Brevet FR3097797A1 — publié le 20210101

Description Titre de l'invention : PROCEDE ET MACHINE D'AUTOMATISATION DE FABRICATION D'UN OBJET SELON UN PROCEDE DE FABRICATION ADDITIVE DE TYPE SOLIDE/SOLIDE, COUCHE PAR COUCHE. [0001] La présente invention a pour objet un procédé et une machine d'automatisation de fa- brication d'un objet selon un procédé de fabrication additive de type solide/solide, couche par couche, tel que celui connu sous l'appellation Stratoconception®. [0002] Le procédé de fabrication additive dit de Stratoconception® élaboré par la présente Demanderesse, consiste, dans sa version la plus simple, à numériser l'objet à fabriquer, à le décomposer numériquement en différentes couches élémentaires complémentaires, à mettre en panoplies, puis à reproduire ces différentes couches par des opérations de découpes et/ou d'usinages pour obtenir des strates, enfin à, superposer et/ou juxtaposer, positionner, assembler et solidariser lesdites différentes strates pour reproduire l'objet à fabriquer. [0003] De manière accessoire, selon la complexité de la pièce à fabriquer, il peut être prévu lors de fabrication des strates, d'ajouter à la forme à réaliser, des éléments d'assemblage, tels que des extensions ou pontets, pour permettre l'indexage d'une pièce par rapport à une autre lors de l'assemblage, et destinés à être éliminés ultérieurement. On notera que dans un but également d'indexage, il peut être prévu d'utiliser des inserts, qui servent à la fois de pions de positionnement et de liens entre les strates. [0004] De manière générale, les différentes strates sont de même épaisseur et découpées dans une ou plusieurs plaques d'un matériau, le positionnement et l'orientation des différentes strates sur une plaque est choisi dans un but d'optimisation, et aboutit à l'élaboration d'une panoplie de strates. [0005] On notera une difficulté supplémentaire en ce que les plaques peuvent présenter d'origine des variations d'épaisseur avec pour conséquence le non-respect des dimensions. Il est bien entendu possible d'utiliser des plaques calibrées, ou bien de rccalibrer les plaques avant utilisation avec pour conséquence un accroissement des coûts. [0006] D'autre part, il convient également de tenir compte du joint créé entre chaque strate lors de l'opération de collage, dont l'épaisseur, bien que calibrée lors du dépôt, peut aussi influer sur les dimensions finales de l'objet à reproduire. [0007] La complexité de certains objets à fabriquer, et donc des différentes strates, peut conduire à non seulement réaliser une découpe de la plaque, niais également des 2 opérations de fraisage 3D pour créer les parties en dépouille et en contre-dépouille, en association avec le retournement de la panoplie de strates si nécessaire. [0008] Un tel procédé de fabrication ne pose aucun problème de réalisation lorsqu'il est mis en oeuvre de manière artisanale, il n'en est toutefois pas de même lorsqu'il s'agit de l'industrialiser et de l'automatiser. [0009] La présente invention a pour but de proposer un procédé permettant l'automatisation de fabrication d'un objet selon un procédé de fabrication additive de type solide/solide, couche par couche. [0010] [0011] Le procédé d'automatisation de la fabrication d'un objet selon un procédé de fa- brication additive de type sol ide/solide, couche par couche, se caractérise en ce qu'il comprend les étapes suivantes: décomposition numérique dudit objet selon un ou plusieurs axes, et une épaisseur, en différentes strates, par tranchage numérique, - répartition optimisée en une panoplie desdites strates sur une plaque de matière brute, - calcul des trajectoires du ou des outils de découpe et/ou d'usinage, - tranchage numérique des strates, puis micro-fraisage du recto des strates de la panoplie en finition, - retournement de la panoplie, - micro-fraisage en panoplie du verso des strates en ébauche, - extraction d'une première strate de la panoplie, puis déplacement dans un plan dit horizontal XY, et positionnement angulaire de ladite strate sur une zone de montage et de finition, - dépose de colle sur ladite première strate, - extraction d'une deuxième strate de la panoplie, puis déplacement selon ledit plan XY, et positionnement angulaire de ladite strate, et dépose et maintien sur ladite première strate, puis reproduction des étapes de collage et d'extraction pour chacune des strates restant à assembler. [0012] Selon une caractéristique additionnelle du procédé selon l'invention, une étape de dé- termination de la nature, de la forme et du positionnement d'éléments d'assemblage internes ou externes à l'objet est intercalée entre l'étape décomposition numérique de l'objet et celle de répartition optimisée en une panoplie. [0013] Selon une caractéristique additionnelle du procédé selon l'invention, chacune des opérations de dépose d'une strate sur une autre après collage est suivie d'une étape de micro-fraisage en verso. [0014] L'opération de micro-fraisage a pour but, outre la finition, de supprimer les surplus de joint issus du collage, et surtout de rectifier les défauts liés notamment à l'empilement. Cette opération est faite après empilement de chaque strate, en sorte de 3 réajuster les paramètres dimensionnels à chaque niveau, sachant par exemple qu'un seul usinage 3D de l'objet en fin d'opération d'empilement serait probablement inopérant voire impossible à mettre oeuvre. [0015] Il existe déjà des automates permettant de réaliser certaines opérations de mise en oeuvre d'un procédé de fabrication additive de type soliddsol ide, couche par couche. [0016] Une telle machine comprend une table, de préférence de type à dépression, et des outils d'usinage montés mobiles en déplacement au-dessus de ladite table, au travers par exemple d'une traverse mobile longitudinalement au-dessus de ladite table et équipée d'outils d'usinage mobiles le long dc ladite traverse, les déplacements étant gérés par une unité centrale informatique. [0017] Une telle machine est toutefois limitée dans son utilisation, elle ne permet pas de mettre en oeuvre l'ensemble du procédé selon l'invention. [0018] La présente demande a donc également pour objet une machine permettant de pallier cette carence, et de mettre en oeuvre le procédé selon l'invention. [0019] La machine permettant l'automatisation de fabrication d'un objet selon un procédé de fabrication additive de type soliddsol ide, couche par couche, selon l'invention, comprend une table à dépression et au moins un outil d'usinage monté mobile en déplacement au-dessus dc ladite table, et elle se caractérise en cc qu'elle comporte en outre, un poste de retournement comprenant d'une part une traverse, mobile longitudinalement au-dessus dc ladite table et mobile verticalement, portant un moyen préhenseur d'une plaque monté mobile en rotation selon un axe parallèle à ladite traverse, et d'autre part un moyen support d'une plaque, conçu apte à autoriser la préhension de celle-ci par l'une ou l'autre de ses deux faces, au travers dudit moyen préhenseur. [0020] 11 est à noter que si le poste de retournement est avant tout adapté à retourner une panoplie il est parfaitement possible de le configurer pour le retournement d'une strate, selon les besoins, tout comme il permet également le retournement d'une simple plaque. [0021] Selon une caractéristique additionnelle de la machine selon l'invention, la traverse qui porte le moyen préhenseur du poste de retournement est montée mobile sur deux bancs, tandis qu'un porte-outil est monté mobile le long d'une traverse mobile sur les mêmes deux bancs. [0022] Selon une autre caractéristique additionnelle de la machine selon l'invention, sur le porte-outil sont adaptables des moyens de préhension d'une pièce découpée, ainsi que des moyens d'encollage ou analogue. [0023] Selon l'invention une variante de la machine selon l'invention, les moyens d'usinage sont également adaptables au porte-outil. [0024] En effet, les machines existantes comportent chacune, comme cela a été évoqué, une table et des outils d'usinage montés mobiles en déplacement au-dessus de ladite table. Il est possible d'adapter ces tables existantes, pour les rendre conformes à la présente invention. Ainsi, il est ajouté à ces tables existantes qui sont aptes à réaliser la découpe et l'usinage d'une plaque pour obtenir une panoplie, d'une part les moyens de retournement ainsi que le porte-outil et les outils pour la préhension et l'encollage des pièces issues de la panoplie. [0025] Sur une machine qui ne constitue pas une adaptation à une machine existante, le porte-outil est conformé pour porter également les outils de coupe et d'usinage. [0026] Selon une autre caractéristique additionnelle de la machine selon l'invention, elle comporte de plus des moyens de nettoyage de la table, associés au porte-outil. [0027] Selon une autre caractéristique additionnelle de la machine selon l'invention, elle comporte des moyens de calage en X et Y aptes permettre le repérage et le positionnement d'une plaque, d'une panoplie ou d'une strate. [0028] Les avantages et les caractéristiques du procédé et de la machine selon l'invention, ressortiront plus clairement de la description qui suit et qui se rapporte au dessin annexé, lequel en représente plusieurs modes de réalisation non limitatifs. [0029] Dans le dessin annexé : [0030] les figures 1, 2, 3, 4, 5 et 6, représentent des vues schématiques en perspective dc dif- férentes étapes de construction d'un objet, en utilisant le procédé selon l'invention. [0031] la figure 7 représente une vue schématique en perspective d'une machine selon l'invention. [0032] les figures 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19 et 20 représentent des vues sché- matiques en perspective de la même machine, lors de différentes étapes successives de mise en oeuvre du procédé selon l'invention, [0033] la figure 21 représente une vue schématique en perspective d'une variante de la machine selon l'invention. [0034] la figure 22 représente une vue schématique en perspective d'une autre variante de la machine selon l'invention. [0035] En référence à la figure 1, on peut voir trois étapes de préparation d'une plaque de matériau M pour la fabrication d'un objet selon un procédé de fabrication additive de type solide/solide, couche par couche, tel que celui connu sous l'appellation Stratoconception®. [0036] Préalablement, selon l'invention le procédé, l'objet à reproduire aura été décomposé numériquement selon un ou plusieurs axes, en l'occurrence un seul, et une épaisseur, en différentes strates, lesquelles sont agencées en une panoplie P sur la plaque M, tandis que les trajectoires du ou des outils de découpe et d'usinage ont été définies. [0037] Sur la figure 1 l'étape A correspond au tranchage et au micro-fraisage du recto R de la plaque M en finition 3D, l'étape B correspond au retournement de la plaque M en sorte d'en exposer le verso V aux outils, et l'étape C correspond au micro-fraisage en panoplie du verso des strates en ébauche 2D, en l'occurrence cinq strates Si, 52, 53, 54 et 55. [0038] Sur la figure 2, la strate S1 est extraite de la panoplie P, pour être positionnée, et subir d'une part un micro-fraisage de finition 3D, et un encollage dc son bord supérieur. [0039] Sur la figure 3, la strate S2 est extraite de la panoplie P, pour être déposée, po- sitionnée et assemblée à la strate Si, l'ensemble étant ensuite exposé à un micro-fraisage de finition 3D, et à un encollage du bord supérieur de la strate S2. [0040] Sur la figure 4, la strate 83 est extraite de la panoplie P, pour être déposée, po- sitionnée et assemblée à la strate S2, l'ensemble étant ensuite exposé à un micro-fraisage de finition 3D, d'enlèvement des excès de joint, et à un encollage du bord supérieur de la strate S3. [0041] Sur la figure 5, la strate S4 est extraite de la panoplie P, pour être déposée, po- sitionnée et assemblée à la strate S3, l'ensemble étant ensuite exposé à un micro-fraisage de finition 3D, d'enlèvement des excès de joint, et à un encollage du bord supérieur de la strate S4. [0042] Enfin, sur la figure 6, la strate S5 est extraite de la panoplie P, pour être déposée et assemblée à la strate S4, l'ensemble étant ensuite exposé à un micro-fraisage de finition 3D, afin d'obtenir l'objet O. [0043] On notera qu'à chaque étape, le micro-fraisage permet également de corriger les défauts selon l'axe dit vertical Z orthogonal au plan XY, liés aux potentielles variations d'épaisseurs des plaques et du joint. [0044] En référence maintenant à la figure 7, on peut voir une machine 1 selon l'invention permettant de mettre en oeuvre de manière automatique le procédé décrit ci-dessus. [0045] Cette machine 1 comprend une table 2, de préférence à dépression, ainsi qu'un portique cartésien 3 comprenant deux bancs 30 et 31 bordant latéralement et longitudinalement la table 2, sur laquelle peut se déplacer, dans le sens longitudinal, une traverse mobile sur laquelle est monté mobile le long de celle-ci un porte outil 33, tandis qu'à une extrémité de la table 2 sont entreposés des outils 34 destinés à être adaptés au porte-outil 33. [0046] On notera que la représentation de la machine n'est pas limitative, elle peut par exemple être conçue pour que les déplacements longitudinaux soient réalisés au niveau de la base. [0047] La machine 1 comporte également un poste de chargement/retournement 4 coopérant avec les deux bancs 30 et 31, et qui comprend deux chariots 40 et 41, mobiles en déplacement sur les bancs, respectivement 30 et 31, une traverse 42, mobile verticalement sur les chariots 40 et 41, ainsi qu'en rotation axiale, et portant des moyens 6 préhenseurs 43. Le poste de retournement 4 comprend également une console 44, disposée à l'extrémité de la table 2 opposée à celle où sont entreposés des outils 34, et qui comprend essentiellement deux équerres 45 écartées l'une de l'autre pour libérer un espace central, permettant le passage des moyens préhenseurs 43. [0048] Dans une variante de construction, les deux équerres 45 peuvent être remplacées par les dents 46 d'une fourche rétractable dans la table 2, telle que cela est représenté sur la figure 22. [0049] En référence maintenant aux figures 8 à 19 on va décrire des étapes du procédé de fa- brication, mis en oeuvre avec la machine 1. [0050] Sur la figure 8, les moyens préhenseurs 43 ont prélevé une plaque de matériau M sur un emplacement stockage pour la déposer sur la table 2, le positionnement dans un plan dit horizontal XY étant réalisé par calage en butée. [0051] Sur la figure 9, le recto R de la plaque M est tranché et usiné en finition 3D au moyen des outils 34, pour créer la panoplie P. [0052] Les figures 10 à 14 concernent le retournement de la panoplie P. Sur la figure 10, la plaque M est saisie par les moyens préhenseurs 43 puis, figure 11, déposée sur la console 44 en appui par son verso V puis, figure 12, les moyens préhenseurs 43 sont positionnés sous la plaque M, entre les équerres 45, pour la saisir par son verso V, enfin figure 13, la plaque M est retournée pour aller être déposée sur la table 2 sur son recto R, figure 14. [0053] Il est à noter que sur la figure 13 on peut voir que pendant la phase de retournement de la plaque M, un nettoyage de la table 2 est réalisé en temps masqué, le porte-outil 33 ayant saisi un moyen de nettoyage 35 de type racloir et aspirateur, qui est déplacé en surface, pour repousser et aspirer les résidus d'usinage hors de la table 2, en l'occurrence pour les faire tomber dans un réceptacle 20. [0054] Sur la figure 15, le verso V de plaque M est usiné en ébauche 2D, tandis que sur la figure 16 une strate Si est prélevée dans la panoplie P et, figure 17, est déposée sur la table 2 à côté de la plaque M dans une zone de montage/empilement. [0055] On notera que la zone de montage/empilement et celle d'usinage représentées sur les figures peuvent être interchangeables, comme cela est par exemple représenté sur la figure 22. Sur la figure 18 une strate S2 est prélevée dans la panoplie et déposée à côté de la strate SI, tandis que sur la figure 19, une strate S3 est prélevée dans la panoplie et déposée sur les strates SI et S2 après usinage puis encollage de celles-ci. [0056] Sur la figure 20, on peut voir l'objet 0 terminé tandis que le porte-outil 33 et le moyen de nettoyage 35 évacuent les résidus. [0057] En référence maintenant à la figure 21, on peut voir une variante de la machine selon l'invention, et plus particulièrement une adaptation à une machine existante. [0058] Cette machine existante comporte une table 5 à laquelle est associé un portique 7 mobile 6, comprenant deux montants latéraux 60 et 61, mobile le long de la table 5, et une traverse 62 qui les relie, qui est donc mobile au-dessus de la table 5 et le long de laquelle peut se déplacer un porte-outil 63 apte à saisir des outils 64 d'usinage stockés en extrémité de la table 5. [0059] Selon l'invention, la table 5 existante est complétée, pour lui permettre de reproduire le procédé selon l'invention, par l'adjonction d'une part d'un portique 3 comprenant deux bancs 30 et 31 une traverse mobile 32, pour déplacer un porte-outil 33, qui est toutefois réservé aux opérations de préhension, d'encollage et de pressage des strates, ainsi qu'au nettoyage de la table 5; et d'autre part d'un poste de retournement 4 comprenant deux chariots 40 et 41, une traverse 42, des moyens préhenseurs 43, et une console 44. [0060] Dans le mode de réalisation représenté, la machine est associée extérieurement à un poste d'usinage 7 permettant de réaliser les finitions, et notamment, mais non exclusivement, l'enlèvement des extensions ou pontets qui ont servi à l'indexage. [0061] TI est à noter que le poste 7 peut être avantageusement remplacé par l'association d'un outil d'usinage au porte-outil 33 par l'intermédiaire d'un porte-outil à deux axes de rotation, ou bien d'une tête birotative, pour un usinage sur cinq axes. Cette configuration permet notamment d'intégrer toutes les fonctions dans une même machine. [0062] En référence maintenant à la figure 22, on peut voir selon une autre variante, notamment de la machine représentée sur la figure 7. [0063] Sur cette machine est ajoutée une traverse mobile supplémentaire 8, à laquelle est associée un porte-outil 80 dédié à l'encollage et à la manipulation des strates en vue d'assemblage, en sorte de pouvoir dissocier les fonctions usinage/nettoyage et encollage/empilement. Cette dissociation autorise un traitement en temps masqué plus efficient. 8 [Revendication I] [Revendication 2] [Revendication 3] [Revendication 4] REVENDICATIONSProcédé d'automatisation de la fabrication d'un objet selon un procédé de fabrication additive de type solide/solide, couche par couche, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes : - décomposition numérique dudit objet selon un ou plusieurs axes, et une épaisseur, en différentes strates (S, SI, S2, S3, S4, S5), par tranchage numérique, - répartition optimisée en une panoplie (P) desdites strates (S, Sl, S2, S3, S4, S5), sur une plaque de matière brute (M), - calcul des trajectoires du ou des outils de découpe et/ou d'usinage, - tranchage numérique des strates (S, Si, S2, S3, S4, S5)' puis micro-fraisage du recto des strates (S, Si, S2, S3, S4, S5), de la panoplie (P) en finition, - retournement de la panoplie (P), - micro-fraisage en panoplie du verso des strates (S. Sl, S2, S3, S4, S5), en ébauche, - extraction d'une première strate (Si) de la panoplie (P), puis déplacement dans un plan dit horizontal XY et positionnement angulaire de ladite strate (S1), sur une zone de montage et de finition, - dépose de colle sur ladite première strate (S1), - extraction d'une deuxième strate (S2) de la panoplie (P), puis déplacement selon ledit plan XY, et positionnement angulaire de ladite strate (S2), et dépose et maintien sur ladite première strate (Si), puis reproduction des étapes de collage et d'extraction pour chacune des strates restant à assembler. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'une étape de détermination de la nature, de la forme et du positionnement d'éléments d'assemblage internes ou externes à l'objet est intercalée entre l'étape décomposition numérique de l'objet et celle de répartition optimisée en une panoplie. Procédé selon la revendication 1 ou la revendication 2, caractérisé en ce que chacune des opérations de dépose d'une strate (S, SI, S2, S3, S4, 55) sur une autre après collage est suivie d'une étape de micro-fraisage en verso, dans un but de finition, de suppression des excès du joint issus du collage, et. de rectification des défauts liés à l'empilement. Machine permettant l'automatisation de fabrication d'un objet selon un procédé de fabrication additive de type solide/solide, couche par couche, 9 et dans lequel l'objet à fabriquer est numérisé, décomposé numériquement en différentes couches élémentaires complémentaires par des opérations de découpes et/ou d'usinages pour obtenir des strates, et enfin à superposer et/ou juxtaposer, positionner, assembler et solidariser lesdites différentes strates pour reproduire l'objet à fabriquer, et comprenant une table à dépression (2 ; 5) et au moins un outil d'usinage monté mobile en déplacement au-dessus de ladite table, caractérisée en ce qu'elle comporte en outre, un poste de retournement (4) comprenant d'une part une traverse (42), mobile longitudinalement au-dessus de ladite table (2 ; 5) et mobile verticalement, portant un moyen (43) préhenseur d'une plaque (M) monté mobile en rotation selon un axe parallèle à ladite traverse (42), et d'autre part un moyen (45 ; 46) support d'une plaque, (M) conçu apte à autoriser la préhension de celle-ci par l'une ou l'autre de ses deux faces (R, V), au travers dudit moyen préhenseur (43). [Revendication 5] Machine selon la revendication 4, caractérisée en ce que la traverse (42) qui porte le moyen préhenseur (43) du poste de retournement (4) est montée mobile sur deux bancs (30, 31), tandis qu'un porte-outil (33 ; 80) est monté mobile le long d'une traverse mobile (32 ; 8) sur les mêmes deux bancs. [Revendication 6] Machine selon la revendication 4 ou la revendication 5, caractérisée en ce que sur le porte-outil (3 ; 80) sont adaptables des moyens de préhension d'une pièce découpée, ainsi que des moyens d'encollage. [Revendication 7] Machine selon la revendication 4, 5 ou 6, caractérisée en ce que les moyens d'usinage (34) sont également adaptables au porte outil (33). [Revendication 8] Machine selon la revendication 4, 5, 6 ou 7, caractérisée en ce qu'elle comporte de plus des moyens (35) de nettoyage de la table, (2 ; 5) adaptable au porte-outil (33). [Revendication 9] Machine selon la revendication 4, 5, 6, 7 ou 8, caractérisée en ce qu'elle comporte des moyens de calage en X et Y aptes permettre le repérage et le positionnement d'une plaque (M), d'une panoplie (P) ou d'une strate (S).