Bras robotiques ou systèmes à portique :choisir la meilleure architecture d'impression 3D en fonction de la taille et de l'encombrement

Il existe une division simple dans le secteur des imprimantes 3D. Le marché établi est principalement constitué de machines transportées dans un système de mouvement intégré à un châssis ou à un portique, dans lequel sont intégrés des glissières et des entraînements. Ce sont des machines à portique. D'un autre côté, une grande partie de l'industrie privilégie les machines à plus grande échelle basées sur des bras robotisés autonomes, qui augmentent la taille potentielle de la construction tout en conservant un faible encombrement dans la machine.

L’avantage de l’impression 3D avec bras robotisé n’apparaît vraiment que dans les constructions plus grandes, dans lesquelles 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 plus en détail les différences entre les bras robotiques et les systèmes de 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 considérablement de l'approche orthogonale X-Y-Z plus courante. Un tel bras peut être bénéfique car le dispositif 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 davantage de degrés de liberté. Pour plus d'informations, consultez notre guide du bras robotique pour imprimante 3D.

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

L’impression 3D de bras de robot n’est pas couramment utilisée pour fabriquer de petites pièces. Il existe des difficultés à petite échelle qui rendent les machines orthogonales plus pratiques. Les bras robotiques ont tendance à être plus coûteux que leurs homologues basés sur des portiques, en particulier à plus petite échelle. 

De manière générale, pour imprimer des pièces de plus grande taille dans le secteur automobile et aérospatial, un bras robotique serait équipé d'une tête d'impression extrudeuse d'impression 3D (FDM/FFF/FGF) ou d'une tête de soudure laser/TIG. 

Ces deux éléments peuvent déposer de la matière pour créer l’objet final. Le bras est programmé pour déplacer l'extrudeuse selon un motif précis, déposant le matériau jusqu'à ce que l'objet soit terminé. Cependant, une configuration de bras telle que celle-ci peut fonctionner sur un processus basé sur l'extrusion qui modifie la superposition en une structure plus complexe. En effet, les degrés de liberté supplémentaires permettent au bras d'aborder le processus d'impression de manière plus complexe (comme l'impression non planaire).

L'impression 3D avec bras robotique peut être utilisée pour imprimer des objets et des pièces volumineux avec des géométries complexes qu'il serait difficile, voire impossible, de créer à l'aide de machines orthogonales.

Quels projets les bras robotiques peuvent-ils imprimer ?

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

1. Objets volumineux, trop gros pour les imprimantes 3D classiques. Il s'agit par exemple de grandes pièces automobiles, de meubles de grande taille, de composants architecturaux et de bâtiments entiers.
2. En échangeant les extrudeuses, une imprimante à bras robotique peut utiliser plusieurs matériaux, différentes couleurs ou additifs.
3. En fonction de la rigidité et de la qualité du périphérique, les imprimantes à bras robotisé peuvent être très précises dans leurs mouvements. Cela permet de maintenir une haute précision lors de l'exécution de conceptions volumineuses ou complexes.
4. L'impression dans des formes et des orientations inhabituelles est plus facile à réaliser grâce aux degrés de liberté de mouvement supplémentaires. Cela peut permettre d'imprimer directement sur une surface incurvée (impression non plane) ou d'imprimer sur le dessous des constructions.
5. L'impression 3D avec des 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 des techniques d'impression 3D orthogonales.

Les capacités de l'impression 3D robotique ne sont limitées que 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 avec bras robotisé par rapport aux machines à portique/orthogonales sont considérés comme importants, notamment :

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

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

Bien que l'impression 3D avec un bras robotisé offre des avantages par rapport aux méthodes d'impression orthogonales, elle présente également des inconvénients, notamment :

1. La mise en place d'une impression 3D robotisée coûte cher, les coûts étant prohibitifs pour les petites entreprises ou les particuliers.
2. L'impression 3D robotisée nécessite un niveau d'expertise technique considérablement plus élevé que les imprimantes orthogonales/à portique, en termes de création/exécution de tâches d'impression et de configuration matérielle initiale.
3. Les robots ne sont pas intrinsèquement protégés et peuvent facilement blesser les passants. Des barrières et des capteurs d'intrusion doivent être utilisés.
4. Comme toutes les machines, les bras robotisés nécessitent un entretien régulier et des réparations occasionnelles. Cela sera probablement beaucoup plus coûteux et prend beaucoup de temps que pour les imprimantes 3D orthogonales/à portique.

Un bras robotique a-t-il 6 axes ?

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

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

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

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

Questions fréquemment posées sur les bras robotiques et les systèmes à portique

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

Le principal avantage du bras robotique par rapport au système à portique pour l'impression 3D est sa longue portée et son grand volume de construction pour les grandes impressions. Le déplacement d'une grande imprimante à portique orthogonal vers un chantier nécessitera généralement son démontage pour le transport, ce qui rend la configuration du site extrêmement difficile. Un bras de robot peut se rétracter jusqu'à une taille modérée et être placé facilement à l'emplacement de construction prévu.

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

Les imprimantes 3D basées sur un portique coûtent moins cher à l'achat, à l'exploitation et à l'entretien que les machines basées sur un bras robot.

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

Les imprimantes 3D à portique et à bras robotisé sont utilisées pour la construction de bâtiments, en fonction d'une série de facteurs tels que la taille. La construction sur place est plus généralement réalisée par des imprimantes à bras robotisé, tandis que la fabrication de composants sur un site fixe est plus pratique à l'aide d'une machine basée sur un portique.

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

La plupart des imprimantes 3D métal (en particulier celles basées sur Powder Bed Fusion) utilisent des lasers et des miroirs qui tournent, dirigeant le laser vers le lit. Il ne s’agit ni de systèmes robotisés ni de systèmes basés sur un portique. Ils fonctionnent généralement dans des environnements contrôlés avec des gaz inertes et sont mieux adaptés aux petites pièces.

Cependant, certaines technologies d’impression sur métal, notamment celles utilisées pour fabriquer des pièces de plus grande taille, peuvent utiliser des bras robotisés. Les systèmes WAAM (Wire Arc Additive Manufacturing) comportent souvent une soudeuse à l'arc montée sur un bras robotique.

Les avantages de l'impression basée sur un bras robotisé dans des machines plus grandes en font une option pratique, mais peu courante, pour laquelle le marché (et donc les fabricants de machines) manifeste un intérêt croissant.

Ces imprimantes 3D nécessitent-elles une maintenance ?

Oui, toutes les imprimantes 3D nécessitent un entretien régulier et approfondi pour offrir une précision fiable. À certains égards, les imprimantes à bras robotisé 3D nécessitent une maintenance moins régulière, mais cette maintenance est considérablement plus complexe et coûteuse à réaliser.

Ces imprimantes 3D ont-elles une zone imprimable limitée ?

La plupart des imprimantes 3D ont des limitations dans les zones constructibles, à moins qu'elles ne disposent d'une mobilité (comme l'imprimante 3D béton CyBe RT) ou d'un axe « infini », sous la forme d'un tapis roulant.

Ces imprimantes 3D peuvent-elles durer longtemps ?

Oui, les imprimantes 3D peuvent durer longtemps si la maintenance est minutieuse et régulière et si les pièces nécessaires restent disponibles. Ces machines continueront à fonctionner tant qu’elles seront rentables. L'obsolescence arrive rapidement dans ce secteur, car les machines sont dépassées en performances ou fragilisées en coûts d'impression par les nouveaux développements. Il est donc probable que la viabilité commerciale des machines sera le facteur décisif pour leur fonctionnement continu.

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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