Brevet FR3081754A1 — publié le 20191206

Description Titre de l'invention : Dispositif de fabrication par addition de matière avec SYSTÈME DE DÉPLACEMENT MULTIAXIAL Domaine technique [0001] La présente invention concerne un dispositif de fabrication par addition de matière avec système de déplacement multiaxial permettant de déplacer un organe de dis- tribution de matière dans un volume de travail dans lequel un objet est fabriqué. Technique antérieure [0002] Depuis plusieurs années, d'importants développements ont été apportés aux im- primantes 3d, rendant ces outils de plus en plus accessibles tant pour les industriels que pour les particuliers. Le coût des appareils a fortement chuté et les performances deviennent de plus en plus attrayantes. [0003] On observe toutefois plusieurs limitations technologiques qui limitent encore les uti- lisations principalement aux domaines du prototypage et des essais. En particulier, la fabrication de pièces de grand volume nécessite des temps de réalisation importants, de plusieurs heures ou même plusieurs jours. [0004] De nombreuses tentatives ont été mises en oeuvre pour réduire le temps de fa- brication. En général, les augmentations de vitesse entraînent une baisse importante de la précision. Les accélérations et décélérations rapides et successives de la tête d'impression engendrent des vibrations, des imprécisions, affectant la qualité et la précision de fabrication. Or, il existe d'importants besoins pour réaliser des pièces complexes, avec de hauts niveaux de précision, dans des temps raisonnables. [0005] Par ailleurs, les vitesses de fabrication des machines actuelles limitent fortement les quantités des pièces produites. Or, il existe d'importants besoins pour réaliser des pièces en petites ou moyennes séries, mais dans des temps raisonnables. [0006] Pour tenter d'atteindre ces objectifs souvent contradictoires, certaines machines utilisent des configurations allégées, à plus faible inertie, permettant d'augmenter la vitesse de déplacement de la tête d'impression. [0007] Par exemple, le document KR101528850 décrit une imprimante 3d à 6 degrés de liberté permettant à une tête d'impression de se déplacer linéairement et de tourner sur 3 axes X, Y et Z. Des bras et des rails permettent de déplacer la tête d'impression dans l'espace de travail. La tête d'impression est reliée à ces bras par l'entremise de liaisons à rotules. Cette architecture est complexe, comprend de nombreuses pièces mobiles et présente malgré tout une importante inertie. [0008] Le document KR101664988 décrit une imprimante 3d dont la tête d'impression est reliée à des actionneurs par l'entremise d'un ensemble de tiges. Les tiges sont montées 2 sur des rails à une de leur extrémité, l'autre extrémité étant connectée à la tête d'impression par des liaisons à rotules. Les doubles liaisons à rotule permettent une grande facilité de déplacement dans le volume de travail. Le système est conçu pour permettre à la tête d'impression de se déplacer rapidement. Cependant la vitesse pourrait impacter la précision de la tête d'impression. Les billes utilisées sont métalliques pour permettre un maintien par force magnétique. Les gains de poids sont donc limités et le dispositif présente de ce fait une importante inertie. [0009] Toujours dans une optique d'améliorer les performances des imprimantes 3D, des systèmes à bras articulés ont été développés. [0010] Par exemple, le document W02017052124 décrit une imprimante 3D de type delta, comprenant une pluralité de poulies, un bras supérieur et un bras inférieur reliés à chacune des poulies. La tête d'impression est connectée à une extrémité du bras inférieur, et reliée à chacune des poulies pour déplacer la tête d'impression et effectuer une impression 3d. Cette architecture implique des pièces mobiles lourdes et complexes, limitant la vitesse de fabrication et la précision des pièces obtenues. [0011] Pour pallier ces différents inconvénients, l'invention prévoit différents moyens techniques. Résumé de l'invention [0012] Tout d'abord, un premier objectif de l'invention consiste à prévoir un dispositif de fabrication par addition de matière permettant de fabriquer des pièces complexes à haute vitesse. [0013] Un autre objectif de l'invention consiste à prévoir un dispositif de fabrication par addition de matière permettant de fabriquer des pièces complexes avec une très grande précision. [0014] Pour ce faire, l'invention prévoit un dispositif de fabrication par addition de matière avec système de déplacement multiaxial d'au moins un organe de distribution de matière, comportant : [0015] - au moins un actionneur ; [0016] - au moins un organe de distribution de matière; [0017] - au moins une tige, comportant chacune une première extrémité et une seconde extrémité, la première extrémité de chaque tige coopérant avec l'actionneur et la deuxième extrémité de chaque tige coopérant avec l'organe de distribution de matière; [0018] - une interface multiaxiale à chacune des extrémités de chacune des tiges ; - au moins un élément de traction agencé de façon à mettre en compression la tige et les interfaces multiaxiales positionnées à ses extrémités. [0019] Ce dispositif est simple, léger, facile à produire, à assembler, très fiable et peu coûteux. Le dispositif est facilement démontable et transportable. Ces caractéristiques 3 permettent un fonctionnement avec des déplacements très rapides sans vibration. Il permet de réaliser des objets de très grandes dimensions en conservant un niveau de précision très élevé. Grâce à l'utilisation d'un moyen exerçant un effort de rappel ou de traction, le dispositif fonctionne avec un jeu nul entre les composants. En cas de collision ou pour la plupart des autres cas engendrant un jeu, ce dernier est rapidement absorbé par le moyen de traction. [0020] Selon un mode de réalisation avantageux, l'élément de traction est relié à l'organe de distribution de matière. [0021] Selon divers exemples de réalisation, l'élément de traction est relié audit actionneur, ou au châssis du dispositif de fabrication, ou à tout autre endroit permettant une mise en compression de la tige. [0022] Selon un mode de réalisation avantageux, l'élément de traction est un tube ou une tige en matériau élastomère. [0023] Dans une variante de réalisation, l'élément de traction est une bande élastique, de préférence en matériau élastomère. [0024] Ces matériaux sont légers, procurent un bon coefficient de traction, une bonne ré- sistance à la traction, à faible coût. [0025] Dans un exemple avantageux, le matériau élastomère est un élastomère silicone. [0026] Selon un autre exemple avantageux, le matériau élastomère est compris dans la liste comprenant le caoutchouc naturel (NR), le polyisoprène de synthèse (IR), les copolymères de butadiène styrène (SBR) et les polybutadiènes (BR). [0027] Selon un autre mode de réalisation avantageux, l'élément de traction est un ressort, préférentiellement réalisé en acier ou en inox, ou en titane, ou en PA6. [0028] Selon un autre mode de réalisation avantageux, l'élément de traction comprend un vérin. [0029] Le vérin permet de régler de façon précise les paramètres opérationnels comme par exemple le coefficient de traction. [0030] De manière avantageuse, l'interface multiaxiale comprend un support de bille et une bille montée libre en rotation sur ledit support de bille. [0031] Dans un exemple, le support comprend un siège monté libre en glissement sur la bille. [0032] Le siège et la bille peuvent chacun être pourvus d'une surface très lisse à très faible coefficient de frottement, permettant aux tiges de glisser facilement et procurant une grande précision au niveau des déplacements de l'organe de distribution de matière. [0033] Dans un exemple de réalisation, les billes de la première extrémité coopèrent avec l'actionneur et les billes de la deuxième extrémité coopèrent avec l'organe de distribution de matière. [0034] Ce type de configuration est simple, très précise et peu coûteuse. 4 [0035] Selon un mode de réalisation avantageux, le système de déplacement multiaxial est de type delta. C'est un système très répandu, et particulièrement adapté pour effectuer des déplacements rapides avec de fortes accélérations. Ce système est fiable et confère une grande souplesse d'utilisation. Le système est adaptable en dimensions. [0036] Selon un autre mode de réalisation avantageux, le système est de type à bras articulés. [0037] Le système est adaptable en dimensions. La longueur des bras de l'actionneur et la longueur des tiges, ainsi que les diamètres, sont adaptées en fonction du travail à effectuer. Brève description des dessins [0038] Tous les détails de réalisation sont donnés dans la description qui suit, complétée par les figures la à 9, présentées uniquement à des fins d'exemples non limitatifs, et dans lesquelles : Fig.la [0039] [fig. lai est une vue en perspective d'un exemple de tige pourvue de billes montées aux extrémités. Fig.lb [0040] [fig. lb] est une vue en perspective d'un exemple de support de bille portant une bille. Fig.2a [0041] [fig.2a] est une vue en élévation d'un exemple de support de bille. Fig.2b [0042] [fig.2b] est une variante de réalisation du support de la figure 2a. Fig.3a [0043] [fig.3a] est une vue en élévation illustrant un exemple de tige seule. Fig.3b [0044] [fig.3b] illustre un exemple de tige avec bouts arrondis. Fig.4a [0045] [fig.4a] est un autre exemple de support de bille. Fig.4b [0046] [fig.4b] est un autre exemple de liaison multiaxiale. Fig.5 [0047] [fig.51 est une vue en perspective illustrant un exemple de dispositif de fabrication par addition de matière. Fig.6a [0048] [fig.6a] est une vue en perspective illustrant un autre exemple de dispositif de fa- brication par addition de matière. Fig.6b [0049] [fig.6b] est une vue en perspective illustrant un autre exemple de dispositif de fabrication par addition de matière. Fig.7 [0050] [fig.71 est une vue partielle d'un dispositif de fabrication par addition de matière illustrant un exemple de maintient en compression à l'aide d'une bande élastique. Fig.8 [0051] [fig.81 est une autre vue partielle d'un dispositif de fabrication par addition de matière illustrant un exemple de maintient en compression à l'aide d'une bande élastique. Fig.9 [0052] [fig.91 présente l'exemple de la figure 8 selon un autre point de vue, montré en perspective. Description des modes de réalisation [0053] La figure la illustre un exemple d'une des tiges 4 d'un système 1 de déplacement multiaxial d'organe de distribution de matière pour un dispositif de fabrication par addition de matière. Dans cet exemple, la tige comporte deux extrémités 5, 6. Dans l'exemple illustré, chacune de ses extrémités 5, 6 comprend une interface multiaxiale 7. Dans l'exemple illustré aux figures la, lb, et 2a, l'interface multiaxiale 7 comprend un support 8 de bille et une bille 9. Le support 8 de bille et la bille 9 ont des profils complémentaires de telle sorte que la bille 9 peut s'insérer au moins partiellement dans le support 8 et avoir un mouvement rotationnel. Le support de bille coopère avec la tige 4, par exemple par insertion partielle dans la tige 4, comme dans l'exemple de la figure lb. Le support est fixé à la tige par collage, par serrage, ou autre moyen de fixation. [0054] Un premier exemple de support 8 de bille est illustré aux figures la, lb et 2a. Le support 8 de bille comporte un siège 11 de bille de forme concave pour recevoir un élément sphérique de type sphère et/ou demi-sphère. La figure 2b est une variante de support 8 de bille. Dans cet exemple, le support 8 est un insert en forme de bague à collerette comprenant une ouverture cylindrique. La bille peut appuyer contre la collerette et tourner sur elle-même. [0055] Dans la plupart des configurations, un support de bille 8 est monté à chaque extrémité de la tige 4. Dans l'exemple illustré à la figure 3a, la tige est un tube sensiblement droit et allongé. La tige 4 est de préférence en carbone réalisé par enroulement filamentaire. Dans un exemple de réalisation, le diamètre est de 12 à 14mm et, dans cet exemple, la longueur est de 294mm. Le matériau offre une masse réduite et une bonne tenue en compression, en température élevée, par exemple 130°C en continu, et une bonne rigidité. [0056] La figure 3b illustre une variante de réalisation d'une tige 4. Dans cet exemple, il n'y 6 a pas de support 8 de bille puisque la tige 4 et la bille 9 sont d'une seule pièce et/ou fixées ensemble. En variante, la tige 4 comporte des extrémités 5, 6 arrondies en forme de demi-sphères. [0057] La figure 4a illustre une autre variante de réalisation d'un support 8 de bille. Dans cet exemple, le profil du support est concave et permet de loger une pluralité de microbilles 16 de dimension très réduite par rapport à la bille 9. La bille 9 peut tourner sur les microbilles 16 avec un frottement minimaliste. Cet exemple a un effet comparable à celui d'un roulement à billes. [0058] La figure 4b illustre un autre exemple d'interface multiaxiale 7, comprenant une tige 4 dont une extrémité est en forme de pointe. Cette pointe peut librement se mouvoir en appui contre une surface biseautée moins étroite que la pointe. Cette variante permet d'atteindre des niveaux de frottements très fiables, voire quasi nuls. La résistance est donc fortement réduite, ce qui permet au système 1 de se déplacer très rapidement et de façon précise. [0059] Les billes 9 et supports 8 de billes sont fabriqués à l'aide matériaux résistants à l'usure et à faible coefficient de frottement, comme par exemple en acier. On utilise avantageusement des matériaux légers afin de réduire l'inertie. Le matériau est de préférence autolubrifiant et adapté pour supporter de fortes charges statiques et de fortes températures en continu. Le matériau utilisé pour le support permet de ne pas endommager la bille 9. La bille 9 est conçue de préférence en Polyamide PA6. Ce matériau permet à la bille de résister à une température continue de 130°C, supporter une charge statique élevée, s'autolubrifier, sa densité est faible ainsi que son coût. En variante, les billes 9 peuvent être en acier chromé et/ou poli qui offre un coefficient de frottement faible et une excellente tenue mécanique. Encore en variante, on peut utiliser des billes 9 en POM, ou Teflon, ou tribopolymère. [0060] Les figures 5, 6a et 6h illustrent des exemples de dispositifs de fabrication par addition de matière, souvent désignés par le terme « imprimante 3d ». A la figure 5, l'organe 3 de distribution de matière est articulé et déplacé dans le volume de travail par un ensemble de trois actionneurs 2 montés sur des rails 14. Dans cet exemple, les rails sont doubles. En variante, on utilise des rails simples. Les rails 14 sont fixés à leurs extrémités à un châssis supérieur 12 et un châssis inférieur 13. Les deux châssis 12 et 13 ainsi que les rails 14 agencés entre les châssis délimitent un volume de travail dans lequel des pièces peuvent être fabriquées par addition de matière. En variante, on peut utiliser un seul châssis, inférieur ou supérieur. Le système de déplacement multiaxial 1 comprend trois actionneurs 2, soit un par rail 14. Les actionneurs 2 sont mobiles le long des rails 14 de façon indépendante. L'organe 3 de distribution de matière est relié aux actionneurs par l'entremise de tiges 4. Chaque tige 4 est reliée d'un côté à un actionneur 2 et de l'autre à l'organe 3 de distribution de matière. Dans 7 l'exemple illustré, chaque actionneur 2 est relié à l'organe 3 par deux tiges montées côte à côte. Les tiges interfacent avec les actionneurs 2 et avec l'organe de distribution de matière par entremise d'interfaces multiaxiales 7 préalablement décrites en relation avec les figures la à 4h. On prévoit de préférence une interface multiaxiale 7 pour chaque extrémité 5, 6 de tige. Pour faciliter l'assemblage des machines de fabrication, les billes 9 des interfaces multiaxiales peuvent être fixées aux actionneurs et/ou à l'organe 3, par exemple par vissage, collage, serrage, ou par une force d'attraction magnétique dans le cas de pièces métalliques ferreuses. Pour assurer une connexion mécanique fiable, simple, et efficace, chacun des actionneurs est relié à l'organe 3 par un élément de traction 10. Dans l'exemple de la figure 5, des tubes creux en élastomère silicone sont montés entre chaque paire de tiges 4. L'utilisation conjointe d'interfaces multiaxiales et d'éléments de traction procure une grande facilité de déplacement de l'organe 3 dans le volume de travail. Les efforts de frottement et les vibrations sont réduits. [0061] Les éléments de traction 10 sont fixés aux actionneurs et à l'organe de distribution de matière par serrage, vissage, collage, rivetage, etc, et sont de préférence faciles à démonter pour permettre leur remplacement ou pour permettre de démonter ou modifier le dispositif de fabrication. [0062] En variante, on utilise des éléments de traction 10 sous forme de tiges, de lanières, de tubes, ou autres, en matériau élastomère. Le matériau a des propriétés de rappel élastique. On utilise de préférence des matériaux tels que par exemple le caoutchouc naturel (NR), le polyisoprène de synthèse (IR), les copolymères de butadiène styrène (SBR) et les polybutadiènes (BR), ou un élastomère silicone. Le silicone est un matériau résistant, léger et élastique, avec une bonne durée de vie. De plus, il a une bonne résistance aux UV, une bonne tenue en température, un faible coût et est facile à mettre en oeuvre. [0063] Encore en variante, on utilise un ou plusieurs vérins. Ce mode de réalisation permet d'ajuster le niveau de serrage. Encore en variante, on utilise un ou plusieurs ressorts, de préférence en acier. Les ressorts sont calibrés en fonction de l'effort de rappel nécessaire. [0064] Pour assurer la mobilité de l'organe de distribution de matière, on utilise par exemple des motorisations électriques pour mettre en oeuvre les déplacements des actionneurs. Un module de gestion et de commande du déplacement de l'organe de distribution de matière permet de contrôler le déplacement de chacun des actionneurs 2 de façon à mouvoir l'organe de distribution de matière 3 en fonction de la pièce à fabriquer. Le mode déplacement de l'organe 3 ainsi que le mode de distribution et d'application du ou des matériaux servant à fabriquer la pièce sont connus en soi. Dans l'exemple illustré à la figure 5, le dispositif est en cours de fabrication d'une pièce par un procédé 8 d'addition de matière. [0065] Les figures 6a et 6b illustrent un autre exemple de machine de fabrication par addition de matière, avec une architecture de type delta. Tel que décrit pour l'exemple précédent, l'organe 3 de distribution de matière (partiellement illustré sur ces figures) coopère avec les extrémités 6 des tiges 4 grâce à des interfaces multiaxiales 7 préalablement décrites. L'autre extrémité 5 des tiges 4 coopère avec les actionneurs 2. Dans cet exemple, les actionneurs 2 sont des bras articulés. L'une des extrémités des bras des actionneurs 2 coopère avec les tiges 4 et l'autre extrémité de chaque actionneur 2 est reliée à un corps 15. La liaison multiaxiale entre les actionneurs 2 et les tiges 4, puis entre les tiges et l'organe de distribution de matière permet au système de déplacer l'organe de distribution de matière dans le volume de travail. La figure 6a illustre le dispositif de fabrication en position basse, tandis que la figure 6b illustre le dispositif en position partiellement relevée. [0066] Les figures 7, 8 et 9 sont des vues partielles montrant un exemple de dispositif de fa- brication par addition de matière illustrant un exemple de maintient en compression des tiges 4 à l'aide d'une bande élastique servant d'élément de traction. La bande forme une boucle fermée. Elle est reliée aux deux éléments avec lesquels la tige 4 coopère, soit, dans cet exemple, un actionneur 2, et un organe 3 de distribution de matière. Dans cet exemple, la bande élastique entoure les deux éléments à retenir ensemble. Les tiges 4 et les billes 9 sont ainsi maintenues en compression, pour un assemblage fiable et précis. [0067] Quelle que soit l'architecture du dispositif de fabrication, la longueur et/ou le diamètre des rails, des tiges 4 et des actionneurs 2 dans le cas d'actionneurs à bras articulés, ainsi que le diamètre de chacun des châssis pour un agencement tel que celui de la figure 5, sont adaptés en fonction du travail à effectuer, en particulier en fonction du volume de travail requis pour réaliser la fabrication de pièces plus ou moins volumineuses. Le faible poids des exemples de réalisation préalablement décrits permet d'effectuer des déplacements rapides et précis, sans vibration de l'organe de distribution de matière, car l'inertie est très faible. Il est ainsi possible d'obtenir des niveaux de précision très élevés, comme par exemple conformes à la norme 1S02768-mK. [0068] La force de rappel élastique de l'ensemble des éléments de traction 10 correspond à la masse des éléments en suspension. Pour des accélérations inférieures à lg, cette force doit pouvoir résister à la masse des éléments, de préférence avec un coefficient de sécurité. Dans le cas d'accélérations allant jusqu'à 2g, cette force doit pouvoir résister à deux fois la masse des éléments, de préférence avec un coefficient de sécurité. La force de rappel élastique est donc prévue en fonction des accélérations au niveau de la tête d'impression. Liste des signes de référence [0069] 1. Système de déplacement multiaxial 2. Actionneur 3. Organe de distribution de matière (ou tête d'impression 3d) 4. Tige 5. Première extrémité de la tige 6. Deuxième extrémité de la tige 7. Interface multiaxiale 8. Support de bille 9. Bille 10. Élément de traction 11. Siège de bille 12. Châssis supérieur 13. Châssis inférieur 14. Rail 15. Corps 16. Microbille 17. Micrologement 10