Bras robotiques pour l'impression 3D :principaux fabricants, avantages et inconvénients

Un bras robotique d’imprimante 3D est un bras mécanique industriel articulé auquel est fixée une tête d’impression 3D. Cela offre une évolutivité et une polyvalence permettant l’impression 3D à l’échelle industrielle. Elle peut être appliquée à différentes technologies d’impression 3D telles que la fabrication additive à arc filaire pour l’impression avec du métal, ou l’extrusion de pellets pour l’impression avec des pellets. Les robots d’impression 3D se développent à un rythme rapide, avec de nombreuses applications potentielles dans le secteur de la construction en raison de leur échelle. De nombreuses collaborations sont en cours avec des fournisseurs de bras robotiques et des spécialistes tiers de l’impression 3D, pour développer et commercialiser différentes approches de fabrication additive à grande échelle. Cet article abordera le bras robotique de l'imprimante 3D, ses fabricants, ses avantages et ses inconvénients. 

Qu'est-ce qu'un bras robotique pour l'impression 3D ?

Un bras robotique pour l'impression 3D est une forme de fabrication de bras robotique. Un bras robotique industriel articulé est utilisé pour déplacer une tête d’impression afin de fabriquer de manière additive un composant. On peut également l’appeler fabrication additive robotisée (RAM). Elle peut utiliser des méthodes établies d'impression 3D, telles que la modélisation par dépôt fondu (FDM) ou le dépôt par énergie dirigée (DED), mais le matériau d'alimentation est déplacé et positionné par un bras robotique plutôt que par un portique. La figure 1 ci-dessous montre un bras robotique articulé standard utilisé dans les applications industrielles :

Pour plus d'informations, consultez notre guide Tout sur l'impression 3D.

Quels sont les avantages du bras robotique pour les projets d'impression 3D ?

L'impression 3D avec un bras robotique présente un certain nombre d'avantages précieux, notamment :

1. L'utilisation d'un bras robotique pour l'impression 3D permet immédiatement d'imprimer des modèles à plus grande échelle (> 1 mètre dans n'importe quelle dimension) par rapport aux imprimantes 3D autonomes classiques. Si le robot est capable de se déplacer, des modèles mesurant jusqu'à 30 m en une dimension peuvent être imprimés.
2. Le mouvement sur cinq ou six axes offre une liberté de mouvement à la tête d'impression 3D. Il donne la possibilité de tracer des chemins complexes afin de construire des composants.
3. Les bras robotisés permettent de construire la plupart des modèles sans support, grâce à la liberté de mouvement de la tête d'impression. Cependant, pour éviter complètement la prise en charge de certains modèles, la plate-forme de construction devra peut-être également être déplacée pour permettre la réorientation du modèle.
4. Un bras robotique peut être équipé de divers accessoires d'impression 3D, y compris ceux qui permettent d'utiliser plusieurs matériaux d'alimentation, tels que WAAM ou CBAM.

Quels sont les inconvénients des bras robotiques pour les projets d'impression 3D ?

L'impression 3D de bras robotisés présente un certain nombre de complications et de limitations, notamment :

1. L'utilisation d'un bras robotique augmente considérablement les coûts, en plus d'un système de fabrication additive déjà coûteux. L'installation combinée devrait coûter plus de 100 000 $.
2. Complexité.
3. La plupart des configurations d'impression 3D avec bras robotique sont assemblées avec le bras d'un fournisseur spécialisé, la tête d'impression d'un autre fournisseur et éventuellement le logiciel d'un troisième. Il n’est ni courant ni facile d’acheter une solution tout-en-un auprès d’un seul fournisseur. Cela introduit certaines difficultés dans l'intégration des différentes plates-formes.

Quelles sont les différentes solutions des fabricants d'impression 3D de bras robotiques ?

Généralement, certains fabricants de bras robotiques fournissent les robots et collaborent avec des organisations d'impression 3D. Il y a ensuite les partenaires technologiques de l’impression 3D, qui développent leur approche spécifique de la fabrication additive, avec l’aide des fournisseurs de bras robotisés. Vous trouverez ci-dessous quelques-uns des différents fabricants d'impression 3D de bras robotiques :

1. ABB

ABB est une grande société multinationale. L'entité concernée par la conception et la fourniture de bras robotiques est ABB Robotics. ABB fournit non seulement des robots, mais également le logiciel populaire RobotStudio®, et collabore avec des organisations spécialisées telles que Massive Dimension pour faire progresser la technologie d'impression 3D.

2. KUKA

KUKA est une entreprise allemande d’automatisation et de robotique largement utilisée pour les imprimantes 3D à bras robotisés. Elle est également spécialisée dans les robots collaboratifs travaillant aux côtés des humains. KUKA s'est associé à d'autres équipes d'impression 3D telles qu'Orbital Composites, et leurs robots sont utilisés pour plusieurs applications d'impression 3D différentes.

3. Comau

Comau est un fournisseur italien d'automatisation et de robotique. Elle se concentre particulièrement sur l’intégration de l’IoT et de l’IA dans le fonctionnement de ses bras robotiques. Des sociétés d'impression 3D tierces telles que CEAD et Continu Composites utilisent des bras robotiques Comau pour la fabrication.

4. Le bras robotique d'Hyperion Robotics

Hyperion est originaire d'Helsinki, en Finlande, et se concentre sur le secteur de la construction. L'entreprise a développé son propre mélange de construction pour l'extrusion dans des structures imprimées en 3D, qui limite la teneur en ciment et maximise les déchets recyclés.

5. CEAD

Le CEAD est basé à Delft, aux Pays-Bas. Il est unique dans la mesure où il se concentre sur la combinaison des capacités d’impression 3D et de fraisage CNC en une seule unité. L'AM Flexbot de CEAD, en particulier, trouve de nombreuses applications en tant que station de fabrication unique.

6. Série DXR de Weber Additive

La société allemande Weber Additive est connue pour sa série DXR d’imprimantes 3D à bras robotique. Ils utilisent une extrudeuse pour la fabrication additive avec des polymères.

7. Composites orbitaux

Orbital Composites a été un pionnier dans l’industrie de l’impression 3D de bras robotisés. Son Orbital S a été la première imprimante 3D robotisée à l'échelle industrielle et a une vitesse impressionnante de 2 m/s.

8. Dimension massive

Massive Dimension se concentre sur l’impression 3D à grande échelle et fournit des cellules d’impression robotisées clé en main. Sa technologie se concentre sur l'extrusion de granulés de polymère.

9. Pulsar de conception Dyze

Le Pulsar™ de Dyze Design est un système de fabrication additive par extrusion de granulés à grande échelle destiné à gérer une gamme de conditions de fonctionnement. Avec un écran thermique, un circuit de refroidissement par eau et plusieurs tailles de buses, la Pulsar est capable d'imprimer avec une gamme de polymères différents.

10. MX3D

MX3D des Pays-Bas est largement connu pour l'impression 3D d'un pont piétonnier en acier, actuellement installé à Amsterdam. MX3D se concentre sur l'impression avec des métaux en utilisant la technologie WAAM, et est allé jusqu'à développer son propre logiciel dédié à cet effet.

11. Composites continus

Continu Composites a fait ses preuves avec sa technologie brevetée d'impression en fibre de carbone CF3D. L'entreprise a été engagée par la NASA pour produire des composants destinés à être utilisés dans l'espace.

12. Technologie de branche

Branch Technology se concentre sur les structures d'impression 3D, comme un pavillon entièrement imprimé en 3D à Nashville. L'entreprise travaille en collaboration avec des architectes et des designers pour promouvoir l'application de l'impression 3D aux bâtiments.

Comment fonctionne un bras robotique pour l'impression 3D ?

Un bras robotique pour l'impression 3D fonctionne de manière très similaire à un bras robotique industriel classique, sauf qu'une tête d'impression est installée à l'extrémité du bras. Le bras du robot comporte plusieurs articulations, chacune offrant une certaine liberté de mouvement, offrant au total un contrôle sur cinq ou six axes. Le robot est alors capable de déplacer, d'incliner et de positionner la tête d'impression dans une gamme de positions potentielles. De cette façon, le bras du robot déplace la tête d'impression sur un composant afin d'imprimer plusieurs couches et contours.

Quelles sont les options logicielles pour l'impression 3D du bras robot ?

Le logiciel d'impression du bras de robot se concentre sur le calcul du chemin optimal que doit parcourir la tête du robot afin d'imprimer avec précision le modèle. Vous trouverez ci-dessous trois options logicielles populaires :

1. RobotStudio ® PowerPac d'impression 3D d'ABB : Le logiciel est capable de gérer différents procédés de fabrication additive, comme le soudage ou l’impression avec des granulés. L'intégralité de l'impression peut être simulée et visualisée dans RobotStudio®, avant de l'envoyer au robot lui-même pour qu'il soit construit.
2. AdaOne d'ADAXIS : Le logiciel de planification de parcours est capable de fonctionner avec un certain nombre de marques de robots différentes et leur langage de programmation interne. Il peut fonctionner avec plusieurs supports d'impression.
3. MetalXL de MX3D : Ce logiciel est spécifique au WAAM (Wire Arc Additive Manufacturing), qui est le focus de MX3D. Il comprend des modules pour la faisabilité de l'impression et la planification du chemin, la simulation et le contrôle de l'impression, ainsi que l'analyse post-impression.

Questions fréquemment posées sur les bras robotiques d'imprimante 3D

Combien de temps un bras robotique d'impression 3D pourrait-il durer ?

Les bras robotiques d’impression 3D devraient avoir une durée de vie d’environ huit ans. Ceci est basé sur la durée de vie actuelle des bras robotiques articulés industriels utilisés dans plusieurs industries. Ces robots peuvent fonctionner utilement pendant 20 ans. Cependant, leur application dans l’impression 3D est encore assez récente et en développement intense, de sorte que ces durées de vie plus longues sont moins probables. De plus, même si le robot fonctionne encore bien après huit ans, la machine d’impression 3D montée à l’extrémité du bras robotique n’aura probablement pas une telle longévité. Cela est dû à la fois à leur développement récent et aussi au fait qu'ils pourraient perdre leur pertinence en raison du rythme rapide de l'évolution technologique.

Un bras robotique est-il capable d'imprimer des maisons ?

Non, les bras robotiques articulés typiques ne sont pas capables d'imprimer des maisons. Les imprimantes 3D à bras robotisé ont un volume d'impression limité, défini par les dimensions du bras et la distance par rapport à la base fixe. Par conséquent, les imprimantes 3D à bras robotisés ne sont généralement capables d’imprimer que des composants, qui peuvent ensuite être assemblés en objets plus grands tels que des bâtiments. Les imprimantes 3D à grande échelle capables d'imprimer des maisons sont des versions spécialisées d'une imprimante 3D de type portique, dans lesquelles une structure plus grande est érigée pour pouvoir couvrir un volume d'impression suffisamment important pour une maison.

Un bras robotique a-t-il une zone imprimable limitée ?

Oui, un bras robotique a une zone imprimable limitée. La plupart des bras robotiques ont une base fixe et ont donc une portée autour de cette base limitée par la longueur du bras. En impression 3D, cette portée est de l’ordre de 1,5 m. Certains bras robotiques ont été montés sur des rails, ce qui ajoute une zone imprimable supplémentaire dans cette direction. Cependant, par nature, la zone imprimable est encore limitée par la portée pratique du bras robotique.

La qualité des bras robotiques dépend-elle des logiciels 3D ?

Oui, les bras robotiques dépendent du logiciel 3D pour la qualité de la pièce imprimée finale. L'impression 3D à grande échelle est incroyablement complexe et le mouvement du bras robotique doit être soigneusement régi par le logiciel. En fonction du matériau avec lequel on imprime et de ses caractéristiques de retrait avec la température et l'humidité, le logiciel qui régit l'impression devra être capable de modéliser ce retrait. De plus, le logiciel doit modéliser avec précision la pièce en développement au fur et à mesure de sa construction, pour garantir que le bras robotique n'entre pas en collision avec la pièce à mesure qu'elle grandit. Un logiciel qui ne peut pas modéliser avec précision les caractéristiques du matériau alimenté au fur et à mesure qu'il se solidifie ne fournira pas une bonne qualité finale, quelle que soit la précision du mouvement dont le bras robotique est capable.

Quelle est la différence entre un bras robotique et un système de portique pour l'impression 3D ?

Il existe un certain nombre de différences entre un bras robotique et un système à portique pour l'impression 3D. La première différence est qu’un bras robotique est capable de se déplacer selon six axes, alors qu’un système à portique n’est capable que de trois axes de mouvement. Cela signifie également que les bras robotisés sont mieux adaptés à l’impression d’objets courbes et sphériques, tandis que les systèmes à portique sont mieux adaptés aux impressions cubiques. Cependant, les systèmes à portique sont capables d'imprimer des unités plus grandes que les bras robotiques. La précision générale des systèmes à portique a également tendance à être meilleure que celle des bras robotisés. Les bras robotiques ont une très bonne précision ponctuelle (à un point final spécifique), mais leur précision le long d'un trajet est encore en cours d'amélioration. Pour plus d'informations, consultez notre guide sur le bras robotique et le système de portique pour l'impression 3D.

Résumé

Cet article présentait le bras robotique de l'imprimante 3D, expliquait de quoi il s'agissait et discutait de ses différentes applications. Pour en savoir plus sur les bras robotiques d'imprimante 3D, contactez un représentant Xometry.

Xometry offre une large gamme de capacités de fabrication, notamment l'impression 3D et d'autres services à valeur ajoutée pour tous vos besoins de prototypage et de production. Visitez notre site Web pour en savoir plus ou pour demander un devis gratuit et sans engagement.

Avis relatifs aux droits d'auteur et aux marques

1. RobotStudio® est une marque déposée d'ABB AB, Västeras, Suède
2. Pulsar™ est une marque commerciale de Dyze Design Inc., LeMoyne, Québec

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Dean McClements

Dean McClements est titulaire d'un baccalauréat spécialisé en génie mécanique et possède plus de deux décennies d'expérience dans l'industrie manufacturière. Son parcours professionnel comprend des rôles importants dans des entreprises de premier plan telles que Caterpillar, Autodesk, Collins Aerospace et Hyster-Yale, où il a développé une compréhension approfondie des processus d'ingénierie et des innovations.

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