Fabrication additive par dépôt de fil robotisé multi-axes – Optimisation des trajectoires de dépôt et du pilotage du robot

Maxime CHALVIN (sept. 2017)

Financement : CDSN (Contrat Doctoral Spécifique pour Normalien)

Entreprise partenaire : Poly-Shape

Encadrement : Vincent HUGEL et Sébastien CAMPOCASSO

Depuis plusieurs années, la fabrication additive est en plein essor dans le milieu industriel pour la réalisation directe de petites séries de pièces métalliques fonctionnelles. Toutefois, les technologies sur lit de poudre présentent actuellement un coût de fabrication élevé et des limites dimensionnelles (environ 600 mm) qui freinent leur diffusion dans certains secteurs industriels comme l’aéronautique ou le naval. Les techniques de dépôt direct multi-axes sont actuellement en fort développement car elles offrent des dimensions de travail plus importantes, des possibilités de reprise sur les pièces (réparation, ajout d’entités…) et peuvent être combinées aux procédés d’usinage pour aboutir à des procédés de fabrication dits hybrides.

La fabrication additive par dépôt de fil métallique est un procédé sur lequel misent de nombreux industriels pour réduire les coûts de fabrication de pièces dans le futur. En effet, cette technologie, très flexible, présente de nombreux avantages par rapport aux autres procédés de fabrication additive : faible investissement (de l’ordre de 100 à 500 k€, contre 600 k€ à 1,5 M€ pour les procédés en lit de poudre et 800 k€ à 2 M€ pour la projection de poudre), grand espace de travail (plusieurs mètres), forte productivité (plusieurs kg/h contre quelques g/h), bonne qualité métallurgique (défauts analogues au soudage, pas de porosités…), peu d’immobilisation et de perte de matériau, faible coût et changement rapide du matériau, réduction des risques HSE par rapport aux poudres métalliques…

Le dépôt de fil métallique à l’aide de robots industriels est donc un procédé qui pourrait améliorer la compétitivité de l’industrie aéronautique et qui apparait idéal pour les applications de fabrication de l’industrie navale compte-tenu des petites séries et des grandes dimensions des pièces produites. Ces deux secteurs cibles sont des acteurs économiques majeurs en région PACA.

Actuellement les machines de fabrication additive commercialisées offrent peu de possibilités de réglages et de modifications de par les verrous imposés par les constructeurs. Les possibilités de travaux de recherche sur ces moyens sont ainsi limitées. L’utilisation de robots industriels couplés à des systèmes de dépôt direct permet d’obtenir des moyens de fabrication de grandes dimensions et plus « ouverts ». Des développements spécifiques peuvent ainsi être réalisés en vue d’optimiser un processus de fabrication ciblé. Cette optimisation passe par la maîtrise simultanée des paramètres du procédé de dépôt (énergie, vitesse d’apport du fil…), mais également de la trajectoire et de la vitesse d’avance du « point déposant ». Il est également possible dans certains cas de faire varier l’orientation de dépôt, et ainsi de supprimer les supports de fabrication. Néanmoins, la réussite de la fabrication nécessite de pouvoir générer des trajectoires de dépôt tridimensionnelles complexes permettant le bon « remplissage » de la pièce en fonction de sa géométrie et de celle du cordon déposé. Or, les géométries du cordon et de la pièce peuvent varier en fonction des paramètres du procédé, de la température de la pièce ou encore de l’orientation de dépôt par rapport à la gravité.

La génération des trajectoires est une problématique commune à tous les procédés de dépôt direct (Direct Energy Deposition) sur machines multi-axes, qu’ils procèdent par projection de poudre ou par dépôt de fil quelle que soit la technologie de fusion (arc avec électrode enrobée, MIG-MAG, TIG, plasma, laser, voire faisceau d’électrons). La prise en compte des problématiques thermiques lors de la génération des trajectoires constitue également une voie de recherche qui fait l’objet de quelques travaux initiés récemment pour les procédés sur lit de poudre. Le sujet de thèse proposé vise donc à compléter les travaux actuels sur l’optimisation de trajectoire dans le cas du procédé de dépôt de fil.

21-09-2017 Séminaire Maxime Chalvin

Le prochain séminaire COSMER se tiendra jeudi 21 septembre à partir 13h30 en salle M141. A cette occasion, Maxime Chalvin développera ses travaux de master lors de sa présentation  intitulée Développement d’un moyen de fabrication additive multi-axes pour la fabrication de géométries complexes sans utilisation de matériau support.

Résumé : Dans le contexte industriel actuel, la fabrication additive représente de forts enjeux. En effet, notamment dans le domaine aéronautique, certaines pièces fabriquées ont un ratio matière acheté / matière volante (BTF ou Buy-to-Fly) relativement élevé. La fabrication additive peut permettre d’abaisser ce ratio en fabriquant des brut pré-formés ne nécessitant qu’un usinage minimum pour obtenir la pièce finie. Cependant, le coût des techniques de fabrication additive actuelles est relativement élevé à cause des stratégies de dépôt mises en place. Les travaux effectués au cours du stage ont consisté à explorer une nouvelle stratégie de dépôt robotisé multi-axes permettant de se passer de matériau support et à mettre en place un démonstrateur utilisant du fil polymère pour permettre la fabrication de géométrie avec un fort porte à faux sans matériau support.

10.09.2017 Le projet Kayak au Port du Mouré Rouge, Cannes

 

Le laboratoire COSMER a participé à la fête de la mer à  Cannes.

Cette journée a permis de tester le prototype de guide à la navigation pour les kayakistes malvoyants. Le boîtier informatique a été glissé dans un bidon à l’arrière du kayak. Le pagayeur est équipé de deux montres vibrantes reliées au boîtier qui lui permettent de se maintenir à l’intérieur d’un chenal pré-établi.

 


 

 

Merci à CHEMIN DES SENS et à Isabelle (isabelle.chemin@chemindessens.fr) pour l’invitation et pour les photos ! 

 

Maxime Chalvin

Maxime Chalvin

Doctorant

tél : 04.94.14.23.60

courriel : maxime.chalvin@univ-tln.fr

Bio

Issu de l’ENS Cachan avec un parcours typé génie mécanique, notamment d’un point de vue fabrication, j’effectue une thèse au sein du laboratoire COSMER dans le domaine de la fabrication additive.

Titulaire de l’agrégation en sciences industrielles de l’ingénieur option mécanique

Recherche

Sujet de la thèse : Fabrication additive par dépôt de fil robotisé multi-axes

Optimisation des trajectoires de dépôt et du pilotage du robot

Directeur de thèse : Vincent HUGEL, PR, Université de Toulon, Laboratoire COSMER

Co-encadrant de thèse : Sébastien CAMPOCASSO, MCF, Université de Toulon, Laboratoire COSMER

Depuis plusieurs années, la fabrication additive est en plein essor dans le milieu industriel pour la réalisation directe de petites séries de pièces métalliques fonctionnelles. Toutefois, les technologies sur lit de poudre présentent actuellement un coût de fabrication élevé et des limites dimensionnelles (environ 600 mm) qui freinent leur diffusion dans certains secteurs industriels comme l’aéronautique ou le naval. Les techniques de dépôt direct multi-axes sont actuellement en fort développement car elles offrent des dimensions de travail plus importantes, des possibilités de reprise sur les pièces (réparation, ajout d’entités…) et peuvent être combinées aux procédés d’usinage pour aboutir à des procédés de fabrication dits hybrides.

La fabrication additive par dépôt de fil métallique est un procédé sur lequel misent de nombreux industriels pour réduire les coûts de fabrication de pièces dans le futur. En effet, cette technologie, très flexible, présente de nombreux avantages par rapport aux autres procédés de fabrication additive : faible investissement (de l’ordre de 100 à 500 k€, contre 600 k€ à 1,5 M€ pour les procédés en lit de poudre et 800 k€ à 2 M€ pour la projection de poudre), grand espace de travail (plusieurs mètres), forte productivité (plusieurs kg/h contre quelques g/h), bonne qualité métallurgique (défauts analogues au soudage, pas de porosités…), peu d’immobilisation et de perte de matériau, faible coût et changement rapide du matériau, réduction des risques HSE par rapport aux poudres métalliques…

Le dépôt de fil métallique à l’aide de robots industriels est donc un procédé qui pourrait améliorer la compétitivité de l’industrie aéronautique et qui apparait idéal pour les applications de fabrication de l’industrie navale compte-tenu des petites séries et des grandes dimensions des pièces produites. Ces deux secteurs cibles sont des acteurs économiques majeurs en région PACA.

Actuellement les machines de fabrication additive commercialisées offrent peu de possibilités de réglages et de modifications de par les verrous imposés par les constructeurs. Les possibilités de travaux de recherche sur ces moyens sont ainsi limitées. L’utilisation de robots industriels couplés à des systèmes de dépôt direct permet d’obtenir des moyens de fabrication de grandes dimensions et plus « ouverts ». Des développements spécifiques peuvent ainsi être réalisés en vue d’optimiser un processus de fabrication ciblé. Cette optimisation passe par la maîtrise simultanée des paramètres du procédé de dépôt (énergie, vitesse d’apport du fil…), mais également de la trajectoire et de la vitesse d’avance du « point déposant ». Il est également possible dans certains cas de faire varier l’orientation de dépôt, et ainsi de supprimer les supports de fabrication. Néanmoins, la réussite de la fabrication nécessite de pouvoir générer des trajectoires de dépôt tridimensionnelles complexes permettant le bon « remplissage » de la pièce en fonction de sa géométrie et de celle du cordon déposé. Or, les géométries du cordon et de la pièce peuvent varier en fonction des paramètres du procédé, de la température de la pièce ou encore de l’orientation de dépôt par rapport à la gravité.

La génération des trajectoires est une problématique commune à tous les procédés de dépôt direct (Direct Energy Deposition) sur machines multi-axes, qu’ils procèdent par projection de poudre ou par dépôt de fil quelle que soit la technologie de fusion (arc avec électrode enrobée, MIG-MAG, TIG, plasma, laser, voire faisceau d’électrons). La prise en compte des problématiques thermiques lors de la génération des trajectoires constitue également une voie de recherche qui fait l’objet de quelques travaux initiés récemment pour les procédés sur lit de poudre. Le sujet de thèse proposé vise donc à compléter les travaux actuels sur l’optimisation de trajectoire dans le cas du procédé de dépôt de fil.

Enseignement

Mission de monitorat de 64h par an au sein de l’IUT GMP de Toulon

  • Métrologie machine
  • TP de production