L'automatisation des munitions dépasse les besoins d'aujourd'hui pour l'avenir

Underwood Ammo a sauté quelques étapes dans son parcours d'équipement d'emballage, choisissant d'éviter une montée progressive et progressive vers une automatisation complète. Au lieu de cela, il a plongé dans les profondeurs avec un système monobloc avancé pour l'encartonnage, l'emballage en caisses et la palettisation.

Kevin Underwood a d'abord accroché un bardeau pour son entreprise, Underwood Ammo, en 2013 après avoir reconnu qu'il pouvait combler une lacune sur le marché pour de meilleures munitions à un prix raisonnable. Depuis lors, la marque a transformé la qualité de son produit en une réputation de premier ordre, et maintenant certains des principaux tireurs et chasseurs sur cible au monde, ainsi que les forces de l'ordre et l'armée, ne jurent que par les munitions. Et ils sont prêts à en parler à leurs amis et à leurs pairs.

Mais comme de nombreuses marques plus récentes, quel que soit leur secteur d'activité, qui fabriquent des produits ultra-premium à des volumes initiaux inférieurs, Underwood Ammo n'a pas commencé avec une installation fortement automatisée et de style éteint. C'était particulièrement vrai pour l'emballage. Il y a à peine un an, la plupart des opérations d'emballage, y compris le cartonnage, l'étiquetage et l'emballage des caisses, au siège social de la société de munitions à Sparta, dans l'Illinois, étaient entièrement effectuées à la main. Une certaine automatisation était en place pour placer des cartouches de munitions dans des plateaux en plastique moulés par injection via une machine de chargement de plateaux de munitions (ATLM), et les opérateurs utilisaient un cône de caisse automatique pour fermer les expéditeurs en carton ondulé, mais c'était à peu près tout. Pendant ce temps, la popularité croissante de la marque a créé une demande qui, compte tenu de la disponibilité limitée et du coût élevé de la main-d'œuvre, ne pouvait être satisfaite que par l'automatisation.

Lors de l'évaluation de la manière d'aborder l'automatisation de l'emballage, Kevin Underwood n'envisageait pas un an ou même cinq ans plus tard. Il regardait la situation dans son ensemble et se préparait à l'échelle. Il ne s'est donc pas soucié d'une installation intermédiaire ou semi-automatique, choisissant de passer d'une automatisation nulle à un système pratiquement évolutif. Le système d'encartonnage, d'encaissage et de palettisation monobloc personnalisé entièrement automatisé chez Underwood Ammo.

"Nous sautons quelques étapes, mais cela signifie que nous n'aurons pas à faire quelque chose plus d'une fois. … C'est à peu près comme ça que je travaille", plaisante Underwood.

Avec cette attitude, son équipe n'a pas été surprise que la première incursion d'Underwood dans les machines d'emballage intégrées ait été directement dans l'équipement entièrement automatisé d'Aagard, plongeant directement dans les profondeurs. Le projet personnalisé d'emballage secondaire dans une enceinte monobloc à faible encombrement comprend une encartonneuse, une encaisseuse et un palettiseur, ainsi que le codage et le marquage, la vision, etc.

Le système monobloc maintient la plus petite empreinte possible en éliminant l'espace perdu associé à des machines séparées pour chacune des opérations d'encartonnage, d'encaissage et de palettisation, évitant ainsi les longs transferts entre chacune. De plus, il permet aux changements de se produire avec une seule entrée IHM au lieu de trois.

"Les cartouches sont placées automatiquement dans des plateaux pour la plupart avec l'ATLM, donc notre plus gros goulot d'étranglement était [en aval de] cela, dans l'emballage", explique Underwood. "Nous avons essayé d'automatiser au fur et à mesure, donc nous continuons à avancer sur la ligne. Aagard était la dernière pièce du puzzle, et nous avons évidemment fait un grand pas en avant en allant vers autant d'automatisation et de sophistication."

Les plateaux de munitions provenant de l'ATLM sont placés dans des chariots à rouleaux, puis introduits à la main dans l'équipement Aagard. Cela signale de la place pour une automatisation future, mais nous en reparlerons plus tard. L'alimentation est double, avec deux voies parallèles à file unique de munitions en plateau, orientées dans le sens de la longueur, transportées dans l'équipement d'encartonnage. Compte tenu de l'état manuel ou semi-automatique des opérations en amont, l'inspection via les systèmes de vision et de numérisation Cognex a lieu immédiatement. Une configuration d'alimentation du plateau de munitions à deux niveaux permet de doubler la production à un rythme modéré et gérable.

"L'une des grandes choses que Kevin [Underwood] a brillamment faites au début de ce projet était de viser une capacité largement supérieure. Et puis, il a compris que certains des processus à ce jour, du moins jusqu'à ce qu'ils atteignent leur état futur, sont semi-automatisés. Il est possible qu'une cartouche [de munitions] manque à un plateau ; parfois, cela peut simplement arriver ", explique Eli Jeffers, superviseur chez Underwood Ammo. "Nous sommes donc allés de l'avant et avons mis l'inspection sur l'alimentation. Nous inspectons visuellement les plateaux avec une caméra, identifions quand [un tour manqué dans un plateau] est le cas, puis le suivons dans le système et le rejetons pour nous assurer qu'il n'est pas envoyé à un client. La dernière chose que vous voulez, c'est qu'un client soit court-circuité ; lorsqu'il s'agit d'un produit haut de gamme, il ne veut pas recevoir un plateau partiel. Nous faisons des efforts supplémentaires là-bas."

Dans un autre exemple de planification d'Underwood à l'avance, il introduisait déjà le « pull-down » dans le système au début du projet. Cela était évident lorsqu'il a opté pour une alimentation double ou double pour les plateaux de munitions, ainsi qu'une alimentation double pour ériger des cartons à partir de flans 2D. L'idée dans les deux cas était d'augmenter la capacité globale, tout en gardant des taux lents et gérables. Cette approche à deux niveaux réduit de moitié le taux pour les voies individuelles. Chaque piste effectue 25 cycles/min, mais avec un format à deux, Underwood bénéficie d'une capacité de 50 cartons/min. Les munitions en plateau sont couchées pour le chargement des cartons.

"Cela va de pair avec la philosophie d'Aagard de créer le mouvement le plus fluide possible", déclare Jonas Capistrant, responsable des ingénieurs d'applications, Aagard.

Il était également pratique d'avoir deux convoyeurs d'alimentation, car une telle disposition augmentait la quantité d'espace que les opérateurs pouvaient utiliser pour charger les plateaux de munitions lorsqu'ils étaient placés sur les convoyeurs d'alimentation à partir des opérations en amont.

"Notre objectif était à la fois de résoudre le goulot d'étranglement maintenant et celui à venir auquel nous n'avons même pas encore eu accès", a déclaré Underwood.

Les cartons sont introduits dans le système via deux magasins parallèles remplis de flans plats 2D. La société utilise des cartons refermables à languettes au lieu d'une fermeture à rabat adhésif complet, de sorte que le consommateur final peut facilement refermer les cartons après avoir chargé des cartouches individuelles de munitions. Les cartons sont érigés mécaniquement, via des pinces à vide à coupelles opposées, en cartons 3D avec des rabats à languette rabattables tous deux orientés vers le bas lorsqu'ils sont chargés dans deux volées parallèles, puis transportés en aval consécutivement.

"L'une des choses les plus courantes dans l'industrie est que les rabats à onglets repliés s'opposent les uns aux autres. Et à l'origine, c'est le format qu'ils prévoyaient ici, où vous repliez un rabat vers le haut et le rabat opposé vers le bas", explique Capistrant. "Mais pour les besoins de l'automatisation, c'est plus facile si les deux rabats de la languette de repli sont vers le bas et du même côté, de sorte qu'ils ne gênent pas lorsque nous chargeons les plateaux de munitions ou plus tard lorsque nous allons rentrer ce rabat. Nous ne voulons pas rentrer la languette dans le plateau en plastique, nous voulons qu'elle aille sans effort dans le carton. Nous avons donc modifié le carton pour que les rabats soient du même côté au lieu de s'opposer l'un à l'autre."

Un autre élément unique de la configuration de montage de carton est la pratique consistant à retirer les flans des magasins orientés dans le sens de la longueur, puis à utiliser l'effecteur d'extrémité mécanique pour les faire pivoter dans le sens de la largeur dans les vols du convoyeur, avec les rabats à languettes évasés vers l'extérieur. Les capteurs reconnaissent les emplacements de plateau vides.

"La conception originale, même au moment de la vente, était que nous allions faire quelque chose de plus traditionnel, où nous mettions les cartons debout dans le magazine. Mais ils ne se chargent pas aussi facilement à la main dans le magazine de cette façon", explique Capistrant. "Nous avons donc ajouté une fonctionnalité permettant de charger les flans de la manière la plus adaptée au chargement, c'est-à-dire dans le sens de la longueur. Ensuite, nous faisons pivoter les flans au fur et à mesure que nous les montons, et ils sont placés dans les taquets, ce qui nous donne le meilleur des deux mondes. Ils sont dans leur forme la plus stable lorsqu'ils sont chargés et également dans le bon format lorsqu'ils sont transportés en aval à travers la machine."

Les cartons eux-mêmes, qui sont fournis par Graphic Packaging International (GPI), sont des flans KD d'une épaisseur de 24 points avec le rabat (latéral) du fabricant préencollé, ce qui en fait le seul adhésif dans la partie emballage primaire du système. Les cartons sont imprimés sur un côté et utilisent un revêtement UV supplémentaire pour un meilleur impact en rayon.

"Nous voulons que nos emballages soient de qualité supérieure, ainsi que les munitions", déclare Underwood à propos des cartons robustes et joliment décorés. Les découpes de carton 2D résident dans des magasins orientés dans le sens de la longueur, puis pivotent à 90 degrés pendant le montage pour entrer dans les vols dans le sens de la largeur, avec les deux rabats à languettes vers le bas.

De retour sur la ligne d'emballage, au fur et à mesure que les cartons montés se déplacent le long de la ligne vers le chargement des cartons, les deux rabats à languettes orientés vers le bas sont chacun subductés sous une bride métallique. Cette station de pré-remplissage empêche les rabats d'interférer avec le chargement des munitions dans le carton en aval.

Pendant ce temps, les plateaux de munitions sur l'alimentation du produit sont tournés de 90 degrés pour se coucher sur le côté, avec les plateaux en plastique tournés vers l'aval et les extrémités de balle plus étroites des cartouches tournées vers l'amont. Ensuite, ils sont doucement chargés dans les cartons par un poussoir.

"Encore une fois, c'est pourquoi nous avons changé toute la conception pour que les rabats des onglets soient orientés vers le bas", explique Capistrant. "Nous protégeons ces volets [en les subductant sous la bride métallique], et un chargeur à entonnoir protège les coins du carton, empêchant le plateau en plastique ou même les cartouches de munitions d'attraper le bord du carton. C'est très intentionnel la façon dont il est installé à la station de chargement que les plateaux de munitions ont un chemin libre et dégagé pour entrer dans le carton.

"Lors de la fermeture, nous voulions que les onglets rentrent dans le carton au-dessus des plateaux", poursuit-il. "La gravité les retient, et la languette de repli pénètre dans le carton d'environ 2,5 cm lorsqu'ils sont fermés."

En rentrant la languette sur le plateau en plastique prostré, au lieu d'essayer de conduire la languette sous le plateau lourd où elle se trouve, le contenu du carton n'interfère pas avec la fermeture du carton des rabats de la languette de repli. Ces volets sont fermés à l'aide de la pneumatique Festo. Les rabats à languettes sont subductés sous une bride métallique après érection pour faciliter le chargement des plateaux de munitions.

Ceci est un autre cas où le format d'alimentation en deux entre à nouveau en jeu. Underwood investit dans un matériau en carton bien décoré, de sorte qu'un fonctionnement en douceur et plus lent qui protège soigneusement le carton et charge doucement les plateaux de munitions empêche les dommages inesthétiques à l'emballage primaire premium.

Les cartons chargés avec les languettes fermées sont ensuite codés et marqués avec un système à jet d'encre Videojet. Les données variables comprennent le calibre des munitions, le poids de la cartouche, une description du type de cartouche, un numéro de lot et un code UPC.

Les cartons fermés sont généralement poussés en travers d'une chambre à file unique dans une benne basculante, où ils sont empilés en formats 2x5 de 10 cartons. Ensuite, les cartons sont basculés sur leurs bords en les faisant pivoter de 90 degrés. Underwood note que la plupart des formats adhèrent à ce modèle 2x5, mais il y a une flexibilité pour différents modèles à l'avenir.

Le basculement sur le bord n'accomplit aucune fonction spécifique pour les cartons, il s'agissait simplement d'une exigence d'orientation ; cela fonctionnait mieux avec la disposition de la machine et la manière dont la machine monte les caisses. Un mécanisme dans le basculeur applique une pression sur les deux piles de cinq cartons pour les serrer ensemble, fournir un confinement à trois côtés et éliminer le jeu supplémentaire entre les cartons avant l'emballage des caisses.

Aux fins d'une visite guidée de la machine, nous nous sommes jusqu'à présent concentrés sur quelques SKU spécifiques d'arrangements 2x10 ou 4x5 de munitions de 20 ct dans des plateaux moulés par injection. Mais la société propose également des formats 5x10 pour une munition de 50 ct et une plus petite de 10 ct. Mais le plus important, tous ces formats sont disponibles dans de nombreux calibres de munitions et types de cartouches différents. Cela se traduit par 350 SKU différents qui sont emballés dans les 10 styles de carton différents actuellement programmés dans la machine. Au fur et à mesure qu'ils évoluent dans cet équipement, Jeffers s'attend à programmer jusqu'à 35 recettes différentes pour 35 formats d'emballage discrets différents. Les plateaux de munitions de l'alimentation double sont orientés pour être couchés sur le côté avant que les poussoirs ne les chargent dans des cartons.

Quelle que soit la façon dont vous le découpez, la gamme de produits est immense et les changements sont fréquents. C'est pourquoi Underwood a opté pour une fonctionnalité optionnelle, un changement entièrement automatisé.

"Le meilleur argent que j'aie jamais dépensé", déclare Underwood. "Je peux appuyer sur un bouton, et cela change plus de 96 % de la machine, et il a absolument fait exactement ce que nous espérions. Le temps de changement est minime à moins de 10 minutes. C'est évidemment une option coûteuse, mais cela en valait la peine. … Notre industrie a en fait un peu ralenti.

Un élément moins fréquemment discuté de la capacité de changement automatique est la facilité avec laquelle un CPG peut programmer et tester ses propres recettes, au lieu de compter sur l'OEM pour effectuer toute la programmation au début du projet, ou plus cher, via le support après-vente.

"S'ils avaient voulu que nous testions leurs 35 recettes, cela aurait été très compliqué pour nous. Nous avons donc fait en sorte qu'ils puissent configurer leurs propres tailles sans l'aide des techniciens d'Aagard. C'était un peu une courbe d'apprentissage au début, mais maintenant, ils mettent en place des recettes que nous ne connaissons pas", explique Capistrant. Les cartons sont formatés en piles 2x5, puis orientés en tournant à 90 degrés sur le bord, avant le confinement à trois côtés et un poussoir les chargeant dans une caisse en carton ondulé.

Jeffers ajoute : « C'est très simple. En fait, j'en ai installé un nouveau ce matin, et le processus total m'a pris 20 minutes tout au long, avec juste quelques ajustements mineurs ici et là, en changeant les décalages par millimètres. Une fois que toutes les hauteurs et largeurs sont parfaitement programmées avec un rejet normal, cela peut prendre environ 30 minutes maximum, du début à la fin. Et une fois qu'il est là, c'est permanent.

« Il s'agit d'une fonctionnalité que nous appelons Rapid Launch, notre technologie de machine qui permet à nos clients de configurer un nouveau produit en quelques minutes, plutôt que de moderniser l'équipement ou d'installer une autre ligne », explique Capistrant.

En parlant de prolifération de SKU, les opérations d'emballage de caisses sur le monobloc ont été conçues pour ériger et emballer des caisses en carton ondulé pouvant contenir une gamme de produits, des cartons de munitions de fusil de 8 pouces de long aux munitions de pistolet relativement courtes.

"Un emballeur de caisses de vol typique ne prend pas très bien en charge une gamme aussi large", déclare Capistrant. "Nous avons en fait conçu une configuration unique d'emballage de caisses à navette aérienne où nous pouvons réaliser une solide érection de gobelets opposés à partir du magasin de caisses en carton ondulé, le charger et être capable de gérer cette très grande gamme de caisses, d'une caisse très peu profonde qui n'est généralement pas prise en charge par les vols, jusqu'aux formats plus grands." Les caisses en carton ondulé sont emballées, fermées avec un équipement thermofusible et imprimées par jet d'encre avec des données variables avant la palettisation.

Des magasins contenant des ébauches de caisses en carton ondulé 2D sont situés sous les opérations de montage de caisses. Les opérateurs peuvent facilement recharger les magasins, malgré les opérations de prélèvement et de montage de flans au-dessus d'eux, grâce à des mesures de confinement et de sécurité soignées. Le format de la machine monobloc crée des barrières physiques entre les opérateurs et les composants en mouvement.

Les caisses sont fermées et scellées à l'aide d'un équipement d'adhésif thermofusible de Nordson, puis glissées dans une autre série de codage et de marquage. Dans cette opération, deux têtes d'impression à jet d'encre Videojet se faisant face impriment les mêmes données variables que celles imprimées sur l'emballage principal, cette fois sur le carton ondulé. Les caisses sont ensuite prélevées directement à l'extrémité de l'encaisseuse et de l'imprimante et sont transportées par navette aérienne dans un palettiseur à deux baies. En raison des cadences de palettes moyennes, le chargement de nouvelles palettes ne se produit pas aussi fréquemment qu'il le pourrait dans les opérations à plus grande vitesse (encore, au moins). Les distributeurs automatiques de palettes et les insertions d'intercalaires ne sont pas nécessaires à ce stade, ce qui réduit le coût du système.

La configuration à deux baies avec transport de caisses par navette aérienne et baies entièrement fermées laisse à l'opérateur suffisamment de temps pour retirer une palette complète et la déplacer vers l'emballage sous film étirable via l'équipement Orion, tandis que le système continue de créer un modèle d'emballage pour la deuxième palette dans la deuxième baie. Bien que les caisses soient transportées au-dessus de la tête par des navettes d'aspiration sous vide, une attention particulière au confinement de l'opérateur dans les deux baies de palettes permet à l'opérateur d'entrer en toute sécurité dans les baies pour récupérer les palettes remplies, tout comme c'était le cas lors de l'érection des caisses au-dessus des magasins vierges en carton ondulé. La machine fait glisser une barrière physique entre les opérations en mouvement et les opérateurs. Les caisses en carton ondulé sont emballées, fermées avec un équipement thermofusible et imprimées par jet d'encre avec des données variables avant la palettisation.

« Nous individualisons les caisses au fur et à mesure que nous les plaçons sur la palette, il y a donc beaucoup de flexibilité dans le modèle de palette et la façon dont nous les plaçons sur les palettes. Il a même la capacité de faire des modèles de moulinet », explique Capistrant. "Ces palettes sont assez lourdes, donc elles pèsent avant d'être dimensionnées, et cela nous donne beaucoup d'options."

Pour l'ensemble du système d'emballage, les composants d'automatisation, y compris les moteurs, les variateurs, l'API et l'IHM, sont tous de Rockwell Automation.

Une fois le système d'emballage monobloc opérationnel, Underwood a pu réaffecter la main-d'œuvre loin des opérations d'emballage fastidieuses, répétitives et peu ergonomiques et les placer dans des rôles plus utiles ailleurs dans l'installation.

"C'est juste une énorme économie de main-d'œuvre dans les opérations d'emballage, et c'était un travail que personne ne voulait faire", partage Underwood. "Ils pouvaient emballer une boîte assez rapidement, mais ça n'avait pas l'air amusant." Les caisses sont individualisées et palettisées par une navette aérienne, après codage et marquage directement sur le carton ondulé. Le poids des produits a tendance à maintenir la hauteur des palettes à un niveau bas, mais de nombreux modèles de palettes, y compris le moulin à vent, sont disponibles.

Le nouvel équipement d'emballage a également permis à Underwood et Jeffers de recentrer leur attention sur les opérations de mise en plateau en amont, leur donnant plus d'heures humaines pour aider à accumuler des plateaux et constituer un arriéré de munitions en plateau pour nourrir la bête Aagard. Mais cela ne fait que mettre en évidence le fait que d'énormes sauts dans l'automatisation comme celui-ci ne font que déplacer le goulot d'étranglement ailleurs sur la ligne. Et ce goulot d'étranglement se situe désormais dans les opérations de mise en plateau, à la fois manuelles et sur les ATLM.

"Une machine de plateauage automatisée plus rapide qui sera directement liée à l'Aagard, c'est la prochaine étape", déclare Underwood. "Nous alimentons cette machine à la main, mais l'intention est que cela finisse par être un processus transparent."

Et cela arrivera presque certainement bientôt, peut-être même dans un nouveau bâtiment - Underwood manque presque d'espace dans son installation actuelle. Il a déjà acheté la propriété et les plans sont en cours. Quel que soit l'endroit où cela se produit sur la ligne, une automatisation accrue et améliorée de la mise en plateaux et ailleurs est nécessaire pour tirer le meilleur parti de la nouvelle automatisation de l'emballage Aagard. Un format de palette à deux baies signifie que la palettisation dans une deuxième baie se poursuit pendant que les opérateurs retirent la palette d'une première baie. La machine isole les opérateurs de toutes les pièces mobiles avec une barrière physique pour la sécurité.

Mais cela a toujours été le plan d'Underwood : assurer la pérennité en augmentant les opérations bien plus que ne l'exigent les besoins actuels de la journée. Cela permettra à Underwood Ammo de devenir un équipement au fil du temps et d'éviter la montée en puissance progressive et progressive qui ralentit la progression.

"Une dernière grande partie de notre expérience avec Aagard a été leur service et leur service de garantie", conclut Underwood. "Ils ont vraiment pris soin de nous pour tout ce qui nous posait problème. Ils ont toujours été là pour passer la nuit, et si j'ai eu des questions, j'ai toujours pu envoyer un SMS à quelqu'un, et ils répondaient tout de suite. C'est une touche finale impressionnante pour une installation réussie. " -PW

Les personnes qui manipulent régulièrement des munitions ou qui connaissent bien les armes à feu savent que les problèmes de sécurité liés à la manipulation des munitions sont négligeables, du moins avant qu'elles ne soient chargées dans un canon.

Mais ceux qui ne sont pas aussi expérimentés dans ce domaine peuvent s'interroger sur la sécurité en ce qui concerne l'automatisation ou l'équipement mécanique manipulant des cartouches ou des regroupements de cartouches. Les connaisseurs disent que ce n'est pas vraiment un problème.

Tout d'abord, il faut beaucoup de force concentrée appliquée à une zone spécifique d'une cartouche pour activer l'amorce, de sorte qu'une décharge accidentelle lors de la manipulation mécanique est extrêmement rare. De plus, comme les cartouches ne sont pas chambrées dans un canon d'arme lorsque la décharge accidentelle a lieu, la dissipation d'énergie n'est pas concentrée dans une seule direction. La dissipation d'énergie rayonne vers l'extérieur dans toutes les directions à la fois, et la balle réelle à la tête de la cartouche ne sera pas projetée vers l'avant de manière ciblée, comme elle le ferait lorsqu'elle serait chambrée dans un canon directionnel.