smartphone sur les deux consommables et extrait l'historique de chacun. En comparant les données, ainsi que d'autres données opérationnelles que le processus peut capturer, l'entreprise découvre que le consommable avec la durée de vie la plus courte avait un réglage de débit d'air inférieur. Ainsi, ils ajustent le débit d'air - problème résolu.

Dans de telles situations, les données pourraient aider à identifier les lacunes dans la formation. Les données de puce de cartouche peuvent être liées à des opérateurs spécifiques. Si les consommables d'un opérateur tombent en panne prématurément, ils l'utilisent pour identifier le problème et diffuser les meilleures pratiques de coupage plasma dans toute l'entreprise, à travers tous les quarts de travail.

La corrélation des données aide également à révéler les sources d'incohérences entre les opérations et entre les quarts de travail. Par exemple, les ateliers constatent souvent que les systèmes de coupage au plasma du deuxième ou du troisième quart fonctionnent à des pressions de gaz plus élevées que les systèmes du premier quart. Pourquoi? Moins de systèmes fonctionnent sur le deuxième et le troisième quart de travail. Le même compresseur desservant plusieurs machines ne peut pas suivre les débits requis lors du premier quart de travail, ce qui entraîne des conditions de basse pression (et sous-optimales). Souvent, ces variations restent cachées et les opérateurs font simplement de leur mieux pour s'adapter. Grâce aux données, une opération au plasma peut rendre le débit de gaz constant tout au long des quarts de travail, rendre la coupe plus reproductible et améliorer la qualité globale.

FIGURE 3. Un tiroir de consommables bien organisé contient des consommables regroupés par type, application et durée de vie restante. Les consommables neufs ne tombent pas au hasard à côté de consommables usagés en fin de vie.

Les données aident un magasin à prendre de meilleures décisions. Pour le futur fabricant de plaques, un système plasma riche en données pourrait voir un travail de découpe de précision dans la file d'attente, puis signaler le personnel pour leur faire savoir que les consommables actuels ont de bonnes chances de ne pas répondre à ces exigences de qualité de coupe.

Avec cette information, l'opérateur changerait les consommables avant de couper le travail. Alternativement, il pourrait modifier la séquence de travail en utilisant les consommables actuels pour s'attaquer à un nid où l'angularité et d'autres variables de coupe ne sont pas aussi critiques. Une fois cela terminé, il pourrait changer les consommables et commencer le travail de découpe de précision. De telles données pourraient même influencer la façon dont une entreprise imbrique des pièces, planifie ses travaux ou même cite son travail.

Notez que tout cela représente un potentiel futur, pas l'état actuel. Certes, le coupage plasma riche en données n'en est qu'à ses balbutiements, mais son potentiel est indéniable. Une fois que la collecte de données aura proliféré et que l'ensemble de données aura augmenté, la découpe au plasma dans son ensemble deviendra plus intelligente - idéalement, sans plus d'opérateurs frustrés passant au crible un seau de consommables, saisissant un anneau ou une buse tourbillonnante, les assemblant frénétiquement dans la torche, allumant le système et espérant simplement le meilleur.