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Le monde du conditionnement alimentaire est complexe et en constante évolution, car les consommateurs demandent de plus en plus des produits conditionnés dans des quantités et des tailles très diverses. Les industriels doivent donc être prêts à des changements chaque jour et leurs machines de conditionnement doivent être suffisamment flexibles et polyvalentes pour produire plusieurs types et tailles de conditionnements. Ces machines doivent également fonctionner à grande vitesse, avec une haute précision, pour que chaque produit soit conditionné correctement.

Conscients de ces exigences, les ingénieurs de Kliklok-Woodman, un constructeur de machines de conditionnement alimentaire qui possède des usines en Angleterre et en Géorgie aux États-Unis, ont développé conjointement une nouvelle machine de conditionnement : l’encartonneuse de fin de ligne CELOX. Cette machine installée en bout de ligne de production remplit des cartons de produits alimentaires conditionnés, puis les scelle.

L’encartonneuse CELOX est conçue pour être flexible et personnalisable, afin de simplifier et d’accélérer les changements lorsque des produits différents sont fabriqués. Sa conception rationalisée réduit les besoins de formation des employés. Et parce que l’accès direct au chargeur de cartons et le module d’insertion sont situés tous deux du même côté de la machine, un seul opérateur suffit.

Kliklok-Woodman a commencé à livrer l’encartonneuse CELOX à des industriels américains en 2007. Lorsque l’un des principaux industriels de l’agro-alimentaire américain a commandé récemment cette machine, les ingénieurs de Kliklok-Woodman en Géorgie ont réalisé qu’il fallait développer une nouvelle option de conception pour répondre aux besoins spéciaux de ce client.

Modélisation numérique

Pratiquement caché à l’intérieur de chaque machine, se trouve un pousse-rabat, un dispositif en forme de doigt qui écarte les rabats de chaque carton vers l’extérieur au moment opportun pour faciliter le chargement du produit dans le carton. Dans la conception originale de l’encartonneuse CELOX, le pousse-rabat était mû par un cylindre pneumatique ; sollicité à des vitesses élevées, il se serait usé beaucoup plus rapidement qu’un servovariateur.

Les ingénieurs devaient concevoir un nouveau pousse-rabat offrant une précision et une fiabilité garanties à des vitesses pouvant atteindre 325 cartons par minute.

Pour développer ce pousse-rabat asservi, les ingénieurs ont utilisé le logiciel Allen-Bradley® Motion Analyser de Rockwell Automation. Cet outil de modélisation et de simulation numériques permet de dimensionner et de sélectionner le système de mouvement optimal, c’est-à-dire la solution qui utilise la quantité appropriée d’énergie et atteint la vitesse et le rendement spécifiés. Le logiciel Motion Analyser réduit également le temps nécessaire pour concevoir, développer et livrer une nouvelle machine.

« Il était parfaitement logique d’utiliser Motion Analyser pour procéder au dimensionnement initial du moteur, car le mouvement du pousse-rabat dépend uniquement de la taille du carton en question et de ses rabats », explique Florin Bruda, ingénieur mécanicien chez Kliklok-Woodman. « J’ai pu intégrer les exigences spécifiques de l’utilisateur final et tester rapidement différentes tailles de servomoteurs pour trouver le bon, ce qui m’a évité d’avoir à tester chaque option sur une machine physique », ajoute-t-il.

Les ingénieurs de conception utilisent depuis plusieurs années SolidWorks de Dassault Systèmes, un logiciel de CAO pour la conception mécanique en 3D. Ils ont été ravis d’apprendre que Rockwell Automation avait conclu un partenariat stratégique avec Dassault Systèmes pour relier leurs progiciels de conception mécanique, informatique et électrique. SolidWorks s’intègre avec Motion Analyser via des interfaces de programmation (API, Application Programming Interface), qui établissent un lien dynamique entre les deux progiciels.

Les ingénieurs ont créé des profils de mouvement pour le pousse-rabat dans Motion Analyser ; puis ils ont transféré ces pro ??ls vers SolidWorks pour visualiser le mouvement de la machine. SolidWorks a ensuite calculé le couple ou la force nécessaire pour déplacer la charge avec son profil, que Motion Analyser a utilisé pour dimensionner et sélectionner les moteurs et les variateurs.

L’intégration entre SolidWorks et Motion Analyser a aidé les concepteurs à simuler rapidement différentes options de moteur afin de choisir la solution optimale pour cette application, et ce, sans avoir à acheter de logiciels propriétaires auprès d’un fournisseur externe.

Les ingénieurs de Kliklok-Woodman ont choisi un servomoteur Allen-Bradley B310P MP-Series Food Grade (MPF) de Rockwell Automation pour satisfaire les exigences de haute performance et de faible encombrement de l’industriel. Le moteur supporte également des pressions élevées, résiste au ruissellement de liquides corrosifs et il est plus fiable qu’un cylindre pneumatique.

Pour garantir la précision, l’exactitude et la fiabilité du mouvement, l’encartonneuse CELOX intègre aussi d’autres solutions dont les servovariateurs multi-axes Allen-Bradley Kinetix® 6000 afin de faciliter les réglages de vitesse et de position et d’accélérer les changements de produit. Une interface opérateur tactile Allen-Bradley PanelViewTM Plus 1000 permet de surveiller l’activité de la machine.

La machine utilise également un contrôleur d’automatisme programmable (PAC, Programmable Automation Controller) Allen-Bradley ControlLogix® L61, qui offre une plate-forme intégrée pour la commande de mouvement et le contrôle de la machine, et un seul environnement de programmation. Cette intégration réduit le stock de pièces détachées à gérer par l’utilisateur final.

Fin de la méthode empirique

En modélisant et en prototypant numériquement la conception des machines, les ingénieurs mécaniciens, électriciens et automaticiens peuvent collaborer plus tôt durant la phase de conception. Kliklok-Woodman a écourté la phase de conception de la nouvelle machine CELOX en combinant conceptions électrique et mécanique dans une seule étape. Motion Analyser a aidé M. Bruda à dimensionner le moteur et a permis à l’ingénieur mécanicien de réaliser simultanément des tâches telles que le dimensionnement du réducteur.

Kliklok-Woodman estime avoir réduit le temps de conception d’un tiers par rapport à l’utilisation de calculs manuels et d’une méthode empirique pour trouver la taille correcte du moteur. Cette réduction du délai de conception a permis de réduire la fenêtre de livraison. L’utilisation de Motion Analyser a également éliminé les coûts matériels que l’entreprise aurait supportés si elle avait dû construire un nouveau pousse-rabat pour tester différentes tailles de moteur.

« Nous sommes un client de Rockwell Automation depuis plus de 20 ans et nous continuons à profiter de ses technologies innovantes », indique M. Bruda. « Aucun des autres principaux fournisseurs d’automatismes ne propose un logiciel de ce type pour le dimensionnement des moteurs. Motion Analyser nous permet d’adapter le moteur en fonction des exigences spécifiques de nos clients sans devoir faire appel à une entreprise extérieure pour qu’elle dimensionne le moteur avec un logiciel propriétaire. »