Un fabricant améliore la productivité de son tissage de 15 % grâce à la solution et aux services de Siemens Digital Industries Software

Améliorer la productivité

Picanol est un fabricant de machines à tisser de premier plan qui a collaboré avec Siemens Digital Industries Software pour améliorer la productivité de ses machines à tisser à pince nouvelle génération. Les services d'ingénierie de Simcenter et le portefeuille Simcenter ont également été utilisés pour optimiser le nouveau mécanisme d'entraînement de la rapière de la prochaine machine à tisser à rapière de Picanol.

Simcenter Engineering a utilisé des évaluations dynamiques dans la solution de simulation de mouvement du portefeuille Simcenter pour permettre à Picanol de réduire les forces de crête internes, d'éviter l'usure des roulements, de diminuer le poids des pièces oscillantes et de prolonger la durée de vie en fatigue des pièces clés. Cela a permis à Picanol d'accélérer considérablement le mouvement de la rapière lorsqu'elle se déplace à travers les fils de chaîne, ce qui s'est traduit par une productivité de tissage 15 % supérieure.

Développer des équipements de qualité

Les ateliers de tissage industriels fonctionnant avec des centaines de métiers à tisser Picanol 24 h/24 fournissent une part significative de la production mondiale quotidienne de tissu. Picanol est un fabricant leader de machines de tissage et possède actuellement plus de 110 000 d'entre elles en fonctionnement, avec environ 2 600 clients à travers le monde. Les grands et petits fabricants de tissus utilisent les équipements de tissage Picanol pour créer efficacement des tissus de qualité supérieure, avec peu d'interruptions et des changements faciles pour maintenir une productivité élevée.

Les goûts et les préférences en matière de mode changent fréquemment, de sorte que les fabricants exigent une flexibilité maximale. Pour répondre efficacement à l'évolution rapide des besoins de tissage, les machines à tisser à rapière Picanol sont conçues pour traiter de manière flexible de petites séries, différents styles, des motifs colorés et divers tissus, notamment le coton, le voile, le crêpe, la laine, le verre et la fibre d'aramide DuPont™ Kevlar®.

"En fin de compte, tout est une question d'argent", explique Kristof Roelstraete, directeur du développement des machines à tisser à rapière chez Picanol. "Plus un seul tisserand peut manipuler de machines, plus le coût global de possession pour le fabricant de tissus est faible. Notre stratégie est de développer des équipements de qualité qui se caractérisent par une qualité de tissage et une fiabilité opérationnelle élevées, se traduisant par des tissus haut de gamme et des arrêts de tissage rares."

"De plus, la conception modulaire et la commande électronique des machines à tisser à rapière permettent des procédures de changement simples lorsque la machine à tisser est configuré pour un nouvel article. Afin de maintenir la productivité et la flexibilité de nos machines à tisser à rapièère, nous avons développé et introduit un certain nombre d'avancées techniques révolutionnaires. C'est le cas, par exemple, du moteur Sumo à entraînement direct, qui est contrôlé électroniquement, s'arrête ou ralentit immédiatement si nécessaire et réduit la consommation d'énergie globale de 10 %."

Tirer parti d'un partenariat stratégique

Picanol s'est associé à Siemens Digital Industries Software pour étudier les performances de rayonnement sonore des machines à tisser à rapière. Picanol et Simcenter Engineering ont pu analyser les différentes sources de bruit opérationnel par le biais d'une analyse modale opérationnelle, d'une analyse des mouvements opérationnels et de la déflexion, ainsi que de mesures de l'intensité acoustique et du rayonnement sonore.

Les mesures ont confirmé que le rayonnement sonore maximal se produisait autour de 1 200 Hertz, une fréquence qui perturbe les conversations dans la zone entourant la machine à tisser. Il a été entendu que la nature du bruit excessif à cette fréquence était d'origine purement cinématique et qu'il coïncidait avec le bruit généré par le contact des roues dentées. Les tests ont également indiqué qu'en cours de fonctionnement, l'alignement et la prétension des roulements avaient tendance à évoluer défavorablement.

"Avec le développement du successeur du GamMax, Picanol a décidé de coopérer avec Siemens Digital Industries Software", explique M. Roelstraete. "Les efforts d'ingénierie conjoints déployés au début du développement nous ont permis d'augmenter la productivité de nos machines à tisser, tout en maintenant le bruit et les vibrations à des niveaux acceptables. Un assemblage clé à cet égard est le mécanisme d'entraînement de la rapière de pointe, qui a considérablement augmenté la vitesse de fonctionnement et, par conséquent, a considérablement augmenté le rayonnement sonore. Le mouvement circulaire de ce mécanisme entraîne le mouvement linéaire bidirectionnel de la rapière, un composant dédié qui transporte le fil dans le sens de la longueur à travers les fils tendus dans le sens transversal du tissu à tisser."

"Simcenter Engineering a affiné la conception du mécanisme d'entraînement de la rapière et a réussi à réduire considérablement le rayonnement sonore. Cela représentait un défi technique majeur, car les machines industrielles à tisser à rapière actuelles déplacent sans relâche la rapière d'avant en arrière jusqu'à 25 000 fois par heure. Les accélérations stupéfiantes de la rapière impliquées dans le processus de tissage dépassent même l'accélération du piston du moteur des voitures de course de Formule 1 !"

Améliorer les performances grâce à la simulation

Les forces extrêmes résultant de ce mouvement à grande vitesse exercent une forte pression sur l'ensemble du mécanisme d'entraînement de la rapière. Simcenter Engineering a modélisé l'assemblage du pilote de la rapière et a simultanément optimisé les caractéristiques de performance du sous-système dans le but de réduire le poids de l'assemblage, d'empêcher l'usure des composants, d'éliminer les effets de fatigue et de réduire le rayonnement acoustique.

Dans la nouvelle conception d'assemblage de rapière compacte de Picanol, la roue motrice applique un mouvement circulaire à sa connexion avec un élément de fourche. Cet élément de fourche contient une pièce de membre transversal qui est limitée à pivoter dans un plan fixe. Grâce au mouvement oscillant de l'élément de fourche, la traverse (et la roue de la rapière) pivote dans le sens des aiguilles d'une montre et dans le sens inverse des aiguilles d'une montre, poussant et tirant finalement la rapière à travers des filetages transversaux à grande vitesse.

Pour réduire les forces dynamiques agressives impliquées, les ingénieurs ont appliqué une modélisation rigide pour relocaliser le centre de gravité des pièces d'assemblage mobiles. Ces actions comprenaient les modifications de position, de taille, de forme et de poids des pièces.

Les pièces de l'assemblage du pilote de la rapière se déforment légèrement pendant le fonctionnement, de sorte qu'un modèle multi-corps dynamique de l'ensemble du mécanisme de pilote de la rapière a été créé. En modélisant les composants clés sous forme de corps flexibles à l'aide de l'analyse par éléments finis (FEA), les effets de déviation et de résonance ont été automatiquement pris en compte lors de la simulation des cas de charge dynamiques de l'assemblage.

Pendant le fonctionnement, la déflexion des pièces modifiait légèrement l'emplacement et l'orientation des roulements, ce qui introduisait un léger désalignement et des forces de palier axial. La réalisation de simulations à l'aide de la solution cinématique du portefeuille Simcenter a permis à Picanol d'établir des performances optimales des roulements.

La solution de simulation cinématique du portefeuille Simcenter a fourni la base pour réaliser des améliorations significatives en matière de durabilité, de bruit et de vibrations. Cet objectif a été atteint en augmentant la rigidité des paliers et des boîtiers, en améliorant l'alignement des roulements et en appliquant une précontrainte appropriée. Les simulations de mouvement dynamique ont également aidé Picanol à réduire les forces des roulements radiaux en réduisant davantage le poids des pièces mobiles et oscillantes.

La solution de simulation cinématique du portefeuille Simcenter a permis de réduire les forces de palier radial grâce à une réduction supplémentaire du poids des pièces mobiles et oscillantes.

Prolonger la durée de vie en fatigue

Picanol a utilisé des simulations générées à l'aide de la solution de mouvement du portefeuille Simcenter pour évaluer la durée de vie en fatigue des pièces du pilote de la rapière. À partir de charges internes dynamiques simulées, les ingénieurs ont pu récupérer les valeurs de contrainte locales maximales pour chaque composant modélisé par éléments finis. Des points chauds de durabilité ont été identifiés pour les emplacements confrontés à des variations de contrainte proches ou supérieures à la limite d'endurance spécifique au matériau. Pour prolonger la durée de vie des composants clés, les trous fonctionnels de ces pièces nécessitaient un repositionnement et un redimensionnement. Il est essentiel de maintenir des normes de durabilité élevées afin que les machines à tisser fonctionnent pratiquement sans interruption pendant une période de 7 à 10 ans sans que les pièces ne tombent en panne en raison d'une durée de vie insuffisante en fatigue.

Une autre caractéristique de performance importante est le bruit émis par les machines à tisser. L'une des principales sources de bruit est la transmission à crémaillère utilisée dans le cadre de l'assemblage de l'entraînement à rapière. La crémaillère dentée sur la roue de la rapière pivotante entraîne le mouvement linéaire de la rapière. Chaque fois que la rapière inverse la direction, la tolérance entre les dents de la crémaillère entraîne une excitation par choc, qui est caractérisée par une bande passante à haute fréquence. L'excitation parcourt systématiquement les roulements et initie des vibrations dans la structure du boîtier, qui à son tour émet du bruit.

Pour résoudre ce problème, Picanol a créé un modèle multicorps dédié dans une solution de mouvement de simulation à partir du portefeuille Simcenter, qui prend en compte la tolérance des engrenages et des crémaillères, ainsi que la rigidité variable du contact des dents adhérant dynamiquement les unes aux autres. Cela a permis à Picanol de dériver les charges dynamiques des paliers grâce à une simulation multicorps et de les appliquer au modèle par éléments finis du boîtier. Ensuite, la valeur moyenne des vibrations de surface résultantes a été prise comme mesure du bruit rayonné. Comme l'indiquent les résultats de la simulation, Picanol a réduit le rayonnement sonore en augmentant l'amortissement de la structure du boîtier et en utilisant des engrenages plus coûteux produits avec des tolérances plus petites et des techniques de finition des dents de meilleure qualité.

Des points chauds de durabilité ont été identifiés pour les endroits confrontés à des variations de contrainte qui respectaient ou dépassaient les limites d'endurance spécifiques au matériau.

Faciliter des améliorations significatives

"La combinaison d'une simulation virtuelle réaliste et d'un savoir-faire en matière de tests approfondis fait une grande différence dans la conception de meilleures machines à tisser", déclare M. Roelstraete. "Dans le processus de développement continu, l'excellence technique nous a permis d'augmenter de 15 % la productivité de nos machines à tisser à rapière de nouvelle génération. Cette amélioration des performances a été obtenue grâce à une vitesse de machine plus élevée et à des temps d'arrêt réduits, à la possibilité de tisser un nombre plus important de textiles, à une plus grande flexibilité dans le passage d'un article à l'autre et à des coûts de tissage réduits."

"Nous apprécions beaucoup la contribution de Siemens Digital Industries Software. Des tests avancés ont montré avec précision comment les performances de la machine pouvaient encore être améliorées, et la simulation précoce du processus a optimisé le fonctionnement réel de notre nouveau mécanisme d'entraînement de la rapière.

"La solution de simulation de mouvement du portefeuille de Simcenter a fourni la base pour réaliser des améliorations significatives en termes de durabilité, de bruit et de vibrations. Par conséquent, nous avons supprimé au moins une étape d'itération complète du prototype, ce qui a réduit à la fois la durée de développement et les dépenses."