Bras robotiques vs systèmes à portique : choisir la meilleure architecture d'impression 3D pour la taille et l'encombrement

Il y a une division simple dans le secteur des imprimantes 3D. Le marché établi est principalement composé de machines qui sont portées dans un système de mouvement construit dans un cadre ou portique, dans lequel des rails de glissement et des entraînements sont intégrés. Ce sont des machines à portique. D'autre part, une grande partie de l'industrie favorise des machines à plus grande échelle basées sur des bras robotiques autoportants, qui augmentent le volume de construction potentiel tout en conservant une faible empreinte au sol de la machine.

L'avantage de l'impression 3D par bras robotique ne se manifeste vraiment que dans les constructions plus grandes, où le volume de construction est défini par la portée du bras plutôt que d'être confiné dans les limites rigides d'un portique. Cet article explorera davantage les différences entre bras robotiques et systèmes à portique pour l'impression 3D.

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

Un bras robotique pour l'impression 3D est un bras mécanique qui diffère significativement de l'approche orthogonale X-Y-Z plus courante. Un tel bras peut être bénéfique car l'appareil est capable de se déplacer dans une plus large gamme de directions et d'orientations. Par conséquent, cette approche facilite l'impression d'objets 3D en utilisant plus de degrés de liberté. Pour plus d'informations, consultez notre guide sur le Bras Robotique d'Imprimante 3D.

La figure 1 est un exemple d'imprimante 3D à bras robotique :

L'impression 3D par bras robotique n'est pas couramment utilisée pour faire de petites pièces. Il y a des difficultés à petite échelle qui rendent les machines orthogonales plus pratiques. Les bras robotiques ont tendance à être plus coûteux que leurs homologues à portique, surtout à petites échelles.

En général, pour l'impression de pièces plus grandes dans les secteurs automobile et aérospatial, un bras robotique serait équipé d'une tête d'impression par extrusion (FDM/FFF/FGF) ou d'une tête de soudage laser/TIG.

Ces deux peuvent déposer du matériau pour créer l'objet final. Le bras est programmé pour déplacer l'extrudeur selon un motif précis, déposant le matériau jusqu'à ce que l'objet soit complet. Cependant, une telle configuration de bras peut fonctionner sur un processus basé sur l'extrusion qui modifie le stratification en une structure plus complexe. C'est parce que les degrés de liberté supplémentaires permettent au bras d'aborder le processus d'impression de manières plus complexes (comme l'impression non-planaire).

L'impression 3D par bras robotique peut être utilisée pour imprimer de grands objets et des pièces aux géométries complexes qui seraient difficiles ou impossibles à créer en utilisant des machines orthogonales.

Quels projets les bras robotiques peuvent-ils imprimer ?

L'impression 3D par bras robotique ajoute des degrés de flexibilité que les machines orthogonales ne peuvent pas atteindre. Quelques exemples de ce qu'elle peut imprimer sont listés ci-dessous :

1. Objets grands qui sont trop grands pour les imprimantes 3D typiques. Exemples : grandes pièces automobiles, meubles taille réelle, composants architecturaux, et bâtiments entiers.
2. En échangeant les extrudeurs, une imprimante à bras robotique peut utiliser plusieurs matériaux, différentes couleurs, ou additifs.
3. Selon la rigidité et la qualité de l'appareil, les imprimantes à bras robotique peuvent être hautement précises dans leurs mouvements. Cela maintient une haute précision tout en exécutant des designs grands ou complexes.
4. L'impression dans des formes et orientations inhabituelles est plus réalisable grâce aux degrés de liberté supplémentaires de mouvement. Cela peut permettre l'impression directement sur une surface courbe (impression non-planaire) ou l'impression sous les constructions.
5. L'impression 3D avec géométries complexes est possible, car le bras peut interrompre un passage de matériau et continuer de l'autre côté d'une obstruction. Cela permet l'impression d'objets imbriqués qui sont souvent impossibles à réaliser avec les techniques d'impression 3D orthogonales.

Les capacités de l'impression 3D robotique sont limitées seulement par la taille et la rigidité du bras, la précision et la répétabilité de son mouvement, et moins par la complexité des objets imprimés.

Quels sont les avantages des bras robotiques pour l'impression 3D ?

Divers avantages de l'impression 3D par bras robotique sur les machines à portique/orthogonales sont considérés importants, incluant :

1. Zone/Volume d'impression : Cette approche permet des impressions très grandes avec une machine relativement petite, limitée seulement par le volume de sa portée.
2. Taille : Des appareils plus petits peuvent livrer des impressions plus grandes.
3. Coût/taille : Bien que les bras robotiques ne soient pas bon marché, ils sont compétitifs avec des imprimantes orthogonales très grandes de moindre capacité.
4. Géométrie de la pièce : Les bras robotiques offrent beaucoup moins de restrictions en géométrie de construction grâce à leur accès multi-axes à la construction.
5. Contrôle anisotrope : Le « grain » de la construction peut être sélectionné par région, car une stratification strictement uniaxiale n'est pas requise. Cela permet d'orienter la résistance de la pièce de diverses manières pour une robustesse globale meilleure des impressions.

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

Bien que l'impression 3D par bras robotique offre des avantages sur les méthodes d'impression orthogonales, il y a aussi des inconvénients, incluant :

1. La configuration de l'impression 3D robotique est coûteuse, les coûts étant prohibitifs pour les petites entreprises ou individus.
2. L'impression 3D robotique requiert un niveau d'expertise technique considérablement plus élevé que les imprimantes orthogonales/à portique, en termes de création/exécution des travaux d'impression et de configuration matérielle initiale.
3. Les robots ne sont pas intrinsèquement protégés et peuvent facilement blesser les tiers. Des barrières et capteurs d'intrusion doivent être utilisés.
4. Comme toutes les machines, les bras robotiques nécessitent une maintenance régulière et des réparations occasionnelles. Cela sera probablement beaucoup plus coûteux et chronophage que pour les imprimantes 3D orthogonales/à portique.

Un bras robotique a-t-il 6 axes ?

Oui, les imprimantes 3D robotiques ont souvent six axes, mais de nombreux bras robotiques ont moins de degrés de liberté. Un bras robotique à six axes a six axes de mouvement : trois axes de rotation (roulis, tangage et lacet) et trois axes de translation (haut-bas, gauche-droite, avant-arrière). La mobilité à six axes est la norme dans les bras robotiques industriels utilisés pour l'impression 3D. Certaines imprimantes 3D robotiques peuvent avoir plus de six axes (ou moins), selon leur application prévue.

Qu'est-ce qu'un système à portique pour l'impression 3D ?

Un système à portique pour l'impression 3D est une structure consistant en poutres et rails de glissement qui supportent une tête d'impression/extrudeur et guident son mouvement pendant le transit et l'impression. Les fonctions critiques sont la rigidité et la précision, plaçant le point d'application d'impression précisément dans la construction. Le système à portique permet une hauteur de construction plus grande (et donc un volume) que les imprimantes delta ou cartésiennes. Les systèmes à portique sont généralement applicables à la plupart des techniques d'impression 3D. Le mécanisme d'axe Z qui permet la profondeur d'impression est soit le résultat d'un mouvement du portique, portant un mécanisme d'axe Z — soit du mouvement de la table de construction sur un mécanisme séparé.

Les systèmes à portique sont répandus dans les machines industrielles/professionnelles et domestiques/hobbyistes en raison de leur rigidité intrinsèque et du potentiel de grand volume de construction. La figure 2 est un exemple de système à portique pour l'impression 3D :

Questions fréquentes sur les bras robotiques vs systèmes à portique

Quel est l'avantage principal d'un bras robotique sur un système à portique pour l'impression 3D ?

L'avantage principal du bras robotique sur le système à portique pour l'impression 3D est sa longue portée/grand volume de construction pour les grandes impressions. Déplacer une grande imprimante orthogonale à portique sur un chantier nécessitera généralement qu'elle soit démontée pour le transport, rendant la configuration sur site extrêmement difficile. Un bras robotique peut se rétracter à une taille modérée et être placé facilement à l'emplacement de construction prévu.

Quel est l'avantage principal d'un système à portique sur un bras robotique pour l'impression 3D ?

Les imprimantes 3D à portique coûtent moins cher à l'achat, à l'exploitation et à la maintenance que les machines à bras robotique.

Quel type d'imprimante 3D est utilisé pour la construction ?

Les deux types d'imprimantes 3D, portique et bras robotique, sont utilisés pour la construction de bâtiments, selon une gamme de facteurs comme la taille. La construction sur site est plus couramment réalisée par des imprimantes à bras robotique, alors que la fabrication de composants sur un site fixe est plus pratique en utilisant une machine à portique.

Quel type d'imprimante 3D est utilisé pour l'impression métal ?

La plupart des imprimantes 3D métal (en particulier celles basées sur la Fusion sur Lit de Poudre) utilisent des lasers et miroirs qui tournent, dirigeant le laser vers le lit. Elles ne sont ni des systèmes robotiques ni à portique. Elles opèrent généralement dans des environnements contrôlés avec gaz inertes et sont mieux adaptées pour les pièces plus petites.

Cependant, certaines technologies d'impression métal, particulièrement celles utilisées pour faire des pièces plus grandes, peuvent utiliser des bras robotiques. Les systèmes WAAM (Wire Arc Additive Manufacturing) comportent souvent un poste de soudage à l'arc monté sur un bras robotique.

Les avantages de l'impression basée sur bras robotique dans les grandes machines font de cette une option pratique, mais pas courante, vers laquelle le marché (et donc les fabricants de machines) montre un intérêt accru.

Ces imprimantes 3D ont-elles besoin de maintenance ?

Oui, toutes les imprimantes 3D nécessitent une maintenance régulière extensive pour livrer une précision fiable. À certains égards, les imprimantes 3D à bras robotique nécessitent moins de maintenance régulière, mais cette maintenance est considérablement plus complexe et coûteuse à effectuer.

Ces imprimantes 3D ont-elles une zone d'impression limitée ?

La plupart des imprimantes 3D ont des limitations dans les zones constructibles, à moins qu'elles n'aient de la mobilité (comme l'imprimante 3D béton CyBe RT), ou un axe « infini », sous forme de bande transporteuse.

Ces imprimantes 3D peuvent-elles durer longtemps ?

Oui, les imprimantes 3D peuvent durer longtemps si la maintenance est approfondie et régulière, et que les pièces requises restent disponibles. Ces machines continueront à fonctionner tant qu'elles sont rentables. L'obsolescence vient vite dans ce secteur, car les machines sont surpassées en performance ou sapées en coût d'impression par de nouveaux développements. Donc il est probable que la viabilité commerciale des machines sera le facteur décisif dans leur exploitation continue.

Dean McClements

Dean McClements est diplômé B.Eng Honors en Génie Mécanique avec plus de deux décennies d'expérience dans l'industrie manufacturière. Son parcours professionnel inclut des rôles significatifs dans des entreprises leaders telles que Caterpillar, Autodesk, Collins Aerospace et Hyster-Yale, où il a développé une compréhension approfondie des processus et innovations d'ingénierie.

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