Bien que cela ne soit pas évident, il existe un lien étroit entre la technologie de fabrication et l'innovation. Elon Musk parle souvent des « machines qui construisent les machines » comme étant le véritable catalyseur de son entreprise spatiale et automobile.

En utilisant moins cher, des processus plus évolutifs permettent à Space X de lancer des missions avec des budgets et une vitesse qui seraient impensables avec les méthodes de fabrication à l'ancienne de la NASA. Et la conception peu orthodoxe du nouveau Tesla Cybertruck semble tirer parti d'un processus de fabrication simplifié qui supprime le métal "d'estampage" au profit du pliage et du pliage des tôles.

Désormais, une nouvelle méthode de fabrication appelée « forge robotisée » a le potentiel de révolutionner la façon dont les pièces structurelles de haute qualité sont fabriquées, résultant en une nouvelle classe de produits personnalisés et optimisés. Je fais partie d'une coalition lâche d'ingénieurs développant ce processus, une technique que je crois peut aider à relancer la fabrication américaine.

Les technologies d'aujourd'hui

Les pièces métalliques sont utilisées dans toutes sortes d'applications hautes performances et critiques pour la sécurité dans le transport, exploitation minière, équipements de construction et de production d'électricité tels que les moteurs à turbine. La plupart sont fabriqués en utilisant l'un des quelques procédés de fabrication classiques qui n'ont pas beaucoup changé depuis des décennies.

L'usinage découpe la matière première pour obtenir la forme souhaitée; la coulée consiste à verser du métal en fusion dans un moule ; et le formage ou le forgeage déforme et presse le métal dans de nouvelles formes. Le moulage et le forgeage nécessitent généralement des moules ou des matrices personnalisés dont la conception et la fabrication peuvent prendre beaucoup de temps et d'argent, mais une fois en cours d'exécution sont très productifs; les pièces sont peu coûteuses avec des propriétés hautement reproductibles. C'est pourquoi les écrous et les boulons peuvent être bon marché et fiables.

Peu après la Seconde Guerre mondiale, la fabrication numérique a inauguré une production plus agile, d'abord avec un usinage à commande numérique par ordinateur qui découpe des composants de toutes sortes de formes à partir de blocs métalliques. Produire un composant différent était aussi simple que de lancer un nouveau programme informatique. L'un des inconvénients courants de l'usinage à commande numérique par ordinateur est un faible rapport "fly-to-buy", où un 1, Un bloc de titane de 1 000 livres pourrait être taillé pour produire un composant aérospatial de 100 livres. C'est cher et c'est un gaspillage pour l'environnement, mais aucun nouvel investissement n'est nécessaire et les délais sont courts.

À l'heure actuelle, il y a aussi un enthousiasme mérité pour la fabrication de telles pièces par impression 3D, également appelée fabrication additive. Ce procédé permet également de fabriquer des pièces à partir d'un fichier informatique à la demande en construisant une pièce une couche à la fois. Des formes impossibles à réaliser par usinage peuvent être imprimées, permettant de nouvelles formes qui, par exemple, avoir des passages internes pour le refroidissement ou la communication.

Bien que ces techniques aient leurs avantages, ils ont aussi des inconvénients. Ils ne produisent souvent pas les plus hauts niveaux de résistance ou de ténacité et ces processus sont inutiles.

Robots et forge

Les outils métalliques fabriqués par les forgerons ont souvent une force légendaire parce que le travail du métal, comme le pétrissage de la pâte, affine sa structure, plus homogène. Comme le matériau est façonné, il développe la force directionnelle, tout comme le bois est plus fort dans le sens de son grain. Cependant, aucun forgeron humain ne peut traiter des pièces de la taille d'un train d'atterrissage d'avion ou avoir la reproductibilité et l'endurance nécessaires pour fabriquer les pièces nécessaires à notre économie.

L'idée de la forge robotique est d'étendre l'art du forgeron avec de nouvelles capacités numériques. Les pièces sont façonnées en formant de manière répétée et incrémentielle une pièce de métal qui est positionnée avec précision dans une presse. Ce système de presse ou de marteau motorisé échangera les outils en fonction de la forme requise.

En automatisant le processus de mise en forme d'une pièce, mais en utilisant l'approche de base d'un forgeron, une machine peut traiter des pièces plus grandes et être plus efficace et reproductible qu'un humain ne le pourrait jamais.

Cette nouvelle approche a le potentiel de fabriquer efficacement et systématiquement les « os » structurels à l'intérieur des avions, navires, sous-marins et locomotives. Ou le concept pourrait être réduit pour fabriquer de petits implants médicaux individualisés.

Où la technologie s'installera-t-elle ?

Le concept de base de la forge robotique, formellement appelée fabrication métamorphique, a été démontré en 2017 lorsqu'une équipe d'étudiants de premier cycle de l'Ohio State University a ajouté du matériel et des logiciels à une fraiseuse à commande numérique informatique conventionnelle pour l'adapter à une déformation contrôlée. Le travail était en réponse à un 25 $ US, 000 défi lancé par le consortium financé par le gouvernement LIFT (Lightweight Innovations for Tomorrow) pour démontrer les concepts clés de la mise en forme basée sur la déformation à commande numérique.

Mais ce n'était qu'un début. Aujourd'hui, il reste encore beaucoup de recherche et de développement avant que nous ayons des machines autonomes qui façonnent le métal en articles uniques et critiques pour la sécurité.

Développer pleinement le robot forgeron nécessite une synthèse des technologies. Le système doit pouvoir connaître la forme, température et état du matériau à chaque emplacement de la pièce en cours de formation. Ensuite, il doit être capable de contrôler la température pour produire la bonne structure et les bonnes propriétés. La presse doit presser le composant là où c'est nécessaire avec un contrôle robotique, déformer la pièce petit à petit. Et, un ordinateur doit prendre des décisions sur la façon de déplacer et de frapper la pièce ensuite afin d'optimiser la forme et les propriétés, souvent apprendre de la façon dont les pièces précédentes ont été faites.

Toutes ces technologies de base progressent rapidement, et il n'y a aucune raison qu'ils ne puissent pas être rapidement fusionnés en une technologie de fabrication utile et pratique, comme l'a montré une récente étude de feuille de route.

L'histoire montre que lorsque divers groupes se réunissent pour former une nouvelle industrie, le berceau de cette innovation (transformer l'idée en entreprise) en récolte les bénéfices à long terme. Detroit avec les automobiles et la Silicon Valley avec les ordinateurs en sont des exemples évidents, mais il y a aussi la fabrication de verre à Tolède, l'ingénierie des polymères à Akron et l'ingénierie des dispositifs médicaux à Minneapolis. Les exemples les plus récents de grappes techniques florissantes se trouvent souvent en dehors des États-Unis, avec la fabrication d'électronique personnelle centrée autour de Shenzhen, Chine, et des dispositifs semi-conducteurs avancés à Singapour. Les premiers groupes étaient fortuits. Les derniers sont généralement le résultat de décisions politiques délibérées et intelligentes.

Il existe déjà de nombreux exemples de grande technologie née aux États-Unis, puis fabriqué ailleurs. Par exemple, de nombreuses technologies de base des smartphones ont été développées dans des laboratoires aux États-Unis, mais la production est maintenant répartie dans le monde entier. La prochaine vague d'innovation se situera probablement là où les compétences sont profondes grâce à la dotation en personnel et à l'amélioration des usines actuelles. La forge robotique offre une opportunité aux États-Unis d'être le leader s'ils le souhaitent. Le cœur du maintien de ce cercle vertueux dans n'importe quel endroit réside dans le développement des usines, ou les machines qui construisent les machines.

Cet article est republié à partir de The Conversation sous une licence Creative Commons. Lire l'article original.