Système d’Acquisition de Données et de Contrôle Temps Réel pour optimiser le poids des bateaux et la résistance de la coque

Dans ce marché fortement concurrentiel des bateaux de loisir, il est crucial de livrer des produits répondant aux spécifications annoncées dans les prospectus afin de satisfaire bien évidemment les clients mais aussi pour maintenir des coûts de fabrication honorables. Une des spécifications les plus importantes est le poids du bateau. Il est aussi important que ce poids soit correctement réparti pour éviter tout risque de déficiences structurelles. Chez Brunswick Boat Group’s Advanced Composites, des ingénieurs développent et affinent des outils d’acquisition de données et de contrôle. Ils permettent d’apporter aux ouvriers responsables de la pulvérisation de la fibre de verre pour la fabrication des coques et autres parties une rétroaction constante dans le but de ne pas ajouter du poids inutile au bateau. Chaque zone du bateau reçoit ainsi la bonne épaisseur de fibre de verre prévue. 

Coque de bateau en fibre de verre

Pour bien comprendre le système de surveillance des matériaux (MMS : Material Monitoring System) destiné à l’acquisition des données et de contrôle que l'équipe d’ingénieur de Sea Ray ont développé, il faut d’abord connaitre le processus utilisé par l’entreprise pour créer une coque de bateau ou une autre pièce en fibre de verre. Les pièces sont formées à l’aide d’un  moule femelle ; pour les plus grands yachts Sea Ray, ce moule peut atteindre jusqu'à 60 pieds de long,  16 pieds de large et 10 pieds de profond. Une coque de yachts peut peser 14000 livres. La première étape du processus consiste à appliquer à la main une couche mince d’un composé dans le moule, pour permettre de retirer la coque hors du moule comme un glaçon hors de son bac. Un ouvrier pulvérise une couche de gel de résine pigmentée à l'intérieur du moule, ce qui donne à la coque sa surface lisse, sa couleur profonde et sa grande brillance.

L’étape suivante et la plus critique est d'appliquer la bonne quantité de « chop spray » sur la pièce pour avoir des couches précises. Un pistolet de découpe coupe des filaments de fibre de verre à partir d’une bobine dans des morceaux pulvérisables de 10 à 40 millimètres de longueur, puis on les associe à de la résine d’ester thermodurcissable ou à de la résine polyester pour l’application sur la couche de gel. Cependant, sans aucune connaissance concrète des quantités de fibre de verre et de résine consommées pour chaque zone, la qualité du procédé de pulvérisation dépendait en partie de la capacité propre de l’ouvrier à mesurer visuellement la quantité de matière appliquée. Ceci est particulièrement difficile pour lui de s’assurer que chaque zone de la coque a bien reçu la quantité exacte de fibre de verre qui lui est destinée. Une vaporisation excessive non seulement ajoute du poids à la coque, mais en plus génère un gaspillage de fibre de verre et de résine.

Fig 1. Photo du système de mesure modulaire PMX couramment utilisé dans les applications touchant la production industrielle et les bancs d'essai. Sa conversion A/N de 24 bits et son faible bruit de fond lui procurent une grande précision.

Challenge: Nouveau système de surveillance

Sean Minogue, Ingénieur Structure au service développement et d’ingénierie produits chez Sea Ray, était monté à bord en 2012. Il était chargé de mettre à jour plusieurs processus d’ateliers dans des installations multiples de construction de bateaux chez Brunswick, avec pour objectif un gain de coût et de poids mais aussi sur la possibilité de construire des bateaux avec des tolérances plus élevées. Les méthodes précédentes employées pour surveiller la consommation de la fibre de verre et de la résine étaient moins bien efficace. Par exemple, la consommation de la fibre de verre était évaluée à l’aide d’une roue en rotation autour de laquelle les filaments de fibre de verre étaient enroulés. La consommation de résine était  calculée par l’information donnée par un compteur de course lié à une pompe pneumatique. Même lorsque les deux dispositifs étaient opérationnels, ils avaient tendance à être inefficaces et pas spécialement précis.  

Dans sa proposition pour un nouveau système, Minogue a expliqué, « Le système permettra de suivre une partie la résine, la coupe et tous les autres matériaux en vrac. Cela nous donne une bonne visibilité de notre travail en cours en comparant en temps réel l'utilisation aux données requises. Le système est extensible pour suivre les données de poids, les SKU, les heures de travail, les cycles de traitement, le temps de prise (temps moyen entre le début de la production d'une unité et le début de la production de la suivante), les données historiques de poids, et surtout, fournit des données cibles aux opérateurs en direct. »

Système de mesure modulaire PMX au coeur du nouveau système de surveillance des matériaux

Aujourd’hui, le nouveau MMS de Sea Ray’s, arrivé maintenant aux dernières étapes avec un essai pilote sur la chaîne de production de yachts, se passe du compteur de roue et de course. A la place, Minogue a relié un système de traitement de siganux PMX (Figure 1) aux capteurs de pesage de grande précision à une palette contenant les bobines de fibre de verre et à un émetteur de flux  connecté à un débitmètre qui contrôle la quantité de résine qui va à chacun de deux pistolets de découpe. Un moniteur de laminage (figure 2), un système de puissance en Ethernet sur mesure avec des scanners de codes à barres Honeywell connectés, fournissent les mises à jour constantes de progrès aux opérateurs en charge de la pulvérisation. Chaque opérateur scanne  simplement le code à barres associé à chaque section de la coque, qui apparaît sur l'écran du moniteur de laminage. Lorsque l'opérateur appui sur la gâchette du pistolet, le moniteur de laminage affiche la consommation du matériau et la compare à la quantité spécifiée en temps réel.

Le système de surveillance de la stratification, développé par DragonPoint Software, Inc., fournit des informations de l'état de progrès du travail aux gestionnaires, les mises à jour, etc., ainsi que les résultats des rapports sur la base de données d'ingénierie et de la qualité de l'installation (Figure 3).

Figure 2. Moniteur représentant le laminage du système de pulvérisation de fibre de verre qui fait maintenant partie du Système de surveillance des matériaux de Brunswick (MMS), dans les étapes finales du test bêta.

Divers facteurs ont pesé sur la décision de Minogue de choisir une solution modulaire de conditionnement de signaux comme base de son système de surveillance des matériaux. Il a d'abord considéré l'utilisation de conditionneurs de signaux individuels pour lire les signaux de l'équipement analogique, principalement parce qu'ils étaient à la fois disponibles et peu coûteux. Cependant, il a été particulièrement motivé à choisir un système qui pouvait offrir la flexibilité d'ajouter facilement plus de voies de signaux pour des équipements supplémentaires pour mesurer la consommation de la couche de gel, la température, l'humidité ou d'autres facteurs. Pour la mesure uniquement des signaux de poids et de flux, un seul système PMX de 16 voies avait la capacité de gérer huit pistolets. Minogue précise : « Nous avons utilisé, pendant des années, les équipements d'acquisition de données mobiles durcis SoMat de HBM dans notre laboratoire de test, de sorte que je connaissais bien ce qu'ils pouvaient et ne pouvaient pas faire. J'ai regardé le PMX car j'avais besoin d'un appareil assez avancé et d'une interface de programmation d'applications intégrée (API) qui me permettrait de créer une base de données pour lire les signaux de tout cet équipement ".

Le système MMS de Minogue s'est révélé inestimable au cours d'une année de tests bêta sur la ligne de fabrication de yachts Sea Ray à l'usine de Merritt Island, en aidant les opérateurs à réduire les coûts de matériaux, à travailler plus efficacement en améliorant le contrôle des process et en obtenant des pièces finies conformes aux spécifications de poids. Pour la coque Sea Ray 590, l'utilisation de cette technologie a permis d'économiser 1000 lb de verre et de résine coupés. À l'heure actuelle, le MMS devrait équiper les lignes de production de Bayliner, Boston Whaler et d'autres modèles Sea Ray dans d'autres installations de production de Brunswick au cours des deux prochaines années

Figure 3. Le cœur du système MMS de Sea Ray est un système d'amplification modulaire PMX WGX002 (# 4) de HBM, Inc. Les instruments enfichables incluent une carte d'interface Ethernet / IP PX01EP pour intégrer le châssis PMX en réseau Ethernet / IP et un module de mesure PX401 à 4 voies 4-20 mA pour lire les signaux d'entrée analogiques produits par la balance numérique et l'émetteur de flux.
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