Robots vs CNC pour la fabrication additive métallique automatisée

May 18, 2023

Par David Alatorre, CTO, Rivelin Robotics

L'utilisation de la fabrication additive métallique a révolutionné l'industrie manufacturière, permettant la création de pièces complexes et complexes de manière plus rapide et plus rentable. Cependant, le post-traitement essentiel de ces pièces introduit des contraintes de temps et financières sur le coût global par pièce qui peuvent annuler complètement les avantages de la FA. Le retrait du support est la première étape critique du post-traitement des pièces métalliques de FA, et c'est un défi. Aujourd'hui, les supports sont toujours essentiels pour la fidélité des pièces pendant le processus de fabrication, mais ils doivent être retirés pour obtenir le produit fini requis avec la forme, les caractéristiques et les tolérances prévues.

Alors que le retrait manuel du support est toujours le statu quo pour de nombreuses applications de FA métallique, cet article abordera la transition vers des solutions automatisées de retrait (et de finition) du support et examinera les avantages et les inconvénients de l'utilisation de systèmes de commande numérique par ordinateur (CNC) par rapport à la polyvalence et la fiabilité des robots.

Soutenir ou ne pas soutenir ? Il y a un argument selon lequel l'énigme de la suppression du support dans AM sera finalement résolue par l'impression dite sans support. Bien sûr, ce serait l'objectif ultime, permettant une liberté de conception totale avec une efficacité optimisée des ressources, où les matières premières et l'énergie ne sont utilisées que pour fabriquer la pièce finale et non les supports.

Malheureusement, le secteur de la FA n'en est pas encore là, et bien que les supports soient minimisés grâce à la conception, ils sont toujours - et le seront dans un avenir prévisible - une nécessité. Minimiser la quantité de matériau et d'énergie utilisée pour les supports est la bonne chose à faire dans presque toutes les situations, mais cela peut également compromettre la liberté de conception et nuire à la fonctionnalité souhaitée de la pièce d'utilisation finale, qui peut, par exemple, devoir être conçue avec des cavités remplies ou des porte-à-faux entraînant une perte de légèreté. Les conceptions génératives peuvent également être inutilement contraintes pour obtenir les angles nécessaires pour des supports réduits.

L'accent mis sur la réduction du support peut également affecter l'efficacité du processus. Par exemple, les pièces longues peuvent devoir être construites dans une orientation spécifique et occupent donc plus de la plaque de construction, et les constructions empilées peuvent devenir peu pratiques en raison des structures de support interconnectées.

En bref, alors que nous devrions toujours nous efforcer d'avoir moins de support, ils restent actuellement un outil nécessaire pour les applications AM les plus complexes.

Post-traitement manuel Étonnamment, la suppression manuelle du support reste le processus de choix pour la majorité des utilisateurs AM aujourd'hui. Il faut des techniciens hautement qualifiés pour retirer les supports avec toutes sortes d'outils à main traditionnels. Les Dremels sont également utiles. Il a fait ses preuves mais nécessite des compétences, de la résolution de problèmes et de la créativité. Il peut être bien adapté aux environnements de production à haut volume et à faible volume.

Cependant, le retrait manuel des supports prend également beaucoup de temps, demande beaucoup de main-d'œuvre et est salissant, avec des poussières toxiques nécessitant des EPI ou des environnements protégés. Le risque d'inflammation et d'explosion de la poudre et les microtraumatismes répétés sont des problèmes courants. De plus, il n'est pas reproductible avec précision avec une variabilité d'une personne à l'autre et même d'un quart de travail à l'autre, ce qui entraîne des problèmes de contrôle de la qualité et une augmentation du taux de rebut. Il est également difficile d'évoluer si la demande de pièces AM commence à augmenter de manière significative.

Automatisation Des progrès ont été réalisés avec des solutions d'automatisation du post-traitement des pièces métalliques en FA. La plus courante a été l'utilisation de fraiseuses CNC, une technologie éprouvée pour une variété d'applications de fabrication, y compris une approche hybride de la FA. Ils sont indéniablement précis et reproductibles. Cependant, ce n'est pas parce que quelque chose est courant et a fait ses preuves dans certains domaines qu'il s'agit toujours de la meilleure solution.

La CNC peut bien fonctionner si la pièce en question a des tolérances serrées et où la planéité, la circularité, la concentricité ou les dimensions doivent être inférieures à quelques microns. Il s'agit également de la technologie préférée pour le retrait du support dans les grandes séries de constructions où les géométries sont simples ou se prêtent à une fixation facile dans seulement quelques orientations. De même, cela peut convenir aux impressions où le retrait de la plate-forme avec un EDM CNC prend en charge la majorité du support.

Cependant, les machines CNC ne sont pas une bonne solution pour les composants à parois minces, les constructions empilées peu encombrantes et les pièces avec des structures en treillis ou des supports de séparation. Il est également juste de dire que les programmeurs CNC n'aiment pas les formes organiques uniques conçues de manière générative avec des courbes composées.

Cela commence à clarifier et à renforcer l'argument contre CNC pour la suppression du support dans l'écosystème AM.

L'un des principaux moteurs de la FA est la flexibilité de la conception qui permet aux utilisateurs d'itérer, de personnaliser et de mettre à niveau les composants d'un lot à l'autre. Cela signifie qu'il est rare que les entreprises utilisant la FA pour la production investissent dans une automatisation industrielle rigide. Toute itération, toute modification de la conception signifierait une nouvelle trajectoire CNC pour une nouvelle trajectoire d'outil et aurait un coût élevé. La fabrication additive a besoin de cette flexibilité de conception pour être portée à chaque étape de la chaîne de processus de fabrication.

Le problème est similaire pour l'outillage et le montage. Les types d'appareils de haute précision requis pour l'automatisation industrielle rigide n'ont tout simplement pas de sens à moins que vous ne soyez prêt à vous engager dans une conception à long terme.

Et puis il y a le problème de la variabilité d'un lot à l'autre. Même si vous disposiez d'une fixation parfaite et d'une trajectoire d'outil parfaite, s'appuyer sur une surface de support parfaitement prévisible directement depuis l'imprimante n'est peut-être pas la meilleure idée. En effet, on s'attend à ce que AM prenne en charge la déviation afin que les pièces AM n'aient pas à le faire. Les supports AM sont minces pour maximiser l'utilisation du stock de poudre. Des liaisons fines sont réalisées sur le composant pour minimiser les témoins de surface et faciliter le détachement de l'échafaudage. La composition des matériaux est même parfois modifiée entre les lots, ce qui signifie que les supports peuvent avoir un aspect et un comportement différents d'un lot à l'autre.

Robots Ainsi, la FA a besoin d'une automatisation qui peut s'adapter à la variabilité, en particulier pour le support et la suppression des témoins. Et ce défi a été résolu grâce à l'utilisation de logiciels sophistiqués et de systèmes d'intelligence artificielle pour aider à générer des trajectoires d'outils et des mouvements de robot sans mobiliser toute une équipe d'ingénierie système. Cela permet ensuite une itération rapide ainsi que l'automatisation de petits lots.

La numérisation 3D peut être utilisée pour localiser des pièces au lieu de fixations de haute précision, ce qui signifie que les imprimantes FDM de bureau peuvent être utilisées pour fabriquer rapidement des fixations en plastique sans se soucier de la précision ou des modifications de la conception. De plus, des capteurs de force peuvent être utilisés pour sentir la surface et adapter l'usinage en conséquence, pour passer plus de temps sur les points hauts jusqu'à ce que la forme finale soit atteinte, ou pour polir jusqu'à une finition homogène.

Un énorme avantage est que n'importe quel outil peut être utilisé pour l'enlèvement et la finition des supports. Si l'on sait déjà quels outils fonctionnent bien avec les matériaux ou les types de supports imprimés, les mêmes outils peuvent être attachés à un robot pour automatiser avec plus de confiance. Avec la technologie d'aujourd'hui, les étapes pour ajouter un nouvel outil personnalisé ressemblent essentiellement à l'ajout d'un nouveau type de fraise en bout à une machine CNC et ne nécessitent pas un intégrateur système qui facture à l'heure.

Les robots apparaissent comme une solution supérieure par rapport aux machines CNC pour le retrait automatisé des supports des pièces métalliques en FA en raison de leur vitesse, efficacité, flexibilité, précision, répétabilité, sécurité, rentabilité et durabilité. L'utilisation de robots dans ce processus se traduit non seulement par un produit mieux fini, mais fournit également un processus de fabrication de bout en bout plus sûr, plus durable et plus rentable.

Contrôleur à microprocesseur dédié à une machine-outil permettant la création ou la modification de pièces. La commande numérique programmée active les servos et les entraînements de broche de la machine et contrôle les différentes opérations d'usinage. Voir DNC, commande numérique directe ; CN, commande numérique.

Contrôleur à microprocesseur dédié à une machine-outil permettant la création ou la modification de pièces. La commande numérique programmée active les servos et les entraînements de broche de la machine et contrôle les différentes opérations d'usinage. Voir DNC, commande numérique directe ; CN, commande numérique.

Processus qui vaporise des matériaux conducteurs par l'application contrôlée d'un courant électrique pulsé qui circule entre une pièce et une électrode (outil) dans un fluide diélectrique. Permet d'usiner des formes avec une grande précision sans les contraintes internes que l'usinage conventionnel génère souvent. Utile dans la fabrication de matrices.

Fraise tenue par sa queue qui coupe sur sa périphérie et, si configurée, sur son extrémité libre. Prend une variété de formes (simple et double extrémité, ébauche, tête hémisphérique et extrémité en cuvette) et de tailles (tronquée, moyenne, longue et extra-longue). Vient également avec différents nombres de flûtes.

Dispositif, souvent fabriqué en interne, qui maintient une pièce spécifique. Voir gabarit; fixation modulaire.

Usinage avec plusieurs fraises montées sur un même arbre, généralement pour coupe simultanée.

Matériau léger et abrasif utilisé pour la finition d'une surface.

Opération d'usinage au cours de laquelle du métal ou un autre matériau est enlevé en appliquant de la puissance à une fraise rotative. En fraisage vertical, l'outil de coupe est monté verticalement sur la broche. En fraisage horizontal, l'outil de coupe est monté horizontalement, soit directement sur la broche, soit sur un arbre. Le fraisage horizontal est en outre décomposé en fraisage conventionnel, où la fraise tourne dans le sens opposé à la direction d'alimentation, ou "vers le haut" dans la pièce à usiner; et le fraisage en montée, où la fraise tourne dans le sens de l'avance, ou "vers le bas" dans la pièce. Les opérations de fraisage comprennent le fraisage plan ou surfacique, le fraisage en bout, le surfaçage, le fraisage d'angle, le fraisage de forme et le profilage.

Tout équipement contrôlé qui permet à un opérateur de programmer son mouvement en saisissant une série de chiffres et de symboles codés. Voir CNC, commande numérique par ordinateur ; DNC, commande numérique directe.

Termes désignant un programme formel de surveillance de la qualité des produits. Les désignations sont les mêmes, mais QC évoque généralement un système d'inspection post-usinage plus traditionnel, tandis que QA implique une approche plus complète, mettant l'accent sur la "qualité totale", les principes généraux de qualité, le contrôle statistique des processus et d'autres méthodes statistiques.

Discipline impliquant des dispositifs auto-actionnés et auto-actionnés. Les robots imitent fréquemment les capacités humaines, y compris la capacité de manipuler des objets physiques tout en évaluant et en réagissant de manière appropriée à divers stimuli. Voir robot industriel ; robot.