Un fabricant de paliers répond à des exigences de précision strictes tout en améliorant sa productivité

Soutenir la mobilité

Depuis des siècles, l’humanité s’efforce d’améliorer la mobilité des personnes et des matériaux en réduisant les frottements entre les pièces mobiles. Les créateurs des pyramides et de Stonehenge étaient capables de déplacer des structures massives en plaçant des rouleaux cylindriques en bois sous de grands poids, afin de réduire le coefficient de friction et la force nécessaire à leur déplacement. Ces merveilles du monde ont été possibles grâce à quelques-unes des premières applications de paliers connues.

Les paliers modernes, à bagues et à billes, ont été documentés pour la première fois au XVe siècle par Léonard de Vinci pour son modèle d’hélicoptère. Depuis lors, la conception, la mobilité et la précision des paliers ont connu une évolution spectaculaire dans de nombreux domaines d’application. Dans les industries des semi-conducteurs et des dispositifs médicaux, la miniaturisation et la complexité croissante des produits ont révolutionné les systèmes de mouvement et leurs composants. La précision et l’exactitude des systèmes de mouvement dépendent fortement des ensembles de paliers et de la façon dont ils sont intégrés dans les systèmes. Precisie Metaal Bearings (PM-Bearings) est l’un des rares fabricants au monde à fournir des paliers linéaires de haute précision.

Un leader de la fabrication de paliers de précision

PM-Bearings est spécialisé dans la conception et la fabrication de paliers linéaires de haute précision, de systèmes de mouvement et d’étapes de positionnement, et fournit les industries des semi-conducteurs, des dispositifs médicaux et des machines-outils haut de gamme. L’entreprise a été fondée en 1966 en tant que fabricant de paliers linéaires et s’est développée pour inclure la conception, la fabrication et l’assemblage d’étapes de positionnement multi-axes sur mesure, avec une intégration mécatronique complète. Située aux Pays-Bas, à Dedemsvaart, l’entreprise emploie 140 personnes et approvisionne des clients dans le monde entier. Les produits de l’entreprise vont de très petits paliers (10 millimètres de longueur) à des systèmes d’une empreinte de 1,2 à 1,5 mètre carré, avec des longueurs de course d’un mètre. Le portefeuille inclut des composants de mouvement linéaire, notamment des glissières de précision, des tables de positionnement et des paliers. PM-Bearings fait partie du groupe PM, au même titre que d’autres entreprises spécialisées dans l’usinage haute technologie. Sa clientèle mondiale s’étend de la Silicon Valley à Shenzhen.

Axé sur les besoins des clients

La diversité des besoins des clients présente un certain nombre de défis pour le fabricant de paliers de précision. Il s’agit notamment de demandes de personnalisation (jusqu’à 80 % de la conception de systèmes, dans la plupart des cas), de délais de mise sur le marché courts et d’une précision extrême (par exemple, un mouvement fluide de deux microns par mètre). En outre, il existe des exigences en matière de réduction des tailles de paliers et de matériaux exotiques, notamment les céramiques utilisées dans des environnements non magnétiques ou à très haut vide.

« Lorsque le client soumet un cahier des charges, il arrive souvent que la date limite soit théoriquement passée », explique Jan Willem Ridderinkhof, responsable de la recherche et du développement (R&D) et de l’ingénierie chez PM-Bearings. « De simples modifications, comme le déplacement d’un trou, peuvent être mises en œuvre en quelques opérations. Mais de plus en plus, les clients présentent une spécification de système entièrement nouvelle. La tendance dans l’industrie des semi-conducteurs à fabriquer des puces de plus en plus petites rend notre tâche plus ardue ».

« Sur l’une des machines d’inspection de plaquettes avec un système à 5 axes, nous avions une spécification pour un temps de stabilisation de 500 millisecondes et des vibrations de 50 nanomètres, tout en effectuant un déplacement linéaire », poursuit Ridderinkhof. « Ces exigences de précision extrême ont de fortes répercussions sur notre modèle d’activité. Nous évoluons d’un statut de fournisseur de paliers de précision vers celui d’intégrateur de systèmes de mouvement totalement intégré ».

Pour conserver un avantage concurrentiel, PM-Bearings savait qu’un contrôle complet de la réalisation du produit, de la conception à la livraison, était essentiel. C’est pourquoi l’entreprise a choisi un ensemble complet de solutions du spécialiste de la gestion du cycle de vie des produits (PLM), Siemens Digital Industries Software. Il s’agit notamment des logiciels NX™ pour la conception assistée par ordinateur (CAO), Simcenter™ pour la prévision des performances, NX FAO pour la fabrication assistée par ordinateur et Teamcenter® pour la PLM, afin de s’assurer que toutes les parties prenantes utilisent les mêmes données et les mêmes méthodes de travail pour prendre les bonnes décisions. PM-Bearings utilise ces solutions depuis plus de dix ans, avec le soutien du revendeur de logiciels Siemens Digital Industries Software, cards PLM Solutions. « Avoir un contact local nous est très utile », explique Ridderinkhof. « Ils ont fait un excellent travail en déployant et en personnalisant Teamcenter. Pour Simcenter également, ils entretiennent des contacts avec les experts en logiciels de Siemens Digital Industries Software ».

« Chez cards PLM Solutions, notre objectif est de permettre aux clients de fabriquer les meilleurs produits possibles », déclare Erik Burghoorn, PDG de cards PLM Solutions. « Nous utilisons notre expertise pour aider les entreprises à mettre en œuvre des solutions logicielles qui incluent les meilleures pratiques pour répondre à leurs besoins. cards PLM Solutions permet à des entreprises comme PM-Bearings d’accroître leur efficacité en numérisant leurs processus de production ».

Concrétiser les idées avec NX

Le palier à mouvement linéaire roule-t-il ou glisse-t-il ? Le mouvement de glissement sera-t-il strictement linéaire ou circulaire ? La force motrice de la glissière est-elle motorisée ou non ? Quel matériau (métallique ou céramique) est le mieux adapté à l’état de fonctionnement du palier ? Walter Meijerink, ingénieur en mécatronique chez PM-Bearings, prend chaque jour de telles décisions en connaissance de cause lorsqu’il utilise NX pour concevoir des glissières linéaires et des systèmes de positionnement, en tenant compte des spécifications de précision, de répétabilité, de charge et de l’environnement de fonctionnement. « Je suis chargé de transformer les exigences des clients en dessins définitifs », explique Meijerink. « NX CAO m’aide à développer des idées de conception rapidement et efficacement ».

Au lieu de classer les pièces par codes alphanumériques, la fonctionnalité de famille de pièces de Teamcenter permet à PM-Bearings de classer les pièces en fonction de critères prédéfinis. Elle permet d’intégrer les variations de pièces autorisées et de transmettre des mesures et des normes de conception définies. Par exemple, des pièces similaires de longueurs différentes peuvent être regroupées sous une même famille de pièces. « La famille de pièces est une fonctionnalité utile », affirme Meijerink. « Je peux rapidement assembler différentes pièces, ce qui me fait gagner un temps considérable ». Le modèle complet peut être facilement partagé avec les analystes de conception et les ingénieurs FAO, ce qui accélère et écourte le processus de développement produits. « Une autre fonctionnalité clé de NX CAO, qui est importante pour mon travail, est la capacité à lire les données de conception provenant de clients utilisant différentes plates-formes de CAO », ajoute Meijerink.

Accélérer les itérations d’analyse

« La plate-forme intégrée NX CAO et Simcenter 3D IAO nous aide à accélérer nos tâches quotidiennes », déclare Mathys te Wierik, ingénieur R&D chez PM-Bearings. « Une fois les conceptions terminées, il faut analyser leur rigidité et leurs performances. Simcenter excelle dans ce domaine. Je peux facilement préparer la géométrie pour la simulation ; si nécessaire, introduire une simplification de la géométrie, comme le surfaçage intermédiaire, le mailler, soumettre la tâche au solveur NX Nastran et analyser les résultats calculés ».

« Si nécessaire, je peux effectuer des modifications géométriques, comme le déplacement des nervures de renforcement à la volée, directement dans Simcenter », ajoute te Wierik. « Comme toutes les pièces associées sont mises à jour automatiquement, je peux le résoudre et comparer les analyses, ce qui représente un gain de temps considérable. Après quelques itérations de conception et d’analyse, la conception validée est envoyée directement à l’ingénieur FAO, sans exportation de données dans un format différent  ».

« Dans le passé, nous avons externalisé le calcul par éléments finis », affirme te Wierik. « Il nous a fallu deux semaines pour obtenir des résultats. Désormais grâce à Simcenter, nous pouvons obtenir ces mêmes résultats en quelques minutes ou heures », selon la complexité de l’analyse. Cela accélère beaucoup de choses. Faire de la simulation en interne fournit de nombreuses informations sur notre produit ».

Précision du nanomètre

Avec des exigences extrêmes de précision dimensionnelle et de minimisation de l’amplitude des vibrations jusqu’au nanomètre, PM-Bearings est confronté à des défis de fabrication uniques. La précision, qui dépend largement du processus d’usinage, affecte les performances et l’esthétique des produits. L’usinage efficace de pièces mobiles précises à partir de conceptions 3D nécessite des instructions de fabrication exactes pour les personnes et les machines dans l’atelier. Avec ses capacités intégrées de CAO, de programmation de commande numérique (CN) et de simulation d’usinage, NX FAO permet à PM-Bearings de définir un plan de fabrication complet, bien avant le premier cycle de production.

Kenny Prins, ingénieur en fabrication assistée par ordinateur (FAO) responsable de la planification et du contrôle de la production chez PM-Bearings, sait par expérience que pour mettre en place la production du premier coup, il faut la planifier numériquement. « Au début, l’intégralité de la programmation était effectuée au niveau de la machine », explique Prins. « Pour chaque changement, nous devions vérifier et modifier l’ensemble du programme, ce qui nécessitait un temps considérable et occasionnait des erreurs. Le temps d’arrêt du personnel et des machines-outils de l’atelier qui en résulte nous coûte beaucoup de temps et d’argent. « Désormais avec NX FAO, nous pouvons réduire jusqu’à 80 % le temps de programmation en utilisant un jumeau numérique de la pièce en cours de fabrication, de l’outillage et de la machine, ce qui nous permet de rester compétitifs ».

Comme de nombreuses entreprises de fabrication, PM-Bearings doit fraiser, tourner et finir plus rapidement des produits de qualité supérieure, tout en prolongeant la durée de vie de l’outil. « Lorsque je reçois un modèle à produire de l’équipe de conception, je m’assure d’abord que nos outils et nos machines peuvent traiter la tâche », explique Prins. « Une vérification rapide des opérations dans le logiciel NX FAO indique si la machine physique et l’outillage peuvent rencontrer des problèmes de manipulation de la pièce conçue. Il s’agit d’une fonctionnalité très puissante qui nous aide à éliminer facilement tout éventuel problème de fabrication dès le début du processus de planification. Lorsque nous identifions un problème de fabricabilité, nous travaillons avec l’équipe de conception pour modifier la conception. Nos équipes s’appuient sur le logiciel Teamcenter pour la collaboration et le partage des données. Grâce à ce processus en boucle fermée, la modification de la conception se propage automatiquement aux étapes d’analyse et de planification, jusqu’à la fabrication en atelier ».

« J’utilise également tous les jours les stratégies d’usinage flexibles de NX FAO », poursuit Prins. « Toutes les coupes d’usinage ne sont pas égales. La précision de la pièce finale est directement liée à la contrainte induite par les opérations de découpe. Les stratégies d’usinage sont différentes lorsqu’il s’agit de fraiser un grand bloc de métal ou de petites pièces de cinq millimètres d’épaisseur. Le logiciel propose automatiquement une trajectoire d’outils pour éliminer le matériau, mais il nous donne également la possibilité d’utiliser notre savoir-faire pour ajuster la stratégie d’usinage afin d’obtenir les meilleurs résultats. En conservant et en réutilisant notre expérience, nous appliquons des processus d’usinage efficaces pour obtenir une excellente qualité des pièces, tout en prolongeant la durée de vie des outils ».

Précision par la numérisation

« Le partage de modèles 3D et l’accès aux informations les plus récentes sont les plus grands atouts de Teamcenter », déclare Ridderinkhof. « Le format JT permet la visualisation des modèles, non seulement pour l’équipe de FAO, mais également pour le reste de l’entreprise, y compris le personnel de planification de la fabrication et le personnel de l’atelier. Tout le monde bénéficie de la possibilité de visualisation de ces modèles, de faire pivoter ces derniers, de l’affichage des composants masqués et du mode de construction de la structure ; même les ingénieurs dans l’assemblage utilisent ces informations. Elles concernent toutes les parties prenantes, de l’équipe commerciale présentant les produits aux clients, à la formation du personnel en interne sur la façon de construire les objets. Les attributs associés aux éléments, tels que le nom du fournisseur et le numéro de pièce, sont utilisés pour générer automatiquement la nomenclature dans le système ERP, ce qui étend notre processus de numérisation des produits au service des achats et réduit les éventuelles erreurs humaines ».

« Nous nous engageons à demeurer une entreprise d’usinage de précision haut de gamme. Nous devons donc garder une longueur d’avance sur la concurrence », poursuit Ridderinkhof. « Pour continuer à fournir les glissières de palier et de positionnement de haute précision, nous avons numérisé l’ensemble de notre processus d’ingénierie et de fabrication à l’aide des solutions logicielles de Siemens Digital Industries Software. Plus nous consacrons de temps au logiciel au début du processus de production, meilleur est le rendement de fabrication de notre entreprise. L’efficacité globale de l’entreprise augmente. Nous pouvons livrer une gamme de paliers en moins de temps, tout en éliminant les défaillances et en améliorant la qualité, ce qui se traduit par une meilleure rentabilité ».