Les défis du traitement thermique par induction dans un monde hautement numérisé
La technologie du traitement thermique par induction électromagnétique évolue à un rythme accéléré, s'adaptant ainsi aux nouveaux défis et à un environnement commercial en constante mutation. La diversité des pièces ne cesse de s'accroître, tandis que les délais de production se raccourcissent. Dans de nombreuses applications d'induction, le temps de chauffage est inférieur à quelques secondes et ne représente, dans certains cas, qu'une fraction de seconde.
Les facteurs traditionnellement pris en compte par les entreprises spécialisées dans le traitement thermique à des fins commerciales pour évaluer les équipements à induction comprennent les capacités techniques, la régularité des performances, les délais de livraison, la longévité des machines et le prix. Compte tenu des récentes tendances industrielles, la décision d’acquérir des équipements de traitement thermique nécessite également de prendre en considération des facteurs supplémentaires, notamment la flexibilité des équipements, la traçabilité de la qualité du traitement thermique des composants, la connectivité numérique, ainsi que la capacité à stocker et à consulter les données de processus.
La capacité de traitement pièce par pièce avec traçabilité individuelle des composants, la compatibilité avec l'automatisation et la numérisation du contrôle et de la surveillance des processus ont toujours figuré parmi les caractéristiques les plus intéressantes du traitement thermique par induction dans le contexte de la quatrième révolution industrielle (Industrie 4.0). Les progrès constants réalisés dans le domaine des microprocesseurs et des microcontrôleurs ont permis la mise au point de systèmes de contrôle et de surveillance sophistiqués, jusqu'alors inaccessibles.
Cependant, une telle sophistication peut alourdir considérablement le coût des équipements, ce qui peut freiner certains aspects de la mise en œuvre de la stratégie opérationnelle de l’Industrie 4.0. Par exemple, intégrer toutes les « fonctionnalités supplémentaires » possibles dans la conception des équipements afin d’améliorer les capacités de surveillance et de contrôle ainsi que la collecte de données numériques pourrait aboutir à un prix dépassant largement ce que l’acheteur est prêt à payer. C’est une réalité.
De plus, il faut analyser d’énormes quantités de données collectées pour évaluer l’impact des modifications apportées au processus sur le produit, ce qui prend du temps et coûte cher. Dans certains cas, il pourrait s’avérer plus judicieux de recourir à des techniques de surveillance et de contrôle moins complexes, associées à des programmes de maintenance préventive et/ou prédictive adaptés. Par conséquent, pour l’ingénieur avisé, la question ne se pose plus en ces termes : « Que peut-on faire ? », mais plutôt : « Que faut-il faire ? »
L'une des premières étapes de la mise en œuvre de la numérisation industrielle consiste à adopter des compteurs numériques, qui utilisent des circuits intégrés spéciaux, en remplacement des compteurs analogiques largement utilisés par le passé. Utilisés dans les limites de leur plage de mesure, les compteurs numériques fournissent une mesure précise des paramètres électriques de sortie de l'alimentation. Le temps de réponse des compteurs numériques pouvant encore s’avérer trop lent pour les processus rapides de traitement thermique par induction, certains fabricants proposent un graphique à barres à réponse rapide, associé à l’affichage numérique, plus lent, de la valeur du paramètre, le tout dans le même boîtier. Il reste toutefois encore du travail à accomplir pour réduire davantage le temps de réponse des compteurs numériques et de leurs circuits.
La surveillance en temps réel du processus par analyse de signature devrait continuer à faire l'objet d'une forte demande. Le système vérifie les paramètres critiques des machines afin de garantir la qualité des pièces traitées. Les systèmes modernes de traitement thermique intègrent dans une seule solution les fonctions de contrôle, d’acquisition de données et de surveillance par signature, grâce à une interface homme-machine (IHM) informatisée couplée à un contrôle par automate programmable (PLC), afin de tirer le meilleur parti des deux technologies. De nombreux fabricants ont développé des solutions propriétaires pour les circuits de surveillance numériques, ce qui permet d’accroître la précision et de réduire au minimum le temps de réponse.
Selon la loi des grands nombres, l'installation d'un nombre excessif de capteurs, de détecteurs et de dispositifs/systèmes associés pourrait avoir un impact négatif sur la disponibilité des équipements et la fiabilité globale du système. Il est donc impératif de définir un nombre minimal de paramètres de processus véritablement cruciaux pour une application de traitement thermique nécessitant une surveillance, ce qui explique pourquoi la conception des équipements à induction modernes est désormais holistique. Des efforts ont été déployés pour concevoir des systèmes à induction modernes dotés d’une construction sophistiquée et rigide, tout en conservant une conception simple avec un nombre minimal de composants, ce qui les rend plus fiables, plus compacts et plus faciles à utiliser et à entretenir. Tout doit être mis en œuvre pour détecter et empêcher les pièces défectueuses d’atteindre la chaîne d’assemblage.
La cybersécurité est devenue cruciale dans notre monde hautement numérisé en raison du risque potentiel de piratage, qui pourrait compromettre les recettes de procédés, les protocoles, la validation et l'étalonnage des équipements, ainsi que la collecte de données numériques. Des enregistrements électroniques doivent être créés et conservés, et des mesures doivent être prises pour éviter qu'ils ne soient altérés sans que cela soit détecté. Cela implique la mise en place de programmes adaptés et de dispositifs de sécurité, ce qui entraîne des coûts supplémentaires pouvant représenter un défi pour certains petits fabricants d'équipements.
Autrefois, les fournisseurs détenaient souvent un contrat portant sur une pièce spécifique pendant de nombreuses années. Aujourd’hui, les contrats peuvent passer d’un fournisseur à l’autre beaucoup plus fréquemment. Par conséquent, pour remporter un contrat face à la concurrence, un fournisseur peut être amené à évaluer de nouveaux équipements à induction afin de s’assurer qu’ils sont adaptés à la tâche, à acheter et à installer la machine, à mener à bien un processus d’homologation des pièces de production (PPAP) et à être prêt pour la production dans un délai très court. Un équipement moderne, fiable et de haute qualité doit permettre un réoutillage et une reprogrammation aisée pour traiter différentes pièces. Le développement d’alimentations électriques innovantes (par exemple, la technologie IFP d’Inductoheat), qui permettent un réglage instantané et indépendant de la puissance et de la fréquence de manière numérisée et préprogrammée pendant le cycle de chauffage, représente une avancée significative pour améliorer la flexibilité des équipements et optimiser la qualité métallurgique des pièces traitées thermiquement.
On ne saurait surestimer l'importance des capacités de modélisation numérique par ordinateur dans notre monde hautement numérisé. Certains progiciels commerciaux permettent aux utilisateurs de créer des applications logicielles propriétaires hautement spécialisées (apps), qui peuvent être intégrées aux ensembles d'équipements. Ces applications sont déjà une réalité, car certains fabricants de systèmes à induction ont intégré des outils logiciels propriétaires à leurs ensembles d'équipements. Tout porte à croire que cette tendance va continuer à se renforcer.
Le comité de recherche et développement de l’ASM Heat Treating Society travaille actuellement à l’élaboration de la « Feuille de route R&D 2030 pour le traitement thermique », qui permettra d’identifier et de classer les axes de développement technologique visant à mettre au point des technologies et des matériaux de traitement thermique rentables, respectueux de l’environnement et compétitifs à l’échelle mondiale.
Valery Rudnev, FASM, membre de l'IFHTSE
Directeur du département Sciences et Technologies chez Inductoheat Inc.
Vous trouverez ci-dessous une version PDF de l'article publié par ASM International.