Uni Cologne (TH Köln) conçoit un démonstrateur compact doté de la technique de convoyage de mk
Des étudiants expérimentent l'industrie 4.0 de façon concrète : un démonstrateur compact équipé d'un robot, d'une technique de convoyage et d'un système de caméra leur permet de comprendre des processus de production de façon interactive. Grâce au soutien du groupe mk Technology, des concepts clés tels que le taux de rendement synthétique (TRS) peuvent être enseignés de manière concrète, pour un enseignement ultramoderne et ce, dans un très petit espace !
Les compétences demandées aux ingénieurs évoluant rapidement, l'enseignement doit également évoluer. Ainsi, à l'université technique de Cologne, les étudiants ont désormais accès non seulement à des connaissances théoriques sur les processus de production modernes, mais peuvent aussi en faire l'expérience concrète grâce à un démonstrateur de l'industrie 4.0. Cela a été rendu possible grâce au soutien d'un partenaire industriel engagé depuis longtemps, le groupe mk Technology. Celui-ci a fourni une technologie de convoyage économique et son savoir-faire technique pour l'installer.
« Il faut savoir vivre avec son temps » : un diction intemporel qui semble également s'appliquer aux jeunes ingénieurs. Dès 2019, l'Association des ingénieurs allemands (VDI) a tiré la sonnette d'alarme : selon un sondage organisé par ses soins, seuls 11 % des étudiants et 9 % des jeunes actifs arrivant sur le marché du travail se sentent bien préparés aux défis de l'industrie en réseau. L'Association allemande des constructeurs de machines et d'installations (VDMA) a donc appelé les universités et écoles d'ingénieurs à suivre les progrès techniques et à adapter rapidement leurs programmes. L'Université technique de Cologne montre ici qu'elle a déjà mis en place les changements souhaités.
Yannick Liebertz, Assistant de recherche au laboratoire aux systèmes de fabrication (LFK) de l'Université technique de Cologne
« Afin de mieux préparer les étudiants du Master en génie mécanique à l'industrie 4.0, c'est-à-dire à l'automatisation, à la mise en réseau de l'IdO et à l'IA, nous avons développé un démonstrateur permettant de s'entraîner à l'utilisation des technologies clés. »
« En effet, les commentaires et retours des entreprises industrielles indiquent souvent que les jeunes diplômés disposent certes de très bonnes théoriques dans le domaine de la gestion de la production, mais qu'il existe encore un potentiel d'amélioration dans la mise en œuvre pratique de processus de production connectés grâce au numérique », explique Yannick Liebertz, assistant de recherche au laboratoire de l'Université technique de Cologne dédié aux systèmes de fabrication. « Afin de mieux préparer les étudiants du Master en génie mécanique à l'industrie 4.0, c'est-à-dire à l'automatisation, à la mise en réseau de l'IdO et à l'IA, nous avons développé un démonstrateur permettant de s'entraîner à l'utilisation des technologies clés. »
Industrie-4.0-Demonstrator simuliert modernen Pick-and-Place-Prozess
Beim Demonstrator handelt es sich um einen kompakten Tisch, 900 mm breit und 1200 mm lang, der sich auf Rollen von Hörsaal zu Hörsaal schieben lässt. Auf diesem Tisch ist ein geschlossener Kreisprozess installiert, wie er auch in einer realen Produktionsumgebung zum Einsatz kommt. Das zentrale Element ist ein Gelenkarmroboter, der eine Pick-and-Place-Aufgabe übernimmt: Er greift nacheinander zwei Scheiben mit Durchmessern von 100 mm und 150 mm und stapelt diese auf einem Förderband übereinander. Hier startet die Förderstrecke. Am Ende dieses Förderbandes wird der Stapel auf eine zweite Förderstrecke überführt, die im rechten Winkel verläuft. Über diesem zweiten Förderband ist eine Kamera montiert. Sie prüft, wie präzise die Scheiben übereinander liegen. Das IT-System klassifiziert die Stapel dann in gute und schlechte Exemplare. Nach dieser Qualitätsprüfung erfolgt eine zweite Umlenkung des Stapels um 90 Grad auf ein drittes Förderband, das auf die andere Seite des Roboters zuläuft. Auf diesem Band trennt ein Abstreifer die Scheiben wieder voneinander. Am Ende der Förderstrecke kann der Roboter die vereinzelten Scheiben dann wieder aufnehmen. Der Prozess beginnt von vorn.
Non seulement enseigné théoriquement, mais expérimenté pratiquement
Ce nouveau démonstrateur de l'université technique de Cologne parvient ainsi à familiariser les étudiants avec les concepts de l'industrie 4.0. « Tous les grands processus physiques de la technologie d'automatisation sont couverts, c'est-à-dire la manutention, le transport de matériaux et le contrôle qualité », explique M. Liebertz. Le système permet également d'analyser et d'optimiser les processus de production en temps réel. Tous les composants, que ce soit le robot, les convoyeurs à bande ou la caméra, sont mis en réseau. Le système informatique peut ainsi, par exemple, analyser les données des temps de cycle, des proportions de bon/mauvais lot et de la disponibilité afin d'en tirer des conclusions à des fins d'amélioration. Il a par exemple été possible de comprendre que, si la vitesse de production était augmentée au-delà d'un niveau raisonnable, cela entraînerait une baisse de la qualité du produit, c'est-à-dire de la précision de la pile. « En observant et en analysant directement les données de processus, des concepts clés tels que le taux de rendement synthétique (TRS) peuvent ainsi non seulement être enseignés de manière théorique, mais aussi être expérimentés dans la pratique. » À long terme, ce démonstrateur devrait être utilisé pour les rapports de projet, les mémoires de fin d'études mais aussi pour les formats d'enseignement pluridisciplinaire.
Engagés dans la formation de la relève
Le démonstrateur est un exemple de la façon dont les universités et les écoles d'ingénieurs adaptent avec succès leur enseignement à l'ère de l'industrie 4.0. Cette transformation est toutefois souvent difficile lorsque le budget alloué aux nouveaux outils pédagogiques est limité. En effet, l'université technique de Cologne devait réaliser ce nouveau système de la manière la plus économique possible. La recherche d'autres fournisseurs de techniques d'automatisation s'est par conséquent révélée ardue. Un robot articulé classique du secteur industriel, par exemple, coûte rapidement des dizaines de milliers d'euros et aurait donc été trop cher. Par conséquent, les responsables du projet ont été ravis lorsqu'ils ont trouvé ReBel, le robot de la société igus basée à Cologne. En effet, ce robot à bras articulé est en grande partie fabriqué en plastique haute performance plutôt qu'en métal, ce qui en fait une alternative abordable.
L'université technique de Cologne a également obtenu le soutien du groupe mk Technology, qui a fourni la table montée sur roulettes pour le démonstrateur, ainsi que la technique de convoyage. « mk a fait preuve d'une grande flexibilité en termes de coûts d'investissement, ce qui a nous a permis de réaliser le projet en respectant le budget prévu », explique M. Liebertz. « En cette période de pénurie de travailleurs qualifiés, nous savons à quel point il est important de bien former les futurs ingénieurs », explique Maik Kirchner, expert en technologie de convoyage chez mk. « Il est donc fondamental pour nous de soutenir des projets innovants comme celui-ci, à la fois financièrement en tant que partenaire industriel, mais aussi avec notre savoir-faire spécialisé. »
Le savoir-faire technique des experts de mk s'est par exemple révélé très utile en termes de compacité. Le démonstrateur doit être aussi peu encombrant et léger que possible afin qu'une personne puisse le déplacer d'une classe à une autre. Le ReBel d'igus s'est avéré être le bon choix. Le cobot étant fabriqué en plastique haute performance, il ne pèse que 8 kg. Un concept de construction légère que mk a respecté, ses experts ayant construit la table avec les profilés de construction de la série 40 de mk. En effet, ces profilés en aluminium sont légers, basés sur des dimensions modulaires de 40 x 40 mm, et sont ainsi parfaitement adaptés aux bâtis de machines assez légers, aux dispositifs de protection, et aux postes de travail de montage.
Le convoyeur compact de mk marque les esprits
Trois convoyeurs à bande GUF-P MINI sont également montés sur la table. mk les a développés spécifiquement pour le transport et la séparation de produits petits et légers. Conçus avec des largeurs comprises entre 50 et 300 mm, des longueurs entre 350 et 3000 mm et une hauteur d'installation de seulement 35 mm, ces convoyeurs sont adaptés à une foule d'applications dans des espaces exigus. « Le haut niveau d'expertise de mk dans le domaine de la technologie de convoyage a contribué de manière décisive à optimiser davantage la conception de ce démonstrateur », explique M. Liebertz. « Grâce à des retours d'information précis et à des suggestions de mk, les caractéristiques techniques du système de transport ont pu être adaptées sur mesure aux exigences du robot et du poste de contrôle qualité. »
Un automate programmable industriel (API) installé en amont gère la synchronisation des séquences de déplacement, de sorte que le robot effectue sans problème la tâche de transport et de pick-and-place. Lorsque le ReBel saisit les différents disques, l'API assure par exemple que les convoyeurs à bande ralentissent au bout de la ligne et que les disques sont centrés dans un prisme. Cela signifie que le robot trouve toujours une fenêtre de transfert stable et reproductible sans être perturbé par des mouvements éventuellement trop rapides des tapis roulants. L'API permet également de tester différentes variantes de processus et d'en modifier les paramètres de manière ciblée, ce qui est particulièrement utile pour l'apprentissage et l'analyse.
« La solution impressionne non seulement par sa fiabilité en termes de précision millimétrique, mais surtout par son rapport qualité-prix imbattable, un critère important pour une utilisation dans la formation et l'enseignement », conclut M. Liebertz.
Grâce à sa structure ouverte et à sa conception modulaire, le système pourrait également être étendu de manière flexible et durable à l'avenir : par exemple, avec des composants innovants de l'industrie 4.0, des caméras supplémentaires ou en recourant à l'IA. Cela peut, par exemple, permettre la préhension des disques en mouvement sans avoir à interrompre le convoyage. Des scénarios complexes pourraient également être étudiés de manière pratique, comme l'analyse de la stabilité des piles en cas de variation de la vitesse de virage et du frottement. Cela permettrait de déterminer les niveaux maximum de précision et de rapidité, et ainsi d'atteindre un très haut niveau de fiabilité des processus à peu de frais. La plate-forme offre ainsi non seulement un potentiel technique, mais constitue également la base idéale pour transmettre et développer des compétences fondamentales en matière d'automatisation moderne, et ce de manière très concrète et pratique.
Avec plus de 26 000 étudiants, l'Université technique de Cologne (TH Köln) est la plus grande université de sciences appliquées d'Allemagne, et fait office de référence en matière de technologie, d'art et de science. Dans cet environnement dynamique, l'Institut de développement et d'ingénierie de produits (IPK) est un acteur central de la conception de la transformation numérique et durable de l'ingénierie mécanique et industrielle.
Au sein de l'IPK, le laboratoire dédié aux systèmes de fabrication (LFK) et dirigé par le professeur Thomas Gartzen, est engagé dans une recherche pratique située à l'interface entre la technologie de production et les technologies numériques. Le laboratoire LFK développe des solutions innovantes pour les systèmes de production intelligents et en réseau, avec une attention particulière sur les besoins des petites et moyennes entreprises (PME). L'accent porte sur des domaine tels que l'IdO industriel, l'intelligence artificielle et les interfaces numériques homme-machine. L'objectif est de rendre les processus de production durables et efficaces à long terme.
Grâce à de nombreuses années d'expérience dues à différents projets de recherche et de coopération ainsi qu'à une grande agilité et expertise technique, le laboratoire LFK est un partenaire compétent pour la mise en œuvre de stratégies numériques et d'innovations industrielles.