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Fabrication additive et robotique – L’histoire d’une (r)évolution

Fabrication additive et robotique – L’histoire d’une (r)évolution

by Gaëtan Lefèvre25 octobre 2016
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Associée à la troisième révolution industrielle, la robotique est également un élément clé de l’industrie 4.0. Son association avec la fabrication additive pourrait ouvrir des portes sur des voies encore inexplorées. A3DM Magazine s’est penché sur le sujet.

Par Giorgio Magistrelli, expert en fabrication additive, gestionnaire d’entreprise et de projets.

 

La fabrication industrielle ne peut pas être séparée de l’émergence de l’industrie 4.0. La première révolution industrielle était basée sur la mécanisation entraînée par la puissance de la vapeur. La seconde a utilisé la puissance électrique et a conduit à la production de masse, tandis que la troisième a été basée sur la robotique et l’automatisation de la production, activée par l’électronique et l’informatique. Dans ce dossier, nous allons analyser la manière dont la troisième révolution industrielle et l’industrie 4.0 (révolution menée par l’Internet, et plus précisément par la combinaison des mondes virtuels et réels, aussi appelée « Internet des Objets ») se combinent pour des résultats optimisés, en particulier si elles sont liées à la fabrication additive.

Robots, robotique et humains

Les robots, et l’automatisation, ont toujours stimulé la curiosité humaine et les arts, la littérature et la philosophie. Horloges automatiques, statues automotrices, cadrans solaires ont été créés par les Grecs. Au milieu du 16e siècle, Léonard de Vinci a déjà esquissé des plans pour un robot humanoïde. Entre le 18e et le 20e siècle, de nombreux automates grandeur nature ont été inventés, comme le célèbre canard mécanique réalisé par Jacques de Vaucanson en 1738 pouvant battre des ailes et avaler de la nourriture. Les horlogers suisses et inventeurs de la montre-bracelet moderne, tels que Pierre Jaquet-Droz et son fils Henri-Louis, ont aussi marqué leur époque. Au cours du 19e siècle, en 1801, Joseph Jacquard a créé un métier à tisser automatique contrôlé avec des cartes perforées. Ces cartes ont également été utilisées au siècle suivant comme une méthode d’entrée pour certains des premiers ordinateurs du 20e siècle. En 1898, Nikola Tesla construit un bateau robot télécommandé au Madison Square Garden. Les robots et l’automatisation n’ont cessé d’évoluer… et aujourd’hui encore.

Le mot « robot » a été initialement utilisé pour désigner « le travail forcé ou le serf » par l’écrivain tchécoslovaque Karel Capek1. Ce mot a été utilisé pour la première fois dans sa pièce de théâtre Les Robots Universaux de Rossum (R. U. R. – Rossum’s Universal Robots), qui a débuté à Prague en janvier 1921. Cette pièce a été un énorme succès dans le monde entier et les robots, ces « humains mécaniques », connaissent leurs premières gloires. Cependant, quelques années auparavant, en 1913, les robots avaient déjà pénétré l’industrie manufacturière grâce à l’industriel Henry Ford. Cette année-là, il introduit le déplacement des pièces sur la ligne d’assemblage dans son usine de voitures. Ainsi, la voiture Ford T (figure ci-dessous) est assemblée en 93 minutes. Un record ! De l’autre côté de l’océan, en 1932, les Japonais créent le premier jouet-robot, appelé le « Lilliput » (figure ci-dessous), fabriqué à partir de fer blanc, mesurant 15 cm de hauteur et pouvant marcher. En parallèle, Alan Turing2 – le génie anglais qui décrypta « Enigma » pendant la Seconde Guerre mondiale – publie en 1937 son article « Sur les nombres calculables » sur la notion d’hypercalcul, l’étape de la révolution de l’ordinateur. On emploiera les termes de « machine de Turing ».

A Photograph of a Ford Assembly Line with a Worker Attaching a Gas Tank, circa 1923. (Photo by Fotosearch/Getty Images)

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Le terme « robotique » fait également référence à « l’étude et l’utilisation des robots ». Il n’a pas uniquement été créé à des fins scientifiques. Sa paternité revient à Isaac Asimov, le célèbre écrivain de science fiction. Dans ses Histoires courtes, publiées en 1942, celui-ci définit ainsi les « Trois lois de la robotique3 » :

1 – Un robot ne peut pas blesser un être humain, ou, par son inaction, mettre un humain dans une situation dangereuse.

2 – Un robot doit obéir aux ordres donnés par les êtres humains, sauf si ces ordres sont en contradiction avec la première loi.

3 – Un robot doit protéger sa propre existence tant que cette protection n’est pas incompatible avec la première ou la deuxième loi.

Asimov ajoutera plus tard la « loi zero » à la liste qui exige qu’ « un robot ne puisse pas nuire à l’humanité, ou, par son inaction, permettre à l’humanité d’être blessée ».

De 1950 à l’industrie 4.0

Les années 1950 représentent les premiers développements de l’intelligence artificielle. À cette période, Alan Turing propose un test pour déterminer si une machine a vraiment le pouvoir de penser par elle-même ou, plus précisément, si elle possède la faculté d’imiter la conversation humaine. Le « test de Turing » consiste à mettre en confrontation verbale un humain avec un ordinateur et un autre humain à l’aveugle. Si l’homme qui engage les conversations n’est pas capable de dire lequel de ses interlocuteurs est un ordinateur, le logiciel de l’ordinateur a passé le test avec succès. En 1954, George Devol (figure ci-dessous) et Joseph Engelberger concoivent le premier « bras » robotique programmable qui deviendra, plus tard, le premier robot industriel, « Unimate », utilisé pour l’exécution de tâches dangereuses et répétitives sur une ligne d’assemblage de General Motors (1962). Celui-ci lèvera des pièces chaudes de métal à partir d’une machine de coulée sous pression et les empilera. Le brevet de Devol pour ce bras robotique programmable à commande numérique est reconnu comme le fondement de la robotique moderne dans l’industrie. En Californie, l’hôpital Rancho Los Amigos développe un bras robotique pour aider les patients handicapés. Celui-ci sera racheté par l’université de Stanford en 1963. L’année suivante, IBM lance son « IBM System / 360 » considéré, à cette époque, comme l’ordinateur le plus puissant. Le « Stanford Arm », lancé en 1969, a été désigné comme le premier bras robotique commandé par ordinateur électronique, tandis que le premier robot mobile capable de reconnaître son environnement, « Shakey », sera construit en 1970 par le Stanford Research Institute (aujourd’hui SRI International4), combinant des données de capteurs multiples.

APRIL 18, 1983 - DETROIT, MI: Robotics Pioneer George Devol. (UPI/Taro Yamasaki-Detroit Free Press)

Les années 1970 représentent l’entrée massive des robots dans l’industrie. Les Britanniques Freddy et Freddy II5 étaient des robots capables d’assembler des blocs de bois. La Kuka Robotics6, basée en Allemagne, construit le premier robot industriel du monde, le « Famulus », possédant six axes électromécaniques entraînés. Nous pouvons également citer le « Silver Arm », du nom de son inventeur, David Silver, capable de réaliser des mouvements semblables à ceux des mains humaines. Dans les années 1980, naît un bras à quatre axes capable de ramasser des pièces, de les déplacer et les transférer dans une ligne d’assemblage, le « SCARA » (Assemblée Sélective de Conformité Bras Robotique). En 1981, Takeo Kanade7 crée le premier « bras d’entraînement direct » contenant des moteurs et permettant d’éliminer les longues transmissions. En 1986, Honda commence son projet de recherche et de développement pour la fabrication de robots capables d’interagir avec les humains. Trois ans plus tard, un robot appelé « Genghis » entre en scène. Conçu avec des méthodes de construction et l’aide de 4 microprocesseurs,22 capteurs et 12 servomoteurs, ce robot réputé bon marché devient célèbre.

La dernière décennie du 20e siècle a vu la production au MIT (Massachusetts Institute of Technology) du « RoboTuna », capable d’étudier la manière dont les poissons nagent, mais également l’invention du docteur John Adler, le « Cyberknife », un robot capable d’effectuer de la radiochirurgie stéréotaxique, ce qui permet un traitement alternatif des tumeurs avec une précision chirurgicale similaire à celle des chirurgiens. En 1996, Honda présente son robot humanoïde P2. L’année suivante, c’est au tour d’IBM de lancer son ordinateur Deep Blue8. Ce dernier vaincra le champion du monde d’échecs Garry Kasparov. À ce moment-là, sur Mars, le rover Sojourner9, un petit robot ne pesant que 11 kg, sillonne la planète dans le cadre de la mission « Mars Pathfinder » et planifie les routes de navigation afin d’en étudier sa surface. En 1999, Sony présente le AIBO10. En 2000, Honda lance le résultat le plus avancé de son projet humanoïde, nommé « ASIMO11 », capable de courir, de marcher, de communiquer avec les humains, d’utiliser la reconnaissance faciale et d’interagir avec son environnement. En octobre 2000, les Nations unies ont estimé qu’il y avait 742 500 robots industriels dans le monde, plus de la moitié étant utilisés au Japon12.

Officiellement, qu’est-ce qu’un robot ?

Après toutes ces créations dans la robotique, il est devenu nécessaire de définir officiellement le concept de « robot ». En 1995, la Commission économique des Nations unies pour l’Europe (CEE-ONU) et la Fédération internationale de robotique13 se sont accordées sur une définition de base de « robot de service » et une classification a été validée par l’actuel comité technique ISO 184 / sous-comité 2, conduisant à l’ISO-Standard 8373, en vigueur depuis 2012 et définissants divers robots comme suit.

Un « robot » est un mécanisme programmable actionné sur deux axes ou plus, avec un degré d’autonomie et se déplaçant dans son environnement pour effectuer des tâches spécifiques. L’autonomie, dans ce contexte, signifie la capacité d’effectuer des tâches prévues en fonction de l’état et de détection courant, sans intervention humaine.

Un « robot de service » est un robot qui effectue des tâches utiles pour l’homme ou pour l’équipement à l’exclusion des applications d’automatisation industrielle. Remarque : le classement d’un « robot » en « robot industriel » ou en « robot de service » est effectué en fonction de l’application envisagée.

Un « robot de service personnel » ou un « robot de service pour un usage personnel » est un robot de service utilisé pour une tâche non-commerciale, généralement par des particuliers. Les exemples sont : le « robot domestique » utilisé comme serviteur, un « fauteuil roulant automatisé », le robot qui aide la mobilité personnelle et les « robots animaux ».

Un « robot de service professionnel » ou un « robot de service pour une utilisation professionnelle » est un robot de service utilisé pour une tâche commerciale, habituellement exploité par un professionnel. Les exemples sont : le « robot de nettoyage » pour les lieux publics, de livraison dans les bureaux ou les hôpitaux, de lutte contre l’incendie, de rééducation et de chirurgie dans les hôpitaux. Dans ce contexte, un opérateur est une personne désignée pour démarrer, surveiller et arrêter l’opération prévue d’un robot ou d’un système de robot.

Un « système de robot » est un système comprenant un ou plusieurs robots, machines, équipements, dispositifs ou capteurs permettant au robot d’effectuer sa tâche.

L’impact sur la fabrication industrielle

Alors que l’automatisation a eu un fort impact sur le remplacement de l’équipement au cours de la troisième révolution industrielle, la quatrième nécessite que les machines déjà existantes ne soient que partiellement remplacées, mais qu’elles soient connectées avec d’autres équipements à travers un système informatique.

Selon IDTechEx, un cabinet de conseil au Royaume-Uni, « le plus grand changement au cours des dix prochaines années sera une croissance massive dans les robots mobiles » ainsi qu’un développement massif des marchés, toujours basés aujourd’hui sur la main-d’œuvre intensive des chaînes de fabrication (comme les principaux marchés asiatiques). Ces secteurs touchés par la robotique représentent un marché de 25 milliards de dollars aujourd’hui et passeront à 123 milliards de dollars en 202614.

Par exemple, Kuka Robotics propose des robots autonomes qui interagissent entre eux et ajustent leurs actions pour adapter le produit suivant. Les capteurs haut de gamme et les unités de contrôle permettent en même temps une collaboration étroite avec les humains15. Le fournisseur industriel de robots ABB16 a également lancé un robot à deux bras appelé « Yumi » (figure ci-dessous), qui possède des mains flexibles et une caméra de contrôle. Si nous imaginons les opérations actuelles de main d’œuvre intensive dans les pays où les produits électroniques sont assemblés, le potentiel de développement des marchés des robots industriels est énorme (à titre d’illustration, le plan de Foxconn a utilisé 1 million de robots industriels)17.

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Manufacture digitale et additive

La fabrication additive est considérée par certains analystes comme une « extension de la robotique18 ». Toute la chaîne d’approvisionnement est impactée par cette nouvelle technologie. Les systèmes de fabrication peuvent être regroupés dans les mêmes locaux que les designers ou même les consommateurs. Il est pertinent d’évaluer la relation entre la robotique et la fabrication additive. Les impacts de ceux-ci sur la chaîne de fabrication comptent sur les processus de conception assistée par ordinateur (CAO) tels que la modélisation, la simulation et la visualisation pour créer un concept de design et définir le processus de production dans un ordinateur.

La prochaine étape se trouve logiquement dans la combinaison entre les possibilités de la robotique et la flexibilité de la fabrication additive. Une nouvelle manière de produire !

Un exemple est lié aux lignes de fabrication de la société néerlandaise TNO19 et son « Department for Additive Manufacturing » (EfAM) qui développe une technologie de pointe et des concepts de machines de haute précision pour l’impression 3D (figure ci-dessous). EfAM réalise, pour ses partenaires et ses clients, des machines de fabrication additive personnalisées avec des supports spécifiques sur la mécatronique, l’ingénierie de contrôle, mécanique, des systèmes, d’impression et de thermofluide.

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Un autre cas est représenté par Arevo Labs20, société basée en Californie, par son Robot-Base Plate-forme de Fabrication Additive (RAMP) qui est adapté sur le plus petit robot à six axes d’ABB (l’IRB 12021) et pourrait également soutenir de plus grands modèles de robot ABB. Il est composé d’une tête de dépôt avec gestion thermique de pointe pour le traitement de haute performance en fibres de carbone thermoplastique renforcé. Tandis que le logiciel comprend un logiciel de FAO pour convertir des modèles CAO en instruction pour le robot, ce dernier est capable d’intégrer six degrés de liberté et d’interfaçage avec le logiciel de programmation et de simulation RobotStudio™ d’ABB pour faciliter la génération des outils à partir de fichiers de CAO.

Parmi les inventions les plus curieuses et innovantes : les « Siemens Spiders » ou « SiSpis »22 (figures ci-dessous) qui renforcent le concept de « fabrication mobile ». Les experts de Siemens Robotic Labs à Princeton, New Jersey, ont développé des prototypes de robots ressemblant à des araignéeset pouvant travailler en collaboration les uns avec les autres pour imprimer des structures en 3D. Ces robots sont capables d’accélérer la production de grande échelle, d’atteindre des structures complexes telles que les fuselages des avions ou les coques des navires. Les SiSpis eux-mêmes sont imprimés en 3D et transportent des caméras et un scanner laser pour comprendre leur environnement et savoir exactement où ils se trouvent dans un espace donné.

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Plates-formes interactives : l’avenir

Compte tenu de l’évolution constante des techniques de fabrication additive et de l’interaction croissante entre les secteurs, l’enthousiasme est de mise. Récemment, le service d’impression 3D de Proto Labs Inc.23, en collaboration avec Concept Laser et sa technologie LaserCUSING®24, a complété son panel de technique de fabrication industrielle. D’autres partenariats robotiques sont liés aux sociétés françaises Dassault Systèmes25 et BoostAeroSpace26, qui ont lancé une plate-forme de collaboration pour l’industrie aérospatiale et de la défense européenne. La plate forme AirDesign27 est un espace de travail commun pour la conception, la fabrication et la gestion de données de produits et de production entre plusieurs partenaires, disponible sur un cloud privé.

Enfin, Bosch Rexroth28, une firme d’ingénierie basée en Allemagne, est le résultat d’une fusion depuis le 1er mai 2001 entre la Business Unit Automation Technology de Robert Bosch GmbH et Mannesmann Rexroth AG. Elle fournit des solutions d’automatisation et de fabrication de pièces uniques produites dans un volume élevé à tous les principaux secteurs industriels.

La robotique et la fabrication additive sont en constante évolution. Leur combinaison pourrait permettre d’obtenir des résultats illimités spécifiquement dans la conception, la liberté de dimension et la fabrication avec multimatériaux.

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STRATASYS OUVRE LA VOIE

Annoncé à la fin du mois d’août sur notre site Web en compagnie des sociétés Ford, Boeing et Siemens, Stratasys a lancé deux nouveaux démonstrateurs 3D : le « Infinite-Build 3D Demonstrator », qui a été conçu pour la production de pièces de grande taille à vitesse 10x avec une grande qualité et précision de production et une répétabilité, ainsi que le « Robotic-Composite 3D Demonstrator », une imprimante 3D avec un mouvement sur huit axes qui permettent un placement précis et directionnel du matériau pour une solidité accrue tout en réduisant significativement le recours à des systèmes de support.

Infinite-Build 3D Demonstrator

La machine « Infinite-Build 3D Demonstrator » (figures 7 et 8) est conçue pour répondre aux exigences de l’aérospatiale, de l’automobile et d’autres secteurs pour la production de pièces thermoplastiques de grandes dimensions, légères et avec des propriétés mécaniques reproductibles. Elle offre une approche révolutionnaire d’extrusion de FDM qui augmente la productivité et la répétabilité. Elle transforme le concept traditionnel de l’imprimante 3D sur un côté pour réaliser une approche « manufacture infinie » qui imprime sur un plan vertical pour une dimension illimitée d’une pièce dans le sens de la construction.

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« Un tel résultat n’aurait pas été possible sans le soutien de deux sociétés Fortune 100 comme Boeing et Ford Motor Company », indique Teri Finchamp, directeur des opérations et de la qualité chez Boeing Phantom Works. Boeing a contribué au démonstrateur en définissant les exigences et les spécifications de l’aéronautique. Elle l’utilise aujourd’hui pour explorer la production de faibles volumes de pièces légères. Le docteur Ellen Lee, leader technique de la recherche – fabrication additive chez Ford Motor Company, a souligné que son entreprise étudie également des applications innovantes qu’il n’était pas possible de réaliser auparavant en raison de la taille limitée des machines de production.

Deux produits ont également été présentés

Le Panneau intérieur d’avion est le plus grand réalisé par un autre système commercial. Il a été produit en ULTEM 9085 pour satisfaire aux normes en matière d’inflammabilité, de fumée et de toxicité pour les intérieurs d’avions. Il démontre la capacité de personnalisation des intérieurs de véhicules pour offrir une expérience unique aux passagers.

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L’Outil Rocket-carénage présente la capacité de produire un grand outil de drapage léger, beaucoup plus grand que tous ceux réalisés jusqu’à maintenant. Il démontre la capacité d’atteindre une surface très affinée.

Robotic-Composite 3D Demonstrator

Le « Robotic-Composite 3D Demonstrator » (figures 9 et 10) associe les technologies avancées d’extrusion de Stratasys avec le matériel de contrôle du mouvement et le logiciel PLM de Siemens. Stratasys et Siemens travaillent en étroite collaboration pour concrétiser leur vision partagée d’une impression 3D viable et incontournable dans la fabrication de composants. Pour illustrer cette vision, Stratasys a conçu le « Robotic-Composite 3D Demonstrator » en intégrant ses technologies clés de fabrication additive au système industriel de contrôle du mouvement et au logiciel de conception pour l’impression 3D de Siemens. Ce démonstrateur robotique est destiné à révolutionner l’impression 3D de pièces composites.

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Son utilisation doit être étendue aux secteurs du transport comme l’automobile et l’aéronautique ainsi qu’à d’autres, notamment les secteurs gazier et pétrolier ou encore la médecine, qui utilisent des matériaux composites pour fabriquer des structures solides, mais légères. La production de composites est néanmoins limitée par des processus géométriques compliqués nécessitant un énorme travail manuel. Le « Robotic-Composite 3D Demonstrator » procure une impression 3D réaliste, grâce à un système de mouvement à huit axes qui permet un placement précis et directionnel du matériau. La solidité de la pièce en est renforcée et l’utilisation de supports, limitant la vitesse d’impression, n’est plus nécessaire. Cette redéfinition de fabrication des pièces légères offre une possibilité d’emploi de cette technologie pour accélérer la production de pièces à partir d’une large gamme de matériaux.

Un « dome » produit avec cette machine a été présenté. Cette pièce démontre la capacité à utiliser huit axes pour imprimer de l’intérieur vers l’extérieur, plutôt que couche après couche. Le dôme central est réalisé avec une trajectoire d’outil à spirale unique, ce qui permet d’éliminer les coutures ou les transitions entre couches. Les nervures de renfort sont imprimées perpendiculairement aux couches du dôme selon une trajectoire d’outil unique qui suit une courbe complexe à travers l’espace. La pièce a été totalement réalisée sans support, par réorientation continuelle. Elle a été conçue en thermoplastique rempli de fibre de carbone, avec une orientation de la fibre sous contrôle permanent – quel que soit l’axe.

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Notes

1 – https://www.britannica.com/biography/Karel-Capek

2 – http://www.turing.org.uk/

3 – http://www.asimovonline.com/asimov_FAQ.html#series13

4 – https://www.sri.com/

5 – http://groups.inf.ed.ac.uk/vision/ROBOTICS/FREDDY/f2.wiki180109

6 – http://www.kuka-robotics.com/en/

7 – http://www.ri.cmu.edu/person.html?person_id=136

8 – http://www-03.ibm.com/ibm/history/ibm100/us/en/icons/deepblue/

9 – http://www.nasa.gov/mission_pages/mars-pathfinder/

10 – http://www.sony-aibo.com/

11 – http://asimo.honda.com/asimo-history/

12 – http://www.unece.org/press/pr2000/00stat10e.html

13 – http://www.ifr.org/association/

14 – http://www.idtechex.com/research/reports/robotics-2016-2026-000458.asp

15 – http://new.abb.com/products/robotics/industrial-robots/yumi

16 – http://new.abb.com/products/robotics

17 – http://www.zmescience.com/research/technology/chinese-factorysacks-people-gets-robots-0523534/

18 – https://www.stratfor.com/analysis/smart-factories-next-industrialrevolution

19 – www.tno.nl

20 – http://arevolabs.com

21 – http://new.abb.com/products/robotics/industrial-robots/irb-120

22 – http://www.siemens.com/innovation/en/home/pictures-of-thefuture/digitalization-and-software/autonomous-systems-siemensresearch-usa.html

23 – https://www.protolabs.com/

24 – http://www.concept-laser.de/en/technology/lasercusingr.html

25 – http://www.3ds.com/

26 – https://www.boostaerospace.com/

27 – https://www.airdesign.aero/

28 – http://www.boschrexroth.com/en/xc/

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