L’impression 3D sort des sentiers battus

Les étudiants du laboratoire DREAMS ont passé l’année dernière à associer l’impression 3D à un assemblage automatisé avancé, créant ainsi un processus de fabrication unique en son genre.

10 février 2023

L'impression 3D implique généralement qu'une seule machine crée un objet. Mais une équipe de chercheurs de premier cycle a poussé ce paradigme bien au-delà de ses limites dans le laboratoire de conception, de recherche et d'éducation pour la fabrication additive (DREAMS), dirigé par le professeur LS Randolph Chris Williams.

Le projet a débuté dans le but d’imprimer en 3D un drone capable de voler de manière autonome hors de l’imprimante et a évolué vers une approche très robuste et adaptable pour la fabrication de grands systèmes mécatroniques.

Les drones sont des mécanismes complexes dotés d’hélices en rotation, d’électronique précisément calibrée, de batteries et d’un ensemble d’autres pièces et pièces. L’un des premiers défis de l’équipe a été d’aborder cette complexité grâce à l’impression 3D. Certaines pièces, comme une batterie et un moteur chargés, ne pouvaient tout simplement pas être imprimées et nécessitaient plutôt un assemblage. Cet assemblage ne correspond pas à la fonction normale d'une imprimante 3D, qui consiste à superposer des couches les unes sur les autres, formant un seul objet fixe.

L’équipe devait également résoudre un problème quelque peu délicat : libérer le drone. Étant donné que la première couche d'une imprimante 3D adhère légèrement à la plaque de construction, l'équipe devait trouver comment gratter la pièce imprimée pendant le processus autonome.

Une imprimante 3D typique n’atteindrait pas tous ces objectifs. Bien que la machine puisse placer des couches pour créer une forme et même imprimer différents matériaux ensemble, elle ne peut pas saisir les composants et les assembler, ni gratter son propre produit. Déterminer comment effectuer toutes ces étapes de manière autonome serait le facteur critique pour créer un drone fonctionnel qui quitterait avec succès son fabricant.

L'équipe avait prévu de contourner la fonction typique d'une imprimante 3D qui utilise une tête d'impression sur un portique fixe. Au lieu de cela, le groupe a utilisé un bras robotique pouvant être équipé d’outils pour l’impression et l’assemblage de composants. Bien que la programmation et le fonctionnement des bras demandent plus de travail, ils offrent également plus d’options.

"En fixant une tête d'impression à des bras robotiques industriels multi-axes, nous obtenons des degrés supplémentaires de liberté de mouvement qui nous permettent enfin d'imprimer en véritable 3D", a déclaré Williams. "Au lieu de simplement empiler une série d'impressions bidimensionnelles de chaque couche, la flexibilité cinématique du bras du robot nous permet de déposer du matériau dans n'importe quelle direction dans l'espace 3D."

Le bras robotique offrait un autre avantage aux membres de l’équipe : ils pouvaient créer un ensemble d’outils polyvalents pour le bras. Cette approche multimodale signifiait que le bras pouvait utiliser une tête d'impression 3D pour une partie d'un travail, passer à un outil d'assemblage pour placer l'électronique et d'autres pièces finies, puis revenir à un outil d'impression 3D pour fermer le cadre du drone. En déployant plusieurs outils dans une seule cellule de travail robotique, ils ont supprimé le besoin de plusieurs machines.

"La flexibilité des bras robotiques nous permet de changer d'outils en cours d'impression afin de pouvoir placer des objets étrangers tels que des moteurs, des batteries et des fils dans l'objet pendant son impression", a déclaré Williams. "Cela nous a permis de fabriquer des assemblages mécatroniques fonctionnels complets dans une seule cellule de travail robotique."

Après que les étudiants aient désigné les pièces à imprimer ou à assembler, ils devaient déterminer la meilleure façon de briser le lien collant entre la pièce finie et la plaque de construction. C'est devenu une leçon de thermodynamique.

La grande plaque de construction chauffée de l'imprimante robotique, qui sert de base à la pièce en cours de construction, est légèrement chaude pour créer suffisamment d'adhérence afin que la pièce ne bouge pas pendant l'impression. Bien qu’essentiel pour atteindre la précision requise lors de la construction, il créait un obstacle pour une pièce imprimée qui devait s’envoler de son imprimante.

Dalton Phillips, membre de l'équipe, a découvert une solution étonnamment simple pour retirer la pièce imprimée : la laisser refroidir. Si la plaque refroidissait de quelques degrés une fois l’impression terminée, l’adhérence devenait plus faible. Une fois la plaque refroidie jusqu’à un certain point, un simple grattoir mécanique pouvait être utilisée pour la repousser. Cette approche a fonctionné et le drone a pu être libéré.