Le prototype s'avère être le chaînon manquant pour le fabricant d'outillage

May 16, 2023

Un prototype de matrice en Kirksite peut être construit en quelques semaines. Images: Artisanat en métal automatique

Tooling Systems Group, Grand Rapids, Michigan, est bien établi en tant que famille de matrices d'emboutissage, d'outillage de moules, de systèmes d'assemblage, de fabrication de tôles d'acier, de vente de machines et d'entreprises d'usinage à façon. TSG est un fournisseur agréé de niveau 1 d'outils d'emboutissage de production à haut volume pour un assortiment enviable d'équipementiers automobiles, notamment GM, Ford, Toyota, Honda, BMW, FCA, Nissan, Volkswagen et Mercedes-Benz.

L'entreprise a commencé avec cinq fabricants de moules en 1983 et compte aujourd'hui 600 employés. Elle a augmenté sa capacité et ses capacités par acquisition et est aujourd'hui une organisation de 13 entreprises.

Le groupe d'outillage rencontrait des situations où il perdait certains projets parce qu'il ne disposait pas d'expertise et de capacités de prototypage en interne. Lorsqu'il a externalisé le prototypage, il n'a pas été en mesure d'être compétitif en termes de coûts. La direction de l'entreprise a recherché une entreprise prototype pour la rejoindre.

Entrez Auto Metal Craft, Oak Park, Michigan. Le fabricant s'est spécialisé dans le prototypage et les estampages à court terme depuis plus de 70 ans. Cinquante employés effectuent en interne l'outillage, la découpe au laser, les capacités de presse et d'inspection, la robotique GMAW et le soudage par résistance. Son plus gros client est GM.

La passion d'Auto Metal Craft pour l'industrie et son expertise étaient assez bien établies. L'entreprise a doublé de taille au cours des cinq dernières années.

TSG a fait une offre d'achat de la société prototype et Auto Metal Craft a accepté. Le président de la société, Kent Woody, a pris sa retraite et le vice-président Chuck Karch a accepté le poste de président. L'accord a été conclu le 22 août 2022.

"TSG cherchait à acheter ou à fusionner avec un fournisseur de prototypes/production à faible volume. Ils manquaient des opportunités car ils ne disposaient pas de leurs propres capacités de prototypes", a commenté Karch. "Nous avons les connaissances et le savoir-faire nécessaires pour fabriquer des outils à court terme."

Karch a ajouté: "Nous sommes toujours Auto Metal Craft, mais nous faisons partie du groupe Tooling Systems."

Le fait qu'une grande entreprise d'outillage ait reconnu qu'elle avait besoin de capacités de prototypage montre vraiment l'importance d'avoir cette capacité.

"Certaines entreprises ont parlé de s'éloigner du prototypage, affirmant qu'elles pouvaient le remplacer par la simulation informatique. J'entends cela depuis 25 ans", a déclaré Karch. "C'est tellement loin de la vérité. Ils ont encore besoin de ces parties physiques."

Il y a des leçons apprises lors de la validation avec un prototype. Les modifications peuvent être effectuées plus facilement à l'aide d'un outillage prototype avant que l'outillage dur ne soit fabriqué.

Les constructeurs automobiles achètent des prototypes de pièces et d'assemblages à Auto Metal Craft pour les valider. Ils peuvent faire des tests de collision ou les mettre sur une piste de test. Ils veulent valider un véhicule physique avant qu'il n'entre en production, soutient Karch.

"De plus, il y a des leçons apprises lors de la validation …" Oh, cela n'a pas fonctionné "", a poursuivi Karch. "Ou le département de production arrive et dit:" Hé, nous ne pouvons pas faire ça en production. Ainsi, ils adouciront certaines zones, apporteront quelques modifications et, dans la plupart des cas, ils nous reviendront pendant le programme et nous prototyperons également les modifications de conception. »

Le matériau d'outillage du prototype est généralement différent; le processus de fabrication est différent et dans un délai plus court; les matrices sont plus petites et le matériau de l'outil peut être refondu et réutilisé peu de temps après la fabrication des pièces satisfaisantes, ce qui affecte le prix de l'outillage. Plus important encore, le temps nécessaire pour le fabriquer est beaucoup plus court, a expliqué Karch.

Outillage dur. Cela peut prendre des mois pour concevoir un outillage dur à long terme et 30 semaines pour le construire. "Une matrice de transfert peut mesurer 30 pieds de long et être très encombrante. Elle est construite en acier dur, tel que le D2. Elle peut être très coûteuse, avec de nombreuses petites pièces d'outil toutes assemblées dans de grands sabots de matrice. Tout est conçu dans l'outil."

Par exemple, sur une ligne de transfert, un alimentateur automatisé déroule la tôle et l'alimente dans l'outil pour former la pièce. Il peut y avoir trois ou quatre opérations de formage et quelques opérations de détourage dans ce même outil. Les garnitures extérieures et tous les trous seraient probablement percés dans la matrice. La matrice peut être équipée de cames qui forment des brides, a déclaré Karch. "Ainsi, il peut y avoir 10 stations dans un outil, et à la fin, il recrache une pièce complète."

Une fois la pièce emboutie, il faut la valider. "Ils doivent passer par le PPAP [processus d'approbation des pièces de production], donc cela pourrait prendre presque un an avant que tout soit parfaitement opérationnel."

Outillage prototype. Normalement, l'outillage à faible volume et prototype est construit différemment de l'outillage dur pour la production à volume élevé, a déclaré Karch. "C'est beaucoup moins cher. C'est rapide. Nous pouvons développer un outil de forme pour une pièce en quelques semaines."

La raison principale est que l'outillage prototype n'a pas besoin d'être conçu pour durer, il peut donc être fait d'un métal plus tendre. "Nous utilisons de l'acier, de l'aluminium T6, mais il est généralement fabriqué à partir de Kirksite. C'est un matériau d'outillage à base d'aluminium/zinc. Donc, en gros, nous concevons un outil, nous le faisons couler par une fonderie, nous l'apportons ici et le découpons sur l'une de nos laminoirs à grande vitesse.

"Kirksite est un matériau réutilisable. Une fois que nous estampons les pièces, nous attendons… disons un an après la dernière passe, puis nous pouvons le renvoyer à la fonderie pour le faire fondre. Ainsi, le client n'a pas vraiment à payer pour le matériau d'outil Kirksite. Ils paient pour la conception, l'ingénierie, la coupe, etc., mais ils ne paient pas réellement pour l'acier à outils. C'est là de grosses économies", a déclaré Karch.

Le matériel d'outils Kirksite est une spécialité dans la région de Detroit, selon Karch. "Je ne connais pas d'autre région dans le monde qui l'utilise. C'est peut-être pourquoi le métro de Detroit est l'endroit où se déroulent la plupart des prototypes automobiles et des outils de production à faible volume."

Même les assemblages emboutis complexes peuvent être prototypés.

D'autres raisons pour lesquelles l'outillage prototype est moins cher que l'outillage dur est qu'il est beaucoup plus petit car il ne comprend pas tous les processus que l'outillage dur ferait. De plus, il est conçu pour être alimenté et transféré à la main. "Nous avons donc un opérateur qui applique à la main une ébauche en acier ou en aluminium dans l'outil et emboutit la pièce dans une presse à commande manuelle. La pièce n'est pas découpée dans la presse. Nous la plaçons dans l'une de nos quatre machines de découpe laser pour faire tout le découpage et les trous", a déclaré Karch.

Délai. La conception de la matrice est fournie à Auto Metal Craft, qui construit les outils. "Nous l'estampillons. Nous construisons le montage laser en interne pour découper au laser la garniture et les trous. Nous pourrions le qualifier dans un montage de contrôle. Nous pouvons construire ces montages de contrôle en quelques jours."

En règle générale, les prototypes sont fabriqués en six à huit semaines. Même les matrices et les prototypes complexes et à assemblage complet peuvent être terminés en 14 semaines, a-t-il déclaré.

"Il y a des moments où nous avons fait réaliser des prototypes en une semaine et demie, deux semaines, trois semaines. Un projet consistait en 14 petits crochets. Notre client a dit : 'Je sais que c'est fou, mais j'en ai besoin dans 10 jours.' Nous l'avons fait", a déclaré Karch.

En règle générale, l'outillage Kirksite durera au moins environ 300 pièces, selon le matériau qu'il forme. S'il s'agit d'emboutir un matériau plus doux, ce nombre peut aller jusqu'à 1 000.

Lorsque Auto Metal Craft a un projet d'une quantité de 1 200 pièces, l'acier à outils en acier ou en aluminium sera utilisé avec le même état d'esprit qu'avec Kirksite. Cela coûte juste un peu plus cher. Pour le matériau, au lieu de couler, l'entreprise achète des billettes d'acier, puis les découpe en CN. "De nos jours, il existe de nombreux matériaux en tôle à très haute résistance, des matériaux de travail très durs à deux phases qui sont en fait plus durs que le Kirksite, de sorte que l'outillage s'use rapidement. Ensuite, nous devrions opter pour l'acier."

Les fournisseurs locaux fournissent des aciers brûlés. Un burnout est un gros morceau d'acier qui a été coupé avec un coupe-flamme pour les brûler à partir d'une grande plaque. "Nous n'avons pas besoin d'acheter toute la plaque. Elle pourrait avoir une épaisseur de 18, 20 pouces. Nous les découpons CNC ; ajoutons nos dispositifs de retenue sur les parois latérales, et nous sommes en mesure de mettre cela dans la même presse que nous gérons le Kirksite ", a déclaré Karch.

Les burnouts n'ont qu'un délai d'une ou deux semaines, donc c'est aussi beaucoup plus rapide. "Sur une pièce de taille moyenne, nous pourrions construire une matrice Kirksite et avoir les premiers emboutissages en cinq semaines ; une matrice en acier pourrait prendre huit semaines", a déclaré Karch.

L'entreprise est en train de construire une petite matrice de forme, et sans tous les outils de découpe, car les pièces sont découpées au laser.

"Quelques jours après avoir découpé au laser notre première pièce, nous avons un estampage et pouvons effectuer un contrôle de qualité. C'est juste un processus beaucoup plus rapide. Il y a encore des essais et des erreurs, du développement, mais c'est encore beaucoup plus rapide qu'ils ne peuvent obtenir d'estampages à partir de matrices dures.

Les constructeurs automobiles achètent des prototypes de pièces et d'assemblages à Auto Metal Craft pour les valider. Ils peuvent faire des tests de collision ou les mettre sur une piste de test. Ils veulent valider un véhicule physique avant qu'il n'entre en production.

"Mais nous ne fabriquons pas un demi-million d'estampages. Ce que nous construisons n'est pas destiné à durer", a déclaré Karch.

Avec la transition de l'industrie automobile vers les véhicules électriques, davantage de projets d'outillage ont nécessité davantage de prototypage pour tester de nouvelles conceptions, selon Karch. Il a déclaré qu'Auto Metal Craft avait récemment réalisé de nombreux prototypes de véhicules électriques. "Nous avons vu beaucoup d'activité EV, en particulier l'année dernière. Nous avons fait plusieurs plateaux de batterie ici. Les premiers prototypes de plateau de batterie que nous avons faits étaient pour l'hybride Chevy Volt, il y a 12, 15 ans."

Le constructeur a prototypé environ 300 assemblages, pas seulement les emboutis, mais des assemblages pour ce véhicule, a déclaré Karch.

"Beaucoup de nouvelles entreprises de véhicules électriques en démarrage veulent maintenant des emboutissages à court terme et à petit volume. C'est là que le travail à faible volume entre en jeu. Au début, ils ne savent vraiment pas quelles seront leurs quantités."

L'entreprise vient de terminer un gros projet pour un fournisseur de niveau 2 d'une nouvelle camionnette de livraison.

"Nous avons fait plus de prototypage que je n'en ai vu dans le passé. C'est accéléré. Donc, nous construisons les premières pièces, puis ils font des changements, et puis plus de changements et plus de changements. Nous finissons par exécuter des centaines de pièces.

"Je pense que nous voyons plus d'assemblages et plus de plateaux de batterie. Ils sont généralement en acier et/ou en aluminium. Je cite actuellement des extrusions d'aluminium, des pièces embouties et certains moulages pour un fournisseur direct d'un fabricant américain de groupe motopropulseur électrique, Lightning eMotors.

"Beaucoup de nos clients viennent nous voir parce qu'ils essaient de se précipiter vers la production. Ils essaient de mettre leurs produits en production plus rapidement, ce qui signifie qu'ils doivent prototyper rapidement", a déclaré Karch.

La fusion d'Auto Metal Craft avec TSG a déjà montré des avantages réciproques.

TSG ne doit plus manquer certains projets en raison d'un manque de capacités de prototypage. Il fournit tout depuis le début d'un projet jusqu'au stade du prototypage et assure le suivi de l'outillage de production sur le même projet. "Maintenant, ils peuvent dire : 'Nous pouvons vous fournir un prototype unique ou une série de 100 pièces ; ou si vous avez besoin d'une série de 500 000 pièces, nous avons également la capacité. Maintenant, nous pouvons faire le prototypage pour vous, puis construire les matrices dures pour ce même produit.' Cela leur a donc simplement donné un éventail plus large de capacités et un autre moyen d'augmenter leurs ventes », a déclaré Karch.

Un emboutissage de prototype montre où certaines caractéristiques de conception, telles que les angles vifs, pourraient ne pas être manufacturables.

TSG aide Auto Metal Craft de manière institutionnelle. TSG a des puits plus profonds pour financer les investissements en biens d'équipement. Il a également des programmes de simulation qu'Auto Metal Craft n'avait pas.

Parce que TSG a un personnel RH, cela aide Auto Metal Craft à faire face aux problèmes de main-d'œuvre. "Un problème que nous avions était de trouver la main-d'œuvre, le talent pour travailler dans cette industrie. C'est de plus en plus difficile. Au moins 90 % de tous ceux qui travaillent ici ont une expérience de tôlerie prototype.

"L'intention est de continuer à grandir avec TSG, pour que TSG continue de grandir avec nous, et d'être en mesure de rivaliser avec certaines des très grandes sociétés de prototypes", a ajouté Karch.

Plutôt que de réaliser des garnitures et des trous intérieurs dans la matrice, ils sont découpés au laser.