Parker Hannifin donne vie à son exosquelette robotisé grâce à la fabrication numérique
En associant analyse de conception poussée et extrême réactivité du processus de moulage, le chef de file du secteur de l’automatisation du mouvement parvient à accélérer grandement le développement de son invention
Tout a commencé il y a sept ans. Don Washkewicz, alors PDG de la société Parker Hannifin, met ses équipes au défi. Il fait appel à leur créativité en leur demandant : « quel est l’avenir de notre entreprise ? »
C’est avec une activité bourdonnante que les employés s’attellent à y répondre ; ils explorent de nouveaux domaines et étudient de nouvelles perspectives susceptibles d’assurer à la société une croissance durable pour de nombreuses années à venir. Cette initiative pousse l’entreprise à exploiter ses solides compétences en matière d’automatisation du mouvement pour concevoir des dispositifs robotiques adaptés au corps humain pour les secteurs prothétique et orthétique.
Poursuivant dans cette voie, l’équipe Parker Hannifin se rapproche de chercheurs de la Vanderbilt University, au Tennessee. Ils étudient ensemble la possibilité d’aider des patients atteints de paralysie des membres inférieurs à gagner en mobilité et à recouvrer la marche grâce à la robotique. Ils conçoivent un exosquelette composé d’une attelle motorisée bardée d’électronique. Mue par des batteries, elle est installée directement sur les hanches et les jambes.
En 2012, Parker Hannifin et Vanderbilt concluent un contrat permettant de breveter cette technologie. Très vite, Parker Hannifin se lance dans les travaux préalables à la commercialisation d’un exosquelette robotisé baptisé Indego. Dans le cadre de ses études doctorales, Ryan Farris avait participé à l’invention et à la conception de cette technologie pour la Vanderbilt University. Parker Hannifin le nomme directeur technique de l’unité opérationnelle chargée de commercialiser Indego.
À la recherche d’une matière et d’une solution de production polyvalents
Très tôt au cours de la conception du projet, Farris et son équipe réalisent que le temps passé à attendre des devis de fabrication et des pièces finies auprès des fournisseurs habituels de la société est trop long pour leurs échéances très serrées.
Dans un marché très compétitif, Farris sait bien que chaque jour de conception d’un produit peut signer la réussite ou l’échec d’un projet. Le temps est de la plus haute importance. Dans cette optique de réduction des cycles de conception et d’accélération de la production des pièces, Farris se tourne vers Protolabs pour la fabrication de prototypes et de pièces finies.
« Protolabs nous permet principalement de tester nos nouvelles idées », explique Farris. « Par exemple, lorsque nous étudions une amélioration potentielle de la conception, nous voulons être capables de fabriquer des pièces et de vérifier leur fonctionnement aussi vite que possible. »
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Pour la création d’un exosquelette robotisé, les ingénieurs de Parker Hannifin avaient besoin d’une solution de production rapide afin d’accélérer le développement et de réduire les risques de conception.  SolutionL’association de technologies de production numérique et du système automatisé de calcul de devis de Protolabs a permis de mener un processus de conception itératif sans sacrifier les délais de mise sur le marché.
La rapidité des solutions de moulage, d’usinage et d’impression 3D, ainsi que le calcul de devis interactif ont épargné à l’équipe de R&D des mois de travail de conception. |
L’un des problèmes de conception nécessitant de produire des pièces très rapidement était lié à un composant servant de conducteur de lumière. Cette pièce transmet vers l’extérieur la lumière d’une petite LED montée sur un circuit imprimé intégré afin d’afficher des informations sur l’état de l’appareil.
« Ce petit indicateur est particulièrement important, puisqu’il permet à l’utilisateur — qu’il ou elle soit paraplégique, victime d’un AVC ou autre — de déterminer l’état et le mode de l’appareil, et d’anticiper son comportement », ajoute Farris.
À l’origine, le conducteur de lumière était fabriqué à partir d’un matériau thermoplastique moulé. Après plusieurs cycles d’essais, ce matériau s’est avéré trop cassant pour supporter un usage quotidien intensif, le système étant conçu pour accompagner les mouvements de flexion de l’utilisateur. Farris explique également que le conducteur de lumière était intégré dans un assemblage dont les mouvements ne s’accordaient pas bien avec ceux du composant plastique rigide.
La fabrication rapide de pièces en caoutchouc silicone comble les lacunes de production
Farris et son équipe réévaluent alors la qualité du matériau utilisé pour le conducteur de lumière et décident de produire la pièce en silicone liquide (LSR). Une pièce en LSR moulé doit pouvoir suivre naturellement les mouvements de l’utilisateur tout en offrant suffisamment de résistance pour durer indéfiniment. Par ailleurs, le problème ne se limite pas à l’identification du matériau idéal. Il s’agit également de trouver une solution de moulage économique optimisée pour cette étape de développement, puisque la conception du produit n’est pas encore finalisée.
L’exosquelette robotisé en est toujours à l’état de prototype en attendant les approbations de la FDA, l’autorité américaine de sûreté des dispositifs médicaux. Un lourd investissement dans un processus de production traditionnel aurait donc été peu judicieux. Farris a donc recours au processus de moulage de LSR proposé par Protolabs afin de fabriquer rapidement plusieurs conducteurs de lumière pour tester la nouvelle conception en gardant la souplesse nécessaire pour reproduire la pièce au besoin.
Il remarque que le devis intéractif de Protolabs joue un rôle crucial pour accélérer le processus. Ses collaborateurs et lui sont habitués à télécharger des conceptions pour obtenir des devis en quelques heures, puis procèdent à des ajustements jusqu’à se situer dans une marge de coût acceptable. Cela autorise un processus de développement très itératif tout en réduisant les coûts de conception, puisque de nombreuses étapes peuvent être menées numériquement grâce au logiciel, sans avoir besoin de fabriquer les pièces correspondantes.
Le devis épargne des semaines de conception
Après réception des pièces LSR moulées, la nouvelle version est soumise à des essais. Elle présente la souplesse et la durabilité nécessaires pour endurer les contraintes d’une utilisation quotidienne d’Indego. « L’adoption d’une pièce en caoutchouc silicone liquide nous a donné entière satisfaction, déclare Farris. La transmission de lumière est excellente, l’indicateur est parfaitement visible pour l’utilisateur et nous n’avons pas rencontré de problèmes de résistance du matériau depuis ce changement. »
Farris estime que les services de moulage de Protolabs ont épargné un à deux mois de travail à son équipe en fabriquant les pièces en LSR en quelques jours seulement. Grâce à ses outils optimisés pour de petits volumes de production, Protolabs contribue à réduire les délais entre les premiers prototypes et la production définitive.
« Si nous avions essayé de fabriquer ces pièces en interne, cela nous aurait probablement pris un mois, en raison des limites de la bande passante », explique Farris.
Cette nouvelle conception représente pourtant bien plus qu’une simple amélioration du produit par un laboratoire de recherche et de développement. Farris apprécie notamment la stratégie plus générale de la société qui consiste à placer le service client au centre de la relation : les commentaires des utilisateurs sont bien pris en compte et les améliorations du produit mises en œuvre rapidement.
« Notre objectif est d’aller le plus vite possible. Dès que nous disposons d’innovations, notre avantage concurrentiel repose grandement sur notre rapidité d’exécution. Pour résoudre les problèmes concrets, notre réactivité traduit mieux que tout notre souci de servir nos clients », affirme-t-il.
Outre la pièce moulée en LSR, les ingénieurs et les concepteurs d’Indego s’appuient beaucoup sur les capacités d’usinage à commande numérique et d’impression 3D de Protolabs tout au long de l’élaboration de l’exosquelette robotisé. Farris indique par exemple avoir fait usiner des aménagements destinés à maintenir des composants en place lors du soudage par ultrasons. Il a également eu recours à l’impression 3D pour fabriquer des prototypes en nylon au moyen du frittage sélectif au laser avant de se tourner vers le moulage par injection.
Disposant d’une solution de fabrication à la demande, Parker Hannifin peut ainsi réduire les délais de conception, commercialiser des produits innovants plus vite et réagir plus efficacement aux retours des utilisateurs. D’une manière générale, en comptant les pièces moulées, Farris estime que l’unité opérationnelle consacrée aux mouvements humains de Parker Hannifin a fait fabriquer des milliers de composants par Protolabs. Il prévoit de continuer à exploiter ces services de production numérique pour élaborer les nouvelles générations d’Indego à l’avenir.