De quelle puissance de découpe laser un fabricant de métaux a-t-il besoin ?

La fibre puissance de découpe laser La course au laser est de retour. C'est ce qui s'est produit avec les machines à CO2 dans les années 1990 et 2000, et c'est à nouveau le cas aujourd'hui avec les lasers à fibre. Il y a une place pour les systèmes ultra-puissants d'aujourd'hui, mais les puissances plus faibles ont aussi leur place. Alors, quelle puissance laser convient à votre activité ?

Vous pouvez commencer par vous pencher sur l’épaisseur du matériau, la nuance et les géométries des pièces que vous découpez. Mais avant de vous lancer dans les détails, prenez du recul et regardez la situation dans son ensemble. Considérez votre entreprise dans son ensemble en fonction de quatre domaines : ses clients, ses ressources, ses capacités et ses coûts d’exploitation. Le premier domaine, la composition de la clientèle, détermine l’orientation des trois autres, mais tous les quatre peuvent influencer le type de laser à fibre qui conviendra le mieux à votre entreprise.

Aspects à prendre en compte lors du choix de la puissance de découpe laser

Clients

La composition de la clientèle d'un atelier façonne son modèle économique, qui, dans la fabrication de métaux, se divise généralement en un ou plusieurs de ces trois domaines : fabricant d'équipement d'origine (OEM, ou fabricant de gammes de produits), fabrication sous contrat et atelier de fabrication.

Les fabricants d'équipement d'origine développent des processus internes en fonction des besoins de leurs produits. L'équipement est adapté et la production est réglée et programmée à un rythme qui produit un rendement régulier et prévisible avec le moins de gaspillage possible. La demande de produits dicte le rythme de production.

Les sous-traitants se déclinent en une ou plusieurs catégories. La première catégorie décrit les fabricants qui construisent des sous-ensembles pour une variété de clients. Ils peuvent se spécialiser dans certaines capacités centrées sur des gammes spécifiques de types de matériaux, d'épaisseurs et de précision de traitement, mais ils servent en fin de compte un large éventail de marchés.

L’autre type de fabrication sous contrat concentre l’ensemble de l’activité autour d’un ou de quelques marchés connexes. Les fournisseurs automobiles haut de gamme entrent dans cette catégorie, mais de nombreuses autres entreprises en font également partie. Un exemple moins connu serait celui des fabricants sous contrat consacrés à l’industrie des machines à sous.

Le dernier modèle économique, le plus répandu, est celui des ateliers de fabrication de métaux. C'est le couteau suisse de l'industrie. Leurs principales préoccupations sont la rapidité de réponse et le raccourcissement du cycle de commande à expédition.

La mesure du temps de fabrication global, du quai de réception au quai d'expédition, est utile pour tout fabricant, mais elle peut être particulièrement critique pour l'atelier de fabrication. Imaginons que vous attachez un morceau de papier à une feuille de matière première au moment où elle arrive à la porte. Le papier suit cette feuille pendant qu'elle est coupée, pliée, soudée, finie, emballée et expédiée. Moins il faut de temps à ce papier pour traverser l'atelier, plus l'entreprise est réactive et plus l'atelier de fabrication peut être compétitif.

Imaginez maintenant le même exercice chez un fabricant d'équipement d'origine. Le papier subit des étapes de découpe, de pliage et de soudage, puis est expédié vers un entrepôt de produits finis. Lorsque les clients achètent le produit, le produit fini quitte l'entrepôt, ce qui complète le cycle. Imaginez maintenant que le fabricant d'équipement d'origine augmente sa capacité de production et que la demande des clients pour le produit ne change pas. Le matériau circule plus rapidement dans l'usine, puis se retrouve dans les produits finis. Malgré cette capacité de production accrue, le cycle de fabrication global n'a pas changé.

Cela ne signifie pas que les fabricants d'équipement d'origine n'ont jamais besoin d'augmenter leur capacité de production. Toute décision d'achat d'une machine de découpe laser (ou d'un autre équipement) est toutefois basée sur les produits qu'ils fabriquent ou pourraient fabriquer à l'avenir. En d'autres termes, leurs produits génèrent des revenus, et non des capacités de production.

Les fabricants sous contrat (c'est-à-dire les fabricants en sous-traitance) ne vendent pas de produits, mais ils ne vendent pas non plus de capacité de fabrication de métaux purs. Ils vendent des partenariats de fabrication fiables, et les attentes qui soutiennent ces partenariats définissent la nature du fabricant sous contrat. Certains fabricants sous contrat peuvent évoluer pour servir un ou un groupe restreint de clients similaires, encore une fois, comme ce fabricant sous contrat dédié au secteur des machines à sous. Un autre fabricant sous contrat peut servir une variété de marchés. Il aura quelques flux de valeur dédiés à ses plus gros clients, mais d'autres secteurs de l'usine peuvent gérer une grande variété de commandes répétées en fonction du type de matériau, du niveau de qualité ou d'une autre mesure.

Imaginez mesurer le temps de fabrication global dans un environnement de fabrication sous contrat. Vous attachez un morceau de papier au stock brut, qui circule ensuite dans l'atelier puis est expédié au client. Alternativement, le travail peut rester pendant un certain temps dans l'entrepôt de produits finis du fabricant, dans lequel les clients puisent selon la méthode Kanban. Un client qui retire du stock de produits finis déclenche le réapprovisionnement du stock par le fabricant.

Imaginez maintenant que le sous-traitant augmente sa capacité de production. Cela réduit le temps de séjour du papier dans l'atelier et ouvre la porte aux commerciaux pour vendre les capacités de fabrication de métal de l'entreprise à d'autres clients qui (espèrent-ils) deviendront de futurs partenaires de fabrication. L'augmentation de la capacité de fabrication pour soutenir une réponse rapide et fiable pourrait également signifier que, pour les clients existants, le sous-traitant a besoin d'un stock tampon de produits finis moins important.

Ainsi, pour le sous-traitant, l’augmentation de la capacité peut générer des revenus, mais seulement si cette capacité permet à l’entreprise de servir une gamme définie de clients. Plus un client est adapté, plus il est susceptible de devenir un partenaire de fabrication.

Considérez ces types de fabricants (OEM, sous-traitants et ateliers) comme trois ingrédients qui composent la « recette » du modèle économique d'un fabricant. Certains fabricants n'utilisent qu'un seul ingrédient, d'autres en utilisent deux ou trois. Cela est particulièrement vrai pour les ateliers et les sous-traitants. Après tout, un atelier à succès devient souvent un sous-traitant, et certains secteurs de l'activité du sous-traitant (une cellule de prototypage ou de fabrication rapide, par exemple) peuvent toujours fonctionner comme l'atelier à façon qu'il était auparavant.

De plus, un atelier de fabrication peut développer sa propre gamme de produits, tandis qu'un OEM peut vendre ses capacités de fabrication excédentaires comme un atelier de fabrication. Les deux peuvent être de bonnes décisions, à condition qu'elles soient guidées par une stratégie planifiée.

Par exemple, un atelier de fabrication peut lancer une gamme de produits pour lisser la demande très variable. Si, par exemple, un espace de découpe laser ne peut pas être occupé par les commandes en cours, un atelier peut utiliser des pièces de remplissage pour réapprovisionner le stock de ses propres produits. En fait, à mesure que les machines deviennent plus productives, ce modèle hybride atelier-gamme de produits devient encore plus viable. Un fabricant équipé d'un laser à très haute puissance n'aura peut-être pas à s'inquiéter de la lutte entre l'atelier de fabrication et la gamme de produits de l'entreprise pour la capacité de découpe laser, même pendant les périodes de pointe.

De la même manière, un OEM peut lancer une division de fabrication à façon pour vendre sa capacité de fabrication excédentaire. Dans ce cas, cependant, le lancement de la fabrication à façon devrait idéalement faire partie de la stratégie planifiée de l'OEM, et non pas simplement être une réaction à un mauvais investissement dans une machine. L'achat d'un laser à fibre de 15 kW peut donner à certains OEM une capacité de découpe laser supérieure à ce dont ils auront besoin, de sorte qu'ils commencent à vendre cette capacité excédentaire. Malheureusement, l'ensemble de l'usine de fabrication est conçu pour produire une gamme étroite de produits. L'ajout d'un travail à façon très variable à cet environnement pourrait introduire des inefficacités majeures.

Ressources

Un fabricant dispose de cinq catégories de ressources disponibles. La première concerne ses installations, qui comprennent la taille de l'atelier, l'espace inutilisé disponible et l'efficacité avec laquelle tout l'espace est utilisé. Notez également que l'un des aspects les plus négligés ici est la manutention des matériaux. Les matières premières et le flux de produits peuvent-ils être gérés avec l'équipement existant ?

Le deuxième point concerne le personnel. Quelles sont leurs compétences ? Comment sont-ils formés et dans quelle mesure leurs connaissances sont-elles documentées ? Qui partira bientôt à la retraite ? Dans quelle mesure l'entreprise peut-elle pourvoir les postes vacants et embaucher et développer les talents ? Quelle est leur expérience en matière de découpe laser par rapport aux processus connexes comme le poinçonnage ? Quelle que soit leur puissance, de bonnes machines de découpe laser nécessitent de bonnes personnes pour les faire fonctionner.

La troisième ressource, étroitement liée à la deuxième, est le nombre d'heures disponibles. Combien de quarts de travail les employés travaillent-ils et l'atelier peut-il en ajouter si nécessaire ? À l'inverse, une entreprise qui augmente sa capacité pourrait-elle produire ce dont elle a besoin en un seul quart de travail et éliminer le besoin d'un deuxième quart de travail ?

La quatrième ressource est l'équipement, qui inclut la façon dont une entreprise mesure son efficacité et ses coûts de maintenance. La cinquième concerne les ressources externes. Cela comprend les relations de l'atelier avec d'autres fabricants qui pourraient gérer le travail excédentaire (ce qui affecte la façon dont une opération peut gérer les pics de demande), ainsi que les prestataires de services extérieurs comme les enduiseurs de poudre et les plaqueurs. L'augmentation de la capacité de découpe au laser ne peut être efficace que si la majeure partie du travail doit être confiée à des prestataires de services extérieurs qui n'ont pas la capacité de gérer le volume accru.

Considérez chacun de ces cinq domaines de ressources comme des boutons permettant de « s’adapter » aux exigences de la clientèle. Un atelier disposant de peu d’espace mais disposant de main-d’œuvre disponible pour le dépilage et les opérations en aval pourrait investir dans une poignée de lasers ultra-puissants pour alimenter le formage, le soudage et une opération d’assemblage final qui peut s’étendre à plusieurs équipes pendant les périodes de pointe.

Si des équipes supplémentaires ne sont pas envisageables, ces lasers de grande puissance pourraient être utiles si l'atelier dispose d'une bonne dose de travail de découpe laser « à plat uniquement ». Avec un investissement complémentaire dans l'automatisation, les lasers pourraient fonctionner sans surveillance pendant le week-end et les pièces pourraient être expédiées aux clients dès le lundi matin. D'un autre côté, si la demande nécessite des ressources en aval qui ne sont tout simplement pas disponibles, le simple ajout de puissance de découpe laser ne constituerait pas une utilisation efficace des ressources.

Cependant, la définition de « l’utilisation efficace des ressources » dépend de la composition de la clientèle et du modèle économique du fabricant. Un fabricant sous contrat qui découpe principalement des matériaux de calibre 10 et moins peut utiliser un laser à fibre de 15 kW le lundi matin et terminer une semaine entière de travail à l’heure du déjeuner. Ce n’est pas une utilisation très efficace des ressources, du moins pour un fabricant sous contrat.

Cette même situation pourrait également constituer une opportunité intéressante pour un atelier de fabrication à façon. Le succès d'un atelier de fabrication à façon dépend davantage de la capacité immédiatement disponible que de son utilisation. Un laser de 15 kW peut ne pas fonctionner en continu dans un atelier de fabrication à façon. Mais tant que la capacité reste disponible (c'est-à-dire que le système peut entrer en action et produire des pièces en un clin d'œil), ce laser haute puissance peut aider l'atelier à réagir rapidement. Cela augmente les flux de trésorerie et rend l'atelier plus compétitif en même temps.

Capacités

Il s’agit notamment de la chaîne de fabrication allant de la commande à l’expédition (devis, ingénierie, découpage, pliage, soudage, peinture, assemblage et expédition) ainsi que de la nature des pièces et des assemblages qui passent par ces étapes. Une vision globale est ici utile. Comment les commandes arrivent-elles ? Comment le système de planification des ressources de l’entreprise (ERP) les présente-t-il et quelles sont les étapes qui permettent d’envoyer ces commandes à l’atelier ? La dernière chose qu’un fabricant souhaite est un point d’étranglement opérationnel dans le traitement des commandes et l’ingénierie, avant que les pièces n’atteignent l’opération de découpe principale.

Les processus en aval sont également importants. Imaginons qu’un fabricant améliore sa capacité de découpe au laser et envoie ensuite des pièces en aval. Tout semble aller pour le mieux jusqu’à ce qu’il atteigne un processus de revêtement par poudre par lots, une ressource partagée et un point d’étranglement trop fréquent. Pour augmenter véritablement le rendement et tirer le meilleur parti de la découpe au laser et des autres investissements en équipements en amont, les opérations doivent s’attaquer aux goulots d’étranglement en aval. Dans l’exemple actuel, une ligne de revêtement par poudre continue avec prétraitement pourrait être un bon investissement si elle élimine le point d’étranglement.

Néanmoins, les points d'étranglement ne doivent pas être examinés à la loupe sans prendre en compte la situation dans son ensemble. C'est là qu'entrent en jeu les routages de travail et les diagrammes spaghetti. Supposons qu'un fabricant sous contrat dispose d'une zone de production principale avec cinq lasers alimentant 20 presses plieuses et 25 postes de soudage. Cela donne aux travaux plusieurs voies pour se déplacer vers la ligne d'arrivée. Dans une zone distincte, il dispose d'un flux de valeur dédié à un client qui exige que les produits soient fabriqués et manipulés d'une certaine manière. Chaque zone a des besoins de découpage distincts. Le flux de valeur dédié au client fonctionne parfaitement bien avec deux centres de découpe laser de faible puissance. La ligne est équilibrée et le fabricant sous contrat est en mesure de maintenir une livraison fiable. Augmenter la puissance de découpe laser serait un gaspillage.

Mais qu'en est-il de la zone de production principale ? Un laser ultra-puissant pourrait donner à l'usine suffisamment de capacité excédentaire pour garantir que le reste de l'usine ne soit jamais à court de travail. Alternativement, l'entreprise (en tenant compte des ressources de maintenance disponibles) pourrait choisir de réduire le nombre de centres de découpe laser dont elle dispose de cinq à quatre.

Dans un autre scénario, investir dans un laser de puissance inférieure pourrait mieux convenir à l'opération, en fonction du mix de produits, en particulier si l'on considère les ressources nécessaires pour dépiler les feuilles. En fait, il est utile de considérer la découpe laser et le dépilage comme un seul processus. Après tout, la découpe laser n'est vraiment complète que lorsqu'elle est disponible et présentée aux opérations en aval.

Imaginez une feuille mince imbriquée avec seulement quelques grandes pièces rectangulaires, trop grandes pour être manipulées confortablement par des personnes seules. Dans ce cas, un laser de faible puissance peut couper suffisamment vite pour suivre le rythme d'un trieur de pièces automatisé. Augmenter la puissance du laser dans cette configuration ne servirait à rien, car l'automatisation ne serait pas en mesure de suivre. Il en serait de même même si l'atelier s'appuyait sur le dépilage manuel. Et oui, dans le cadre d'un système de fabrication flexible, ces pièces pourraient être ramenées dans une tour de stockage, mais quelqu'un devrait éventuellement les dépiler.

Un mélange de pièces différent change complètement la situation. Prenons une opération dans laquelle la majorité des imbrications sont constituées de pièces de taille moyenne à petite. Dans ce cas, un laser de faible puissance pourrait prendre beaucoup de temps pour découper tous ces périmètres de pièces. Les dépileurs ont largement assez de temps pour trier les pièces. Un laser ultra puissant, en revanche, peut réduire considérablement le temps de traitement, par exemple pour l'acier au carbone entre 0,25 et 0,5 po. Les trieurs manuels de pièces seront certainement occupés et la zone pourrait nécessiter quelques personnes supplémentaires, mais elles ne seront probablement pas débordées.

C'est ici, enfin, que la qualité et l'épaisseur du matériau entrent en jeu. Supposons que 80% du travail d'un atelier consiste à couper de l'aluminium de calibre 16. Ils constatent que la différence de vitesse entre un système de 8 kW et un système de 15 kW est négligeable, alors pourquoi investir dans un système de 15 kW ?

Cependant, évitez de considérer la vitesse de coupe de manière isolée. Le gaz d’assistance est également important. Prenons l’exemple d’une opération qui consiste à couper beaucoup d’acier au carbone de 0,5 po. Traditionnellement, la découpe au laser aurait été effectuée en utilisant de l’oxygène comme gaz d’assistance, ce qui signifiait que les pièces devaient probablement passer par un processus secondaire pour éliminer la couche d’oxyde. Aujourd’hui, cependant, les lasers à haute puissance peuvent couper de telles pièces avec de l’azote pur ou même de l’air ultra-sec, produisant des ébauches avec un bord sans oxyde. Couper quelques centimètres de plus par minute est une bonne chose, mais éliminer toute une opération secondaire est encore mieux.

Lorsqu'il s'agit de découper des matériaux très épais, de 1 à 1,25 po, pensez au marché pour ce type de pièces. Les plaques épaisses découpées au laser peuvent avoir un aspect extraordinairement cool sur le plancher d'un salon professionnel, mais sachez que ce type de découpe de plaques est une niche spécialisée. Les opérations de découpe laser de plaques lourdes existent, mais elles réussissent en exploitant des marchés qui n'ont jamais envisagé la découpe laser comme une option. Tout d'abord, la table d'un laser doit être conçue pour gérer des plaques aussi lourdes. Deuxièmement, l'opération sera pour la plupart en concurrence avec la découpe plasma haute définition, un processus moins coûteux et bien souvent plus adapté.

Coûts d'exploitation

Il s'agit des coûts habituels comme les frais d'installation, la maintenance des équipements, les frais de personnel et le coût des services externes. L'intégration verticale est-elle judicieuse, comme l'intégration en interne du revêtement par poudre ou d'autres processus auparavant externalisés ?

Des facteurs moins courants entrent également en jeu, notamment la consommation d’énergie. Un magasin situé dans une région où l’électricité est chère peut avoir une stratégie d’investissement différente en matière d’équipement, notamment en ce qui concerne le gaz d’appoint. Dans les régions à faible coût énergétique, les systèmes de production d’azote peuvent être très judicieux, mais à mesure que le coût par kilowattheure augmente, l’azote en vrac commence à paraître beaucoup plus intéressant.

Prenons l'exemple d'un atelier à San Jose, en Californie, et d'un autre à Spokane, dans l'État de Washington. À San Jose, le coût global des installations par mètre carré est si élevé que l'atelier n'ajoute pas d'équipements ; il les remplace. L'agrandissement du bâtiment est tout simplement trop coûteux. L'atelier doit tirer le meilleur parti possible de chaque mètre carré dont il dispose et tirer le meilleur parti de chaque watt consommé par l'installation. En attendant, l'atelier de Spokane dispose de l'espace nécessaire et peut se permettre d'ajouter quelques lasers, ce qui aura à son tour une incidence sur le type de lasers le mieux adapté à l'activité.

Un avenir flexible

Après avoir analysé la situation dans son ensemble (vos clients, vos ressources, vos capacités et vos coûts d'exploitation), vous êtes prêt à découvrir quel système laser convient le mieux à votre activité. Cela inclut non seulement le niveau de puissance, mais également le niveau d'automatisation.

Le défi est toutefois de taille : les modèles commerciaux évoluent, les demandes des clients changent et la technologie progresse plus vite que jamais. Le laser à fibre a doté l’industrie d’un moteur énorme ; aujourd’hui, les progrès réalisés dans les entraînements, les servomoteurs, les têtes de coupe et les buses trouveront de nouvelles façons de tirer le meilleur parti de ce moteur.

La modularité deviendra de plus en plus importante. Les fabricants pourront non seulement ajouter des tours et des automatismes aux lasers existants, mais ils pourront également remplacer les sources de lumière laser et non la machine entière. Le remplacement peut s'effectuer en une seule fois, et non sur plusieurs jours ou semaines.

Supposons qu'un fabricant doive remplacer plusieurs anciens lasers CO2. Il s'agit toujours d'un atelier de fabrication à façon, il choisit donc le laser à fibre de 10 kW, de type couteau suisse, qui peut tout faire. L'entreprise se développe et, pour répondre à la capacité, elle ajoute une tour au laser de 10 kW. Au fur et à mesure que l'entreprise évolue, ses besoins changent. L'atelier constate qu'il se concentre de plus en plus sur les matériaux de calibre 10 et plus fins. En fait, il doit vraiment séparer ce travail de calibre 10 du reste pour répondre aux exigences de temps de cycle.

L'entreprise investit donc dans un laser à fibre de 5 kW, plus que suffisamment puissant pour traiter des imbrications de pièces de taille moyenne de calibre 10, la plupart du temps sans caractéristiques internes chronophages ni contours complexes. Le fait est que le mélange de pièces de calibre 10 et plus fines est mûr pour l'automatisation. Parallèlement, le laser automatisé de 10 kW, toujours le couteau suisse, est devenu plus adapté au traitement d'imbrications dynamiques pour la gamme de travaux à faible volume, la « longue traîne » du mix de produits de l'atelier.

Quelle est la solution ? C'est là que la modularité entre en jeu. L'automatisation est retirée du laser de 10 kW et placée sur le système de 5 kW. Le système de 5 kW gère désormais les pièces principales de l'atelier, commandées à plusieurs reprises. Pendant ce temps, le laser de 10 kW devient la machine de réponse rapide du fabricant, où une commande peut être chargée, coupée, désimbriquée et expédiée en quelques heures.

Cette modularité deviendra de plus en plus essentielle dans les années à venir. La technologie évoluera au rythme des fabricants, de leur passage d’un atelier à la fabrication à façon à celui d’un sous-traitant, du lancement de nouvelles gammes de produits, de la réorientation de leurs activités pour tirer parti de nouvelles opportunités. À mesure que le secteur de la fabrication de métaux de précision évolue, la découpe au laser, une technologie de base qui a façonné l’industrie moderne de la tôle de précision, évoluera avec elle.

En résumé, choisir le bon puissance de découpe laser L'évaluation des besoins en matériaux, des objectifs de production, des considérations de qualité, des facteurs de coût et de l'évolutivité future est essentielle. En évaluant soigneusement ces facteurs et en consultant des professionnels du secteur, les fabricants de métaux peuvent prendre des décisions éclairées pour garantir des opérations de découpe laser efficaces et efficientes.