Extrait de notre Guide complet de la fabrication additive par arc électrique →
L'impression 3D robotisée utilise un bras robotique industriel, généralement un manipulateur à 6 axes, comme plate-forme de mouvement pour la fabrication additive. Cette approche diffère considérablement des systèmes à portique ou cartésiens que l'on trouve dans les imprimantes 3D classiques. L'utilisation d'un bras industriel modifie fondamentalement les capacités de production en permettant la fabrication à grande échelle de pièces de plusieurs mètres, en offrant une portée étendue avec des volumes d'impression adaptés à pratiquement toutes les tailles, et en permettant des mouvements multi-axes pour des trajectoires d'impression non planes que les portiques ne peuvent tout simplement pas reproduire.
Ce guide examine les principes de fonctionnement de l'impression 3D métallique robotisée, la compare aux systèmes à portique traditionnels, décrit en détail le procédé de fabrication additive par arc électrique, présente les principaux logiciels utilisés et explique clairement dans quels cas le déploiement de cette technologie est économiquement justifié.
Qu'est-ce que l'impression 3D métallique robotisée industrielle ?
L'impression 3D robotisée est une technique de fabrication additive qui utilise un bras robotique industriel multiaxial pour déplacer un outil de dépôt, généralement une torche de soudage, une extrudeuse ou une tête laser, le long d'une trajectoire programmée. L'application métallique la plus courante de ce procédé est la fabrication additive par arc électrique.
- Une imprimante 3D robotisée standard pour le métal se compose de plusieurs éléments essentiels :
- Un bras robotisé à 6 axes qui sert de plate-forme de mouvement principale.
- Un outil de dépôt, qu'il s'agisse d'un chalumeau de soudage pour la fabrication additive par arc électrique, d'une extrudeuse pour les polymères ou d'une tête laser pour le dépôt par énergie dirigée.
- Une table de positionnement qui sert souvent de septième ou huitième axe pour faire pivoter la pièce en toute fluidité pendant la fabrication.
- Un logiciel de commande et un ensemble de capteurs qui font office de « cerveau numérique », assurant la gestion des trajectoires et la surveillance en temps réel.
Le secteur s'appuie largement sur des fabricants de robots bien établis, les systèmes étant généralement construits à partir de bras de KUKA et d'ABB. Il est important de noter que l'impression 3D robotisée n'est pas un procédé de fabrication unique ; il s'agit plutôt d'une plateforme de mouvement extrêmement polyvalente capable d'intégrer diverses technologies d'impression additive.
Impression 3D robotisée vs systèmes à portique
Lorsqu'il s'agit d'évaluer la fabrication additive grand format, le choix entre un bras robotisé et un système à portique constitue une décision technique fondamentale. Voici une comparaison de ces deux solutions sur la base de critères clés :
| Facteur | Bras robotisé | Portique et cartésien |
| Enveloppe du bâtiment | Déterminée par la portée du robot et le positionneur ; peut être très grande | Fixe, limité par le cadre |
| Axes | 6 ou plus, généralement entre 7 et 9 avec un positionneur | 3 à 5 |
| Complexité du chemin | Multiplan, non plan, contre-dépouille | Couches essentiellement planes |
| Encombrement ou volume d'impression | Excellent rapport qualité-prix | Mauvais rapport pour les pièces de grande taille |
| Coût par mètre carré de surface de construction | Plus bas pour les pièces de grande taille | Plus bas pour une grande précision |
| Finition de surface telle qu'imprimée | Dépendant du processus | Dépendant du processus |
| Intégration avec les E/S de processus | E/S standard pour robots industriels, simple | Souvent sur mesure |
| Le plus adapté | Éléments structurels de grande taille, géométries complexes | Petites pièces de précision, fabrication en série |
Les robots dominent le secteur de la fabrication additive métallique à grande échelle, principalement pour des raisons économiques. La construction d'un système à portique de 6 mètres nécessite des travaux d'ingénierie structurelle colossaux et coûteux. Un robot à 6 axes, en revanche, peut couvrir la même zone de travail pour un coût bien moindre.
De plus, grâce à leur capacité multiaxiale, les systèmes robotiques peuvent imprimer des couches non planes, déposer du matériau directement sur des surfaces courbes ou inclinées, et éviter en grande partie les structures de support encombrantes que nécessitent les systèmes à portique.
Le principal compromis concerne la précision absolue. Un système robotisé sacrifie une partie de la précision de positionnement brute par rapport à un portique hautement rigide et bien conçu. Cependant, pour la plupart des applications de fabrication additive métallique à grande échelle, un usinage de finition est de toute façon nécessaire pour atteindre les tolérances finales, ce qui rend cette limitation sans importance.
Fabrication additive par arc électrique (WAAM)
Si les robots peuvent prendre en charge de nombreux processus, ils sont le plus souvent associés à la fabrication additive par arc électrique pour la production métallique.
Cette association est tout à fait naturelle, car l'équipement de soudage sous-jacent a été initialement conçu pour une intégration robotisée. Cette combinaison offre des débits de dépôt élevés, parfaitement adaptés aux grands formats, tout en utilisant un fil de soudage standardisé et peu coûteux. Parmi les principales capacités de ce procédé robotisé, on peut citer des débits de dépôt de 2 à 8 kilogrammes par heure, la possibilité de réaliser des volumes dépassant 6 mètres, ainsi que l'utilisation sans difficulté de matériaux certifiés.
Parmi les autres processus robotisés dignes d'intérêt, on peut citer :
- Système robotisé LP DED, qui utilise un système laser à poudre monté sur un robot.
- L'extrusion robotisée de polymères s'apparente à l'impression grand format sur polymères.
- L'impression 3D robotisée du béton est largement utilisée dans le secteur de la construction.
La pile logicielle pour l'impression 3D robotisée
Dans la fabrication additive robotisée moderne, c'est le logiciel qui constitue le véritable goulot d'étranglement, et non le matériel. Les robots industriels sont des machines éprouvées et robustes ; cependant, la planification des trajectoires d'outils, la surveillance en temps réel et l'assistance à la certification requises pour l'impression 3D sont des domaines hautement spécialisés.
Une pile logicielle robotique complète nécessite :
- Logiciel de FAO permettant le découpage, la planification de trajectoires multiplanaires et non planaires, ainsi que la réalisation de contrôles de faisabilité.
- Contrôle en direct des processus pour l'intégration en temps réel des capteurs, la gestion des temps d'attente dynamiques entre les passages et le déclenchement d'alertes.
- Outils de visualisation (VIZ) et d'analyse permettant de créer un jumeau numérique de l'impression, d'effectuer des analyses post-impression et de générer des journaux de données à des fins de certification.
MX3D Le logiciel MetalXL WAAM est un excellent exemple de pile logicielle complète et indépendante du matériel. Il utilise une approche en trois modules comprenant CAM, LIVE et VIZ, et fonctionne de manière transparente avec les principales marques de robots telles que KUKA et ABB.
Que peut-on imprimer en 3D à l'aide d'un bras robotisé ?
L'impression 3D robotisée couvre de nombreux secteurs de l'industrie lourde :
- Les applications maritimes comprennent la fabrication d'hélices, de ferrures de gouvernail et de composants de propulseurs.
- Les applications dans le secteur de l'énergie comprennent la fabrication de vannes, de collecteurs, de roues et de composants sous pression essentiels.
- Architecture et construction Les cas d'utilisation se concentrent sur la fabrication de nœuds structurels, d'éléments de ponts et de pièces de façade sur mesure.
- Les secteurs de la défense et de l'aérospatiale exploitent cette technologie pour créer des supports structurels et des pièces de rechange à la demande pour les plateformes existantes.
- Les applications d'outillage comprennent l'impression de matrices de forgeage à usage intensif, de noyaux de moulage et de gabarits ou de montages.
Choisir un système d'impression 3D robotisé
Pour déterminer si un système robotisé est la solution qui vous convient, tenez compte des éléments suivants :
Optez pour un système robotisé lorsque :
- La pièce mesure plus de 500 millimètres.
- Les matériaux requis sont l'acier, l'acier inoxydable, le duplex, l'Inconel, l'aluminium ou le bronze.
- Les délais sont essentiels ; ils se mesurent en jours ou en semaines plutôt qu'en mois.
- Le volume de production est faible à moyen, généralement compris entre 1 et 100 pièces.
- La géométrie comporte des saillies, des ramifications ou des éléments non plans.
Choisissez un autre processus lorsque :
- La pièce est petite, elle mesure moins de 300 millimètres, et exige une précision extrême dès sa sortie de l'imprimante.
- Les volumes sont très importants, ce qui rend le moulage ou le forgeage traditionnels bien plus rentables.
- Ce matériau est très réactif, ce qui peut nécessiter une fusion par faisceau d'électrons dans une chambre à vide.
Lorsqu'ils envisagent un achat, les acheteurs doivent examiner attentivement la marque et la gamme du robot, le type d'alimentation électrique, la nécessité de recourir à des positionneurs ou à des axes externes, les exigences de sécurité de la cellule, la pile logicielle et l'état de préparation global du système en matière de certification.
Systèmes d'impression 3D robotisés MX3D
MX3D propose les systèmes d'impression 3D métallique M1 et MX, des cellules robotiques industrielles prêtes à l'emploi dotées d'une suite logicielle complète et indépendante du matériel, baptisée MetalXL. Cela garantit aux clients qui intègrent leurs propres robots un contrôle robuste des processus. Le système bénéficie de l'homologation Lloyd's Register et est activement utilisé par des leaders du secteur tels que Framatome, BMWet TRIDIAM.
Bien que les deux plateformes utilisent la suite logicielle MetalXL pour réaliser une fabrication additive par arc électrique (WAAM) de haute qualité, elles sont conçues pour des échelles de production différentes. Le système M1 est une solution standardisée et clé en main conçue pour les pièces complexes de taille moyenne à grande, dotée d'un volume de fabrication fixe et d'une robotique optimisée à 8 axes pour une configuration rapide. À l'inverse, le système MX est une plateforme étendue et robuste conçue pour la fabrication extrême ; il offre un espace de fabrication entièrement personnalisable, prend en charge un fonctionnement autonome continu 24 h/24 et 7 j/7 avec plusieurs plateaux de fabrication, et est conçu pour gérer des charges utiles industrielles massives.
Comparaison des systèmes : M1 vs MX Metal AM
| Fonctionnalité | Système M1 Metal AM | Système MX Metal AM |
| Type d'application | Pièces complexes de taille moyenne à grande | Pièces de grande taille très résistantes |
| Volume de construction | 2 200 × 1 400 × 1 700 mm | Personnalisable (plus de 2 000 mm) |
| Échelle de production | Jusqu'à 750 kg | 1 000 à 20 000 kg |
| Robotique | De taille moyenne à grande, flexible, à 8 axes | Industriel à grande échelle, fonctionnant 24 heures sur 24, 7 jours sur 7, avec une capacité de charge utile étendue |
| Intégration logicielle | Entièrement intégré à MetalXL | Entièrement intégré à MetalXL |
Quand l'impression 3D métallique robotisée devient rentable
L'impression 3D métallique robotisée s'avère particulièrement intéressante lorsque les fabricants ont besoin de pièces métalliques de grande taille et à forte valeur ajoutée, en petites ou moyennes séries, et ne peuvent pas assumer les coûts d'outillage ni les longs délais de fabrication liés au moulage ou au forgeage. Dans ces cas-là, la fabrication additive par arc électrique avec fil (WAAM) utilisant un robot industriel permet de réduire les délais de production, d'améliorer le rendement des matériaux et d'accélérer les itérations de conception.
Cela vaut tout particulièrement pour des secteurs tels que maritime, de l'énergie, l'aérospatiale et l'équipement lourd, où les composants sont souvent sur mesure, surdimensionnés ou difficiles à se procurer rapidement via les chaînes d'approvisionnement traditionnelles. Pour les entreprises qui envisagent l'impression 3D robotisée pour les pièces métalliques, l'avantage économique ne réside généralement pas dans la suppression de l'usinage, mais dans la réduction du gaspillage de matière, le raccourcissement des délais d'approvisionnement et la simplification de la production de géométries complexes.
Par rapport à la fabrication soustractive à partir de billettes, la fabrication additive par arc électrique avec fil (WAAM) robotisée offre un meilleur rendement de matière pour les composants de grande taille présentant un rapport « buy-to-fly » élevé. Comparée au moulage ou au forgeage, elle permet d'éviter les investissements en outillage et de réduire la dépendance vis-à-vis de longs cycles de fabrication externes. Les applications les mieux adaptées à la fabrication additive par arc électrique avec fil robotisée sont donc les pièces trop volumineuses, trop personnalisées ou pour lesquelles le délai de livraison est trop court pour que les méthodes conventionnelles soient rentables.
Principaux défis liés à la fabrication additive par projection de matière (WAAM) et à l'impression 3D robotisée
Bien que l'impression 3D robotisée offre des avantages majeurs en termes de taille d'impression, de flexibilité et de vitesse de dépôt, elle pose également des défis en matière de contrôle des processus que les acheteurs doivent comprendre dès le départ. Dans le procédé WAAM robotisé, la qualité finale de la pièce dépend fortement de variables telles que l'apport de chaleur, la vitesse d'alimentation du fil, l'orientation de la torche, la géométrie du cordon de soudure et la température entre les passes. Si ces paramètres ne sont pas soigneusement contrôlés, le processus peut entraîner des déformations, des contraintes résiduelles, une formation de couches irrégulière, de la porosité ou des défauts de non-fusion.
C'est pourquoi la réussite de la fabrication additive métallique robotisée ne dépend pas seulement du robot et de l'équipement de soudage, mais aussi de la qualité des logiciels, de l'intégration des capteurs et de la stratégie de surveillance mise en œuvre pendant le processus de fabrication.
Le post-traitement constitue également une étape cruciale du processus de fabrication. La plupart des pièces métalliques imprimées en 3D à l'aide de la technologie WAAM robotisée sont des composants de forme quasi-finale qui nécessitent encore un usinage, une inspection et, dans certains cas, un traitement thermique avant leur utilisation finale. Cela ne diminue en rien la valeur du procédé ; cela reflète plutôt la manière dont la fabrication additive métallique grand format est déployée dans des environnements industriels réels.
Si vous souhaitez en savoir plus, consultez notre comparatif complet entre WAAM, forgeage et moulage
Qualification, traçabilité et préparation à la certification
Pour de nombreux utilisateurs industriels, le véritable obstacle à l'adoption n'est pas de savoir si un système robotisé est capable de déposer du métal, mais si le processus qui en résulte peut être documenté, reproduit et qualifié pour des applications critiques. Dans des secteurs tels que le maritime, l'énergie, la défense et les infrastructures, l'aptitude à la certification de l'impression 3D robotisée ne dépend pas uniquement des spécifications techniques des machines. Les acheteurs doivent évaluer la stabilité du processus, la traçabilité de la fabrication, les flux de travail d'inspection et la disponibilité des données de production nécessaires à la qualification. Une suite logicielle robuste dédiée à la fabrication additive robotisée joue ici un rôle important en enregistrant les paramètres du processus, en assurant la traçabilité numérique et en générant la documentation nécessaire à l'assurance qualité et à la conformité.
C'est là que les logiciels WAAM spécialisés deviennent un facteur de différenciation stratégique dans le domaine de l'impression 3D robotisée industrielle. La planification de trajectoires multiaxiales, la surveillance en temps réel des processus et l'analyse post-impression ne sont pas seulement des outils de productivité ; elles sont indispensables pour garantir la répétabilité et faciliter la certification.
Foire aux questions
Qu'est-ce que l'impression 3D robotisée ?
L'impression 3D robotisée utilise un bras robotique industriel multiaxial pour déplacer un outil de dépôt, tel qu'une torche de soudage ou une extrudeuse, le long d'une trajectoire programmée. Il s'agit d'une plate-forme mobile qui permet la fabrication additive à grande échelle.
Comment fonctionne une imprimante 3D à bras robotisé ?
Le système coordonne un bras robotisé à 6 axes avec un outil de dépôt. Un logiciel spécialisé découpe un modèle 3D en tranches, génère des instructions de trajectoire et gère les capteurs en temps réel afin de déposer le matériau couche par couche, en utilisant souvent une table de positionnement pour faire pivoter la pièce pendant la fabrication.
Pourquoi utiliser un bras robotisé plutôt qu'un portique pour l'impression 3D ?
Les bras robotiques offrent des volumes de travail nettement plus importants à un coût moindre que les grands systèmes à portique. De plus, leurs capacités de mouvement étendues permettent des parcours d'outils multiplanaires et non planaires, ce qui permet de réaliser des géométries complexes sans avoir recours à des structures de support importantes.
Qu'est-ce qu'on peut imprimer en 3D à l'aide d'un bras robotisé ?
Ils sont principalement utilisés pour les pièces métalliques structurelles de grande taille. Parmi les applications courantes, on peut citer les hélices maritimes, les roues et les vannes du secteur énergétique, les nœuds architecturaux, les supports aérospatiaux et l'outillage industriel à usage intensif.
Quel logiciel utilise-t-on pour contrôler une imprimante 3D robotisée ?
Une solution complète nécessite un logiciel de FAO pour la planification des trajectoires, le logiciel Live pour le contrôle des capteurs en temps réel et des outils de visualisation pour l'analyse post-impression. MX3D MetalXL est une plateforme de pointe indépendante du matériel qui gère l'ensemble de ce flux de travail pour les principales marques de robots.
