Les servomoteurs et les robots révolutionnent les applications de la fabrication additive. Découvrez les dernières astuces et applications pour la mise en œuvre de l'automatisation robotique et du contrôle de mouvement avancé dans les procédés de fabrication additive et soustractive, ainsi que les perspectives d'avenir : pensez aux méthodes hybrides additives/soustractives.
AUTOMATISATION AVANCÉE
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 ensemble varié d'autres technologies de pointe est un facteur clé de la croissance rapide des nouveaux procédés de fabrication dans le secteur industriel. Révolutionnant la manière dont les prototypes, les pièces et les produits sont fabriqués, la fabrication additive et soustractive sont deux exemples éloquents qui ont permis aux fabricants d'atteindre les gains d'efficacité et de réduction des coûts nécessaires pour rester compétitifs.
L'impression 3D, ou fabrication additive (FA), est une méthode non conventionnelle qui utilise généralement des données de conception numérique pour créer des objets tridimensionnels solides en fusionnant des matériaux couche par couche, de bas en haut. Permettant souvent de fabriquer des pièces quasi-nettes sans gaspillage, la FA, utilisée pour la conception de produits simples comme complexes, continue de se généraliser dans des secteurs tels que 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 matériau par découpe ou usinage de haute précision pour créer un produit 3D.
Malgré des différences importantes, les procédés additifs et soustractifs ne sont pas toujours incompatibles : ils peuvent se compléter à différentes étapes du développement produit. Un prototype ou une maquette est souvent réalisé par fabrication additive. Une fois le produit finalisé, des séries plus importantes peuvent être nécessaires, ce qui ouvre la voie à la fabrication soustractive. Plus récemment, lorsque le temps est un facteur critique, des méthodes hybrides additives/soustractives sont utilisées pour réparer des pièces endommagées ou usées, ou pour fabriquer des 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 matériaux de fil, tels que l'acier inoxydable, le nickel, le cobalt, le chrome, le titane, l'aluminium et d'autres métaux différents, dans la construction de leurs pièces. Ils partent d'un substrat souple mais résistant et terminent par un composant dur et résistant à l'usure. Cette évolution a notamment mis en évidence le besoin de solutions hautes performances pour une productivité et une qualité accrues dans les environnements de fabrication additive et soustractive, en particulier pour des procédés comme la fabrication additive par arc fil (WAAM), la WAAM soustractive, le rechargement laser soustractif ou la décoration. Points saillants :
- Technologie servo avancée :Pour mieux répondre aux objectifs de délai de mise sur le marché et aux spécifications de conception des clients, notamment en matière 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, tels que le Sigma-7 de Yaskawa, révolutionnent le processus de fabrication additive, permettant aux fabricants de surmonter les problèmes courants grâce à des performances accrues de l'imprimante.
- Suppression des vibrations : les servomoteurs robustes sont dotés de filtres de suppression des vibrations, ainsi que de filtres anti-résonance et coupe-bande, ce qui permet un mouvement extrêmement fluide capable d’éliminer les lignes en escalier 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 une réalité, soit plus du double de la vitesse d’impression moyenne d’une imprimante 3D à moteur pas à pas. De même, une vitesse de déplacement allant jusqu’à 1 500 mm/s peut être atteinte grâce à la technologie rotative, ou jusqu’à 5 m/s grâce à la technologie des servomoteurs linéaires. L’accélération extrêmement rapide offerte par les servomoteurs haute performance permet de positionner les têtes d’impression 3D avec une grande rapidité. Ceci contribue grandement à réduire la nécessité de ralentir l’ensemble du système pour obtenir la qualité de finition souhaitée. Par conséquent, cette amélioration du contrôle de mouvement permet également aux utilisateurs finaux de fabriquer davantage de pièces par heure sans compromettre la qualité.
- Réglage automatique : les servomoteurs peuvent effectuer leur propre réglage personnalisé de manière autonome, ce qui permet de s’adapter aux modifications mécaniques de l’imprimante ou aux variations du processus d’impression. Les moteurs pas à pas 3D, quant à eux, ne disposent pas de retour d’information sur la position, ce qui rend presque impossible la compensation des changements de processus ou des écarts mécaniques.
- Retour d'information de l'encodeur : les systèmes servo robustes offrant un retour d'information absolu de l'encodeur ne nécessitent qu'une seule procédure de mise à l'origine, ce qui améliore la disponibilité et réduit les coûts. Les imprimantes 3D utilisant la technologie des moteurs pas à pas ne disposent pas de cette fonctionnalité et doivent être mises à l'origine à chaque mise sous tension.
- Détection de retour d'information : 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 possède pas la capacité de détection de retour d'information nécessaire pour déceler un bourrage de l'extrudeuse – un défaut qui peut ruiner une impression entière. C'est pourquoi les systèmes servo peuvent détecter les bourrages de l'extrudeuse et éviter le décollement 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 absolu haute résolution 24 bits peuvent fournir une résolution de retour d'information en boucle fermée de 16 777 216 bits pour une précision accrue des axes et de l'extrudeuse, ainsi que pour la synchronisation et la protection contre les bourrages.
- Robots haute performance :Tout comme les servomoteurs robustes transforment les applications de fabrication additive, les robots font de même. Leurs excellentes performances de trajectoire, leur structure mécanique rigide et leur indice de protection élevé contre la poussière (IP), associés à un contrôle anti-vibration avancé et à une capacité multi-axes, 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 étapes clés de la fabrication soustractive et des méthodes hybrides additives/soustractives.
L'automatisation robotique, complémentaire aux imprimantes 3D, englobe largement la manutention des pièces imprimées dans les installations multi-machines. Du déchargement des pièces individuelles de l'imprimante à leur séparation après un cycle d'impression, des robots hautement flexibles et performants optimisent les opérations pour un débit et une productivité accrus.
En impression 3D traditionnelle, les robots facilitent la gestion de la poudre, en rechargeant l'imprimante et en retirant la poudre des pièces finies. De même, d'autres opérations de finition courantes en métallurgie, comme le meulage, le polissage, l'ébavurage ou la découpe, sont réalisées aisément. Le contrôle qualité, ainsi que les besoins en emballage et en logistique, sont également pris en charge efficacement par la robotique, permettant aux fabricants de se concentrer sur des tâches à plus forte valeur ajoutée, comme la fabrication sur mesure.
Pour les pièces de 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 créent l'espace de travail nécessaire à la fabrication de structures spatiales aux formes libres. Outre le prototypage rapide classique, les robots sont utilisés pour la fabrication de pièces de grande série aux formes libres, 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 rend désormais possible la multisynchronisation d'une large gamme de robots industriels, de servomoteurs et de variateurs de fréquence utilisés dans les procédés additifs, soustractifs et hybrides. Une famille complète d'appareils peut ainsi fonctionner de manière transparente sous le contrôle et la supervision d'un automate programmable (PLC) ou d'un contrôleur machine IEC, tel que le MP3300iec. Souvent programmées avec un logiciel IEC 61131 dynamique, comme MotionWorks IEC, ces plateformes professionnelles utilisent des outils familiers (codes G RepRap, diagrammes fonctionnels, texte structuré, diagrammes à contacts, etc.). Pour faciliter l'intégration et optimiser la disponibilité machine, des outils prêts à l'emploi sont inclus, tels que la compensation du nivellement du plateau, le contrôle de l'avance de pression de l'extrudeuse et la gestion de plusieurs broches et extrudeuses.
- Interfaces utilisateur pour la fabrication avancée :Très utiles pour les applications d'impression 3D, de découpe de formes, d'usinage et de robotique, divers logiciels permettent de créer rapidement une interface machine graphique facilement personnalisable, offrant ainsi une plus grande polyvalence. Conçues pour favoriser la créativité et l'optimisation, des plateformes intuitives comme Yaskawa Compass permettent aux fabricants de personnaliser facilement leurs écrans et d'y intégrer leur marque. De l'intégration des fonctionnalités essentielles de la machine à la prise en compte des besoins clients, la programmation requise est minime : ces outils proposent une vaste bibliothèque de modules C# prédéfinis ou permettent l'importation de modules personnalisés.
SURMONTER
Bien que les procédés additifs et soustractifs simples restent populaires, une transition plus marquée vers la méthode hybride additive/soustractive s'opérera au cours des prochaines années. On prévoit une croissance annuelle composée (TCAC) de 14,8 % d'ici 2027.1Le marché des machines de fabrication additive hybrides est en passe de répondre à la demande croissante des clients. Pour se démarquer de la concurrence, les fabricants doivent évaluer les avantages et les inconvénients de cette méthode hybride pour leurs opérations. Grâce à sa capacité à produire des pièces à la demande et à une réduction significative de l'empreinte carbone, le procédé hybride additif/soustractif offre des avantages considérables. Il est essentiel de ne pas négliger les technologies de pointe associées à ces procédés et de les mettre en œuvre dans les ateliers afin d'améliorer la productivité et la qualité des produits.
Date de publication : 13 août 2021
