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Fabrication additive et automatisation industrielle

Fabrication additive et automatisation industrielle

by Gaëtan Lefèvre21 octobre 2016
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La fabrication additive a permis de repenser des pièces permettant l’amélioration de l’automatisation industrielle. Préhenseurs, buses ou bols vibrants en sont des exemples. Explications.

Par Nikolas Du Puy Dutour, directeur général chez Materialise France.

 

L’arrivée de la robotique a provoqué de profonds changements au niveau des chaînes de production. Elle a indirectement transformé des secteurs et des marchés à part entière. Elle a permis d’accélérer considérablement les processus de production tout en les rendant plus fiables et plus performants. Toutefois, par nature, l’automatisation industrielle ne peut pas s’imposer comme une solution universelle. Les exigences des chaînes de production sont aussi diverses que les produits qu’elles fabriquent, des pièces automobiles aux denrées alimentaires emballées. Néanmoins, il existe tout de même des dénominateurs communs s’appliquant à l’automatisation industrielle. Certaines pièces, comme les préhenseurs, les buses ou les bols vibrants, souvent finalisées tout à la fin de la solution d’automatisation, sont susceptibles d’avoir une incidence sur l’efficacité de l’ensemble de la chaîne de fabrication. Grâce à l’impression 3D, les ingénieurs peuvent repenser ces pièces en adoptant une perspective fonctionnelle, pour les transformer en des composants performants sur lesquels la robotique moderne peut compter.

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Personnalisation de masse

Les bols vibrants peuvent être personnalisés en fonction des exigences de l’industrie, de l’application, des caractéristiques des matériaux, du volume de produit et de l’orientation. L’efficacité des préhenseurs peut être améliorée grâce à une conception unique en adaptant la forme et la configuration des doigts de préhension, en intégrant des canaux à vide dans la conception du préhenseur, ou en identifiant d’autres fonctionnalités immédiates dans le bras du robot pouvant être directement intégrées dans le préhenseur. D’autre part, les buses peuvent bénéficier d’une personnalisation complexe permettant d’améliorer la précision, d’optimiser le flux de liquide et de réduire le risque de fuite.

Tandis que les efforts de personnalisation déployés par les techniques de fabrication traditionnelles sont coûteux, en grande partie en raison des coûts d’outillage et de production, la fabrication additive se prête très bien à la production rentable de séries limitées. En éliminant l’étape de l’outillage et en passant directement de la conception à la production, ce procédé permet des cycles de fabrication courts, ce qui fait d’elle la plate-forme idéale pour la personnalisation de masse.

Optimiser la conception

Lors de la conception de préhenseurs, de buses ou de bols vibrants pour les processus d’automatisation, il faut tenir compte de nombreux facteurs : la forme, l’orientation, le poids et la dimension du produit à manipuler. Ceux-ci ont tous leur impact sur la manière de concevoir et de fabriquer. La dernière étape d’un projet d’automatisation est donc la plus délicate et la plus complexe. La fabrication additive transforme cette étape, non seulement en simplifiant le développement itératif, mais également en introduisant une nouvelle approche de la conception.

Les préhenseurs imprimés en 3D sont parfaitement adaptés à la manipulation, à l’emballage et à l’assemblage de formes organiques ou complexes, puisque les doigts de préhension peuvent être conçus pour s’adapter au produit. Étant donné que la complexité ne constitue pas un facteur de coût pour la fabrication additive, les concepteurs sont libres de dessiner en gardant à l’esprit le souci de fournir une performance optimale. Cette solution offre la possibilité de réduire l’assemblage manuel tout en intégrant de multiples fonctions dans une seule pièce, ou tout simplement de réduire le poids et les coûts en créant une pièce évidée, ce qui permet de limiter l’utilisation de matière.

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Dans le cas de ces préhenseurs à aspiration (photo ci-dessous), tous les facteurs entrant en jeu dans l’évolution de la conception originale ont été optimisés par l’impression 3D. Tandis que la conception d’origine était destinée au fraisage et à l’usinage, la pièce repensée coûte moins du tiers du prix de la pièce originale, pèse un quart de son poids et ne nécessite pas d’assemblage, tout en utilisant le même matériau, l’aluminium. La réduction des coûts liés à l’utilisation de la matière et à l’assemblage résulte directement de l’optimisation de la conception, qui, dans ce cas, a pris la forme d’un espace intérieur creux, en intégrant des canaux d’air ainsi qu’un tube et un bras de connexion, et en orientant la pièce sur la plate-forme d’impression 3D de façon à minimiser le besoin de support. Ce dernier point revêt une importance particulière pour les pièces métalliques, car l’utilisation de matière constitue un facteur de coût significatif dans le cadre de l’impression 3D métal et les supports inutiles peuvent donc s’avérer coûteux.

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Pour un préhenseur pneumatique, l’optimisation de la conception offre la possibilité de créer un produit facile à maintenir. Les charnières, élément commun des préhenseurs robotiques à doigts, peuvent réduire la durée de vie du préhenseur et accroître les coûts de maintenance en raison de leur capacité de charge. Une conception de préhenseur pneumatique, associée à un matériau flexible, permet d’éliminer le besoin de charnières, tout en réduisant le temps d’assemblage et en limitant la fréquence d’entretien future.

Matériaux d’impression 3D pour l’automatisation industrielle

En ce qui concerne l’automatisation industrielle, les exigences clés sont diverses : la dureté et la souplesse, la résistance, la sécurité alimentaire, etc. La fabrication additive offre une vaste gamme de matériaux, des polymères aux métaux, répondant aux nombreuses exigences industrielles.

L’acier inoxydable, fréquemment utilisé dans des applications d’hygiène alimentaire et pour la fabrication d’instruments médicaux, est souvent plus rentable, pour une production plus rapide, grâce à la fabrication additive. Pour les projets nécessitant que le préhenseur soit léger, permettant ainsi d’accélérer les mouvements du robot, les matériaux plastiques TPU 92A-1 et PA12 sont parfaitement adaptés au contact alimentaire, sous certaines conditions. Le matériau TPU 92A-1 a l’avantage supplémentaire d’être flexible, tandis que le PA12 est exceptionnellement stable et durable. Le tableau ci-contre fournit un aperçu des matériaux fréquemment utilisés en impression 3D, ainsi que leurs applications les mieux adaptées à l’automatisation industrielle.

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Si les procédés de fabrication additive ne peuvent utilisés tous les matériaux, il est intéressant d’envisager l’utilisation de moules imprimés en 3D, comme la production par coulée sous vide. Cette solution permet de bénéficier des avantages de l’impression 3D, notamment la liberté et les cycles courts de conception et de production, tout en permettant d’utiliser des plastiques plus conventionnels.

Évolution des besoins

Dans un contexte où la robotique et l’automatisation industrielle entrent dans l’industrie 4.0, la demande en composant plus léger, plus rapide et plus rentable devrait augmenter de manière significative. Une chaîne de production ayant investi dans un robot à haute performance est susceptible de vouloir améliorer ses performances et d’accélérer ses mouvements par minute, en utilisant des préhenseurs ou des gicleurs plus légers. La fabrication additive rend possibles des chaînes d’approvisionnement entièrement numériques. En effet, elle passe directement des numérisations en 3D, des conceptions CAO et de l’optimisation numérique à la fabrication additive certifiée sur demande par logiciel, sans avoir besoin d’aucun outillage. Si l’industrie 4.0 consiste en une production flexible et en des systèmes matériels et logiciels interconnectés, les solutions d’automatisation industrielles par fabrication additive sont déjà présentes.

Par conséquent, bien que les éléments d’automatisation plus rapides, plus polyvalents et plus performants ne soient pas indispensables pour la robotique, leur rôle croissant dans la fabrication ne devrait cesser de gagner en importance dans les années à venir.

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Gaëtan Lefèvre

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