Les servomoteurs et les robots révolutionnent les applications additives. Découvrez les dernières astuces et applications pour la mise en œuvre de l'automatisation robotique et du contrôle de mouvement avancé pour la fabrication additive et soustractive, ainsi que les perspectives d'avenir : imaginez des méthodes hybrides additives/soustractives.
PROGRESSION DE L'AUTOMATISATION
Par Sarah Mellish et RoseMary Burns
L'adoption de dispositifs de conversion de puissance, de technologies de contrôle de mouvement, de robots extrêmement flexibles et d'un mélange éclectique d'autres technologies avancées est à l'origine de la croissance rapide de nouveaux procédés de fabrication dans le paysage industriel. Révolutionnant la façon dont les prototypes, les pièces et les produits sont fabriqués, la fabrication additive et soustractive en sont deux exemples parfaits, offrant aux fabricants l'efficacité et les économies de coûts recherchées pour rester compétitifs.
Appelée impression 3D, la fabrication additive (FA) est une méthode non traditionnelle qui utilise généralement des données de conception numériques pour créer des objets tridimensionnels solides en fusionnant les matériaux couche par couche, de bas en haut. Produisant souvent des pièces quasi-définitives (NNS) sans gaspillage, la FA est utilisée pour la conception de produits, qu'ils soient simples ou complexes, et continue de s'imposer dans des secteurs comme l'automobile, l'aérospatiale, l'énergie, le médical, les transports et les biens de consommation. À l'inverse, le procédé soustractif consiste à retirer des sections d'un bloc de matière par découpe ou usinage de haute précision pour créer un produit 3D.
Malgré des différences fondamentales, les procédés additifs et soustractifs ne s'excluent pas toujours mutuellement, car ils peuvent être utilisés pour compléter différentes étapes du développement d'un produit. Un premier modèle conceptuel ou prototype est souvent créé par le procédé additif. Une fois le produit finalisé, des lots plus importants peuvent être nécessaires, ouvrant la voie à la fabrication soustractive. Plus récemment, lorsque le temps est compté, des méthodes hybrides additives/soustractives sont appliquées pour des tâches telles que la réparation de pièces endommagées ou usées ou la création de pièces de qualité dans des délais plus courts.
AUTOMATISER L'AVANCEMENT
Pour répondre aux exigences strictes de leurs clients, les fabricants intègrent une gamme de fils métalliques tels que l'acier inoxydable, le nickel, le cobalt, le chrome, le titane, l'aluminium et d'autres métaux différents dans la fabrication de leurs pièces, en commençant par un substrat souple mais robuste et en terminant par un composant dur et résistant à l'usure. Cela a notamment révélé le besoin de solutions haute performance pour accroître la productivité et la qualité dans les environnements de fabrication additive et soustractive, notamment pour des procédés tels que la fabrication additive à l'arc (WAAM), la WAAM soustractive, le placage laser soustractif ou la décoration. Parmi les points forts :
- Technologie servo avancée :Pour mieux respecter les délais de mise sur le marché et les spécifications de conception des clients, notamment en termes de précision dimensionnelle et de qualité de finition, les utilisateurs finaux se tournent vers des imprimantes 3D avancées équipées de servomoteurs (plutôt que de moteurs pas à pas) pour un contrôle optimal des mouvements. Les avantages des servomoteurs, comme le Sigma-7 de Yaskawa, révolutionnent le processus additif et aident les fabricants à surmonter les problèmes courants grâce à des capacités d'optimisation de l'imprimante :
- Suppression des vibrations : les servomoteurs robustes sont dotés de filtres de suppression des vibrations, ainsi que de filtres anti-résonance et anti-encoche, produisant un mouvement extrêmement fluide qui peut éliminer les lignes étagées visuellement désagréables causées par l'ondulation du couple du moteur pas à pas.
- Amélioration de la vitesse : une vitesse d'impression de 350 mm/s est désormais possible, soit plus du double de la vitesse moyenne d'une imprimante 3D équipée d'un moteur pas à pas. De même, une vitesse de déplacement allant jusqu'à 1 500 mm/s peut être atteinte avec un moteur rotatif ou jusqu'à 5 mètres/s avec un servomoteur linéaire. L'accélération extrêmement rapide des servomoteurs hautes performances permet de positionner plus rapidement les têtes d'impression 3D. Cela contribue grandement à réduire le besoin de ralentir l'ensemble du système pour atteindre la qualité de finition souhaitée. Par ailleurs, cette amélioration du contrôle des mouvements permet également aux utilisateurs finaux de fabriquer davantage de pièces par heure sans compromettre la qualité.
- Réglage automatique : les systèmes servo peuvent effectuer indépendamment leur propre réglage personnalisé, ce qui permet de s'adapter aux changements dans la mécanique d'une imprimante ou aux variations d'un processus d'impression. Les moteurs pas à pas 3D n'utilisent pas de retour de position, ce qui rend presque impossible la compensation des changements dans les processus ou des écarts dans la mécanique.
- Retour d'information de l'encodeur : les systèmes d'asservissement robustes qui offrent un retour d'information absolu de l'encodeur n'ont besoin d'effectuer une routine de retour à la position initiale qu'une seule fois, ce qui se traduit par une disponibilité accrue et des économies de coûts. Les imprimantes 3D qui utilisent la technologie du moteur pas à pas ne disposent pas de cette fonctionnalité et doivent être ramenées à la position initiale à chaque mise sous tension.
- Capteur de rétroaction : l'extrudeuse d'une imprimante 3D peut souvent constituer un goulot d'étranglement dans le processus d'impression, et un moteur pas à pas ne dispose pas de la capacité de rétroaction nécessaire pour détecter un blocage de l'extrudeuse, un problème qui peut entraîner l'échec d'une impression complète. Dans ce contexte, les systèmes d'asservissement peuvent détecter les blocages de l'extrudeuse et empêcher le dénudage du filament. La clé d'une performance d'impression supérieure réside dans un système en boucle fermée centré sur un codeur optique haute résolution. Les servomoteurs équipés d'un codeur haute résolution absolue de 24 bits peuvent fournir une résolution de rétroaction en boucle fermée de 16 777 216 bits pour une meilleure précision des axes et de l'extrudeuse, ainsi qu'une synchronisation et une protection contre les blocages.
- Robots haute performance :Tout comme les servomoteurs robustes, les robots révolutionnent les applications additives. Leurs excellentes performances de trajectoire, leur structure mécanique rigide et leur indice de protection IP élevé contre la poussière, associés à un contrôle antivibratoire avancé et à une capacité multiaxes, font des robots six axes hautement flexibles une option idéale pour les processus exigeants liés à l'utilisation des imprimantes 3D, ainsi que pour les actions clés de la fabrication soustractive et des méthodes hybrides additives/soustractives.
L'automatisation robotisée, complémentaire aux machines d'impression 3D, couvre largement la manipulation des pièces imprimées dans des installations multi-machines. Du déchargement des pièces individuelles de la machine d'impression à leur séparation après un cycle d'impression multi-pièces, des robots hautement flexibles et performants optimisent les opérations pour un meilleur rendement et des gains de productivité.
Avec l'impression 3D traditionnelle, les robots facilitent la gestion de la poudre, le remplissage de poudre d'impression en cas de besoin et le retrait de la poudre des pièces finies. De même, d'autres tâches de finition de pièces courantes dans la fabrication métallique, comme le meulage, le polissage, l'ébavurage ou la découpe, sont facilement réalisables. Le contrôle qualité, ainsi que les besoins en matière d'emballage et de logistique, sont également pris en charge par la technologie robotique, ce qui permet aux fabricants de se concentrer sur des tâches à plus forte valeur ajoutée, comme la fabrication sur mesure.
Pour les pièces de plus grande taille, des robots industriels à longue portée sont équipés pour déplacer directement la tête d'extrusion d'une imprimante 3D. Associés à des outils périphériques tels que des bases rotatives, des positionneurs, des rails linéaires, des portiques, etc., ces robots offrent l'espace de travail nécessaire à la création de structures spatiales de forme libre. Outre le prototypage rapide classique, les robots sont utilisés pour la fabrication de pièces de forme libre de grand volume, de moules, de structures en treillis 3D et de pièces hybrides grand format. - Contrôleurs de machines multi-axes :Une technologie innovante permettant de connecter jusqu'à 62 axes de mouvement dans un environnement unique permet désormais la multisynchronisation d'une large gamme de robots industriels, de systèmes d'asservissement et de variateurs de fréquence utilisés dans les procédés additifs, soustractifs et hybrides. Une gamme complète d'appareils peut désormais fonctionner ensemble de manière transparente, sous le contrôle et la surveillance complets d'un automate programmable industriel (API) ou d'un contrôleur de machine IEC, tel que le MP3300iec. Souvent programmées avec un logiciel IEC 61131 dynamique, tel que MotionWorks IEC, ces plateformes professionnelles utilisent des outils courants (codes G RepRap, diagrammes fonctionnels, texte structuré, schémas à contacts, etc.). Pour faciliter l'intégration et optimiser la disponibilité des machines, des outils prêts à l'emploi, tels que la compensation de niveau du lit, le contrôle de l'avance de la pression de l'extrudeuse, le contrôle multibroche et le contrôle de l'extrudeuse, sont inclus.
- Interfaces utilisateur de fabrication avancées :Très utiles aux applications d'impression 3D, de découpe de formes, de machines-outils et de robotique, divers logiciels permettent de créer rapidement une interface graphique machine facilement personnalisable, ouvrant ainsi la voie à une plus grande polyvalence. Conçues dans un souci de créativité et d'optimisation, des plateformes intuitives, comme Yaskawa Compass, permettent aux fabricants de personnaliser facilement leurs écrans avec leur marque. De l'intégration des attributs machine de base à la prise en compte des besoins clients, la programmation est réduite : ces outils proposent une vaste bibliothèque de plug-ins C# pré-intégrés ou permettent l'importation de plug-ins personnalisés.
SURMONTER
Si les procédés additifs et soustractifs simples restent populaires, une évolution plus marquée vers la méthode hybride additive/soustractive se produira au cours des prochaines années. Le taux de croissance annuel composé (TCAC) devrait atteindre 14,8 % d'ici 2027.1Le marché des machines de fabrication additive hybride est prêt à répondre à l'évolution des demandes des clients. Pour se démarquer de la concurrence, les fabricants doivent peser le pour et le contre de la méthode hybride. Avec la possibilité de produire des pièces à la demande et une réduction significative de l'empreinte carbone, le procédé hybride additif/soustractif offre des avantages intéressants. Quoi qu'il en soit, les technologies avancées de ces procédés ne doivent pas être négligées et doivent être mises en œuvre en atelier pour améliorer la productivité et la qualité des produits.
Date de publication : 13 août 2021
