Le processus étonnamment manuel de construction de faisceaux de câbles automobiles

Même depuis les tout premiers jours de l'ère automobile, les voitures et les camions ont été des hybrides de conception mécanique et électrique. Pour chaque piston glissant de haut en bas dans un cylindre, il y a une bougie d'allumage qui doit être allumée au bon moment pour faire fonctionner le moteur, et appuyer sur la pédale de frein ferait mieux de faire s'allumer les feux de freinage en même temps la pression hydraulique pince les rotors de roue entre les plaquettes de frein.

Sans connexions électriques, un véhicule à moteur utile est une impossibilité pratique. Même bien avant que l'électricité ne devienne le carburant de choix pour les véhicules, les câbles qui relient les ordinateurs, les capteurs, les actionneurs et les indicateurs nécessaires au fonctionnement des systèmes d'un véhicule devenaient de plus en plus compliqués d'année en année. Après le moteur et le châssis, le câblage et l'électronique d'une voiture sont son troisième composant le plus cher, et on estime que d'ici 2030, la moitié du coût moyen d'un véhicule sera bloquée dans son système électrique, contre 30 % en 2010.

S'assurer que tous ces signaux arrivent là où ils vont, et le faire de manière sûre et fiable, c'est le travail des faisceaux de câbles d'un véhicule, les faisceaux de câbles qui semblent occuper toutes les zones possibles d'une voiture moderne. La conception et la fabrication de faisceaux de câbles est un processus complexe qui repose sur des logiciels spécialisés, un degré d'automatisation et une quantité surprenante de ressources humaines.

L'idée de cet article est venue d'une conversation que j'ai eue avec Elliot Williams et d'une mention désinvolte d'une conversation qu'il a eue avec un ingénieur qui fabrique des logiciels pour concevoir des faisceaux de câbles de voiture. Ma première pensée a été : "Il existe un logiciel pour faire ça ?" qui a été rapidement suivi par "Bien sûr qu'il existe un logiciel pour faire ça !". Le câblage nécessaire pour faire fonctionner un véhicule moderne n'est pas quelque chose qui peut être fait ad hoc - les faisceaux de câbles sont hautement conçus, à la fois pour gérer les demandes qui leur seront imposées électriquement et mécaniquement, non seulement pour s'adapter à l'espace disponible mais pour survivre aux rigueurs de peut-être plusieurs décennies d'utilisation dans des conditions environnementales difficiles.

Les faisceaux de câbles doivent également pouvoir être fabriqués en tant que composants séparés. La fabrication de voitures et de camions n'est de plus en plus qu'un processus d'assemblage final, où les travailleurs ajoutent des pièces fabriquées par des sous-traitants au châssis d'un véhicule au fur et à mesure de son déroulement. Et en fait, les faisceaux de câbles font partie des tout premiers composants ajoutés au véhicule naissant, ce qui témoigne à la fois de leur importance pour le produit fini et explique à quel point il peut être difficile d'accéder à certains d'entre eux s'ils doivent être entretenus plus tard.

La conception d'un faisceau de câbles commence à peu près comme n'importe quelle conception de circuit complexe : avec un schéma. Dans la plupart des véhicules modernes, à peu près tout communique avec un ou plusieurs des dizaines de modules de commande électroniques, dispersés autour du véhicule pour tout contrôler, du calage de l'allumage et de l'injection de carburant aux commandes CVC et aux paramètres du système d'infodivertissement. Les faisceaux de câbles doivent être conçus pour chaque ECM, pour fournir des connexions d'alimentation et de données à chaque capteur et actionneur, en tenant compte du dimensionnement du câble pour la charge, en fournissant des connexions de mise à la terre appropriées et en s'assurant que les connecteurs appropriés sont utilisés.

Alors que le processus de conception initial d'un faisceau de câbles peut utiliser des outils EDA plus ou moins standard, la représentation schématique bidimensionnelle du faisceau doit finalement être traduite en structure tridimensionnelle du véhicule. Pour ce travail, des outils EDA et CAO plus spécialisés sont utilisés. Un acteur majeur dans ce monde semble être CATIA de Dassault Systèmes, qui dispose des outils nécessaires non seulement pour créer le schéma 2D mais aussi pour le traduire dans l'espace 3D d'un châssis de véhicule. Ces outils permettent au concepteur de créer des faisceaux de câbles, d'ajouter des connecteurs, de définir des branches hors du faisceau principal, de définir les chemins sur lesquels chaque faisceau sera posé et de rechercher tout conflit entre le faisceau et le reste de la structure du véhicule. Ils permettent également au concepteur de spécifier comment les fils vont être regroupés - ruban adhésif ou métier à tisser, par exemple - et où et comment le faisceau sera attaché au véhicule.

La retenue physique du harnais soulève une autre considération de conception importante : le mou. Il est essentiel de créer la bonne quantité de mou dans chaque faisceau et branche d'un faisceau de câbles. Trop de mou est un gaspillage, à la fois en termes de cuivre nécessaire pour le fil supplémentaire et en termes d'efficacité énergétique réduite grâce au poids supplémentaire. Un jeu excessif peut également entraîner des dommages physiques au harnais en raison de l'abrasion de la carrosserie ou des éléments de châssis du véhicule, ou en s'accrochant aux dangers de la route ou même en étant piétiné par les passagers. Un jeu insuffisant est également un problème - les fils qui n'ont pas de jeu peuvent s'étirer et se casser lorsque le châssis du véhicule se tord et fléchit, et des fils trop serrés peuvent rendre difficile le détachement des connecteurs pour les réparations. Les outils EDA de harnais sont capables de calculer la bonne quantité de mou pour un faisceau et de placer des dispositifs de retenue et de retenue au bon endroit pour s'assurer que les fils fléchissent juste assez, mais pas trop.

Une fois le modèle 3D du harnais finalisé, la conception doit être traduite en quelque chose qui peut être fabriqué. Et comme les principales méthodes de fabrication utilisées pour les faisceaux de câbles reposent toutes sur l'utilisation de planches à clous - plus sur lesquelles ci-dessous - la conception 3D minutieuse doit être aplatie dans un dessin 2D. CATIA dispose d'outils automatisés pour l'aplatissement, le résultat final étant un dessin 2D qui détaille exactement où chaque fil d'un faisceau ira, quelle broche dans quel connecteur il se terminera, et où et quel type d'accessoires, comme des clips de retenue, des œillets, des attaches de câble ou des manchons de protection contre l'abrasion, seront ajoutés. La sortie du processus de mise à plat représente un ensemble complet d'instructions de travail qui peuvent être envoyées à un sous-traitant.

Avec l'automatisation de la quasi-totalité de la fabrication, en particulier pour les véhicules à moteur, où des centaines de milliers de cycles de production ne sont pas rares, on pourrait penser que la fabrication de faisceaux de câbles doit être complètement automatisée. Après tout, comment peut-on s'attendre à ce qu'un sous-traitant puisse faire face au volume de faisceaux nécessaires à une usine automobile moderne, en particulier avec des méthodologies allégées et une production juste à temps ? Il doit sûrement y avoir d'énormes machines CNC qui utilisent les instructions de travail pour enrouler les fils et les regrouper tous ensemble, n'est-ce pas ?

Faux. Après la phase de conception, presque toute la fabrication de faisceaux de câbles est strictement une entreprise manuelle. Il s'avère que la dextérité humaine et la coordination œil-main sont vraiment difficiles à égaler avec des robots. Les usines de faisceaux de câbles emploient des milliers de travailleurs pour assembler à la main presque chaque pièce d'un faisceau de câbles. Oui, il existe des outils pour vous aider, mais la plupart d'entre eux sont utilisés pour couper, dénuder, terminer et enrouler les fils qui seront éventuellement utilisés par les travailleurs humains pour construire le faisceau, un fil à la fois.

La manière traditionnelle de construire un faisceau de câbles est sur une planche à clous. Aussi appelé panneau de coffrage ou panneau de harnais, il s'agit essentiellement d'une grande surface plane à laquelle sont fixés une variété de fixations pour maintenir temporairement les fils et les connecteurs. Les luminaires sont disposés pour représenter la conception aplatie du faisceau, et les instructions imprimées sur le tableau indiquent quels fils doivent être acheminés où. Les planches sont généralement travaillées verticalement, en se penchant légèrement vers l'arrière pour empêcher les fils de tomber avant qu'ils ne soient fixés.

Un ouvrier fabrique rarement un faisceau de câbles complet. Au lieu de cela, une chaîne de planches à clous identiques est enroulée autour du sol de l'usine sur un carrousel motorisé, se déplaçant lentement et constamment d'un travailleur à l'autre. Chaque travailleur ajoute un ensemble spécifique de fils au harnais en croissance avant que la planche ne passe au travailleur suivant avec un ensemble de tâches différent. En plus de placer les fils, certains travailleurs sont chargés de fixer les faisceaux avec des attaches de câble, d'ajouter des manchons de protection ou d'envelopper les parties du faisceau dans du ruban adhésif.

Ce sont ces compétences motrices fines qui font de l'automatisation complète de la fabrication de faisceaux de câbles une proposition difficile. Enfiler des fils à travers une longueur de métier à tisser en plastique est une tâche triviale pour la plupart des humains, mais il serait difficile de construire un robot à faire. Il convient de noter, cependant, que cela est vrai principalement parce qu'il y a beaucoup de gens prêts à faire un tel travail pour des salaires relativement bas. Des entreprises comme Yazaki, qui détient actuellement environ 30 % du marché mondial de la production de faisceaux de câbles, emploient des centaines de milliers de personnes dans le monde, en particulier dans les régions en développement. Les forces économiques favorisent actuellement la poursuite de ce modèle, mais comme nous l'avons vu à maintes reprises, tout le monde veut finalement pouvoir acheter ce qu'il fabrique pour d'autres personnes, de sorte que l'offre de travailleurs prêts à faire ce genre de travail pour de bas salaires est limitée. Peut-être alors sera-t-il judicieux d'investir dans une automatisation complète tout au long de la chaîne de production des faisceaux de câbles.