Fabrication additive de tubulures par dépôt de fil robotisé multi-axes : génération et optimisation de trajectoires

Additive manufacturing of tubes by multi-axis robotized wire deposition : trajectories generation and optimization

• Auteur / Autrice : Maxime Chalvin
• Direction : Vincent Hugel
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des solides, génie mécanique, productique, transport et génie civil
• Date : Soutenance le 09/07/2020
• Etablissement(s) : Toulon
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mer et Sciences. ED 548 (Toulon)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Conception de Systèmes mécaniques et robotiques (COSMER). EA 7398 (Toulon, Var)
• Jury : Président / Présidente : Benoît Furet
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Vincent Hugel, Richard Béarée, Sylvain Lavernhe, Thomas Baizeau, Sébastien Campocasso, Hélène Chanal
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Richard Béarée, Sylvain Lavernhe

Mots clés

Mots clés contrôlés

Procédés de fabrication

Robotique

Productique

Prototypage rapide

Mots clés libres

Fabrication additive

Dépôt sous énergie concentrée

Dépot de fil robotisé

Génération de trajectoires

Distance locale inter-couches constante

Pièces tubulaires

Optimisation couche par couche

Technologie de fabrication

Additive manufacturing

Directed energy deposition

Robotized wire deposition

Trajectory generation

Constant inter-layer distance

Tubular parts

Layer by layer optimization

Résumé

La fabrication additive par dépôt sous énergie concentrée (DED) permet la fabrication rapide de petites séries de pièces. Cependant, les trajectoires usuellement utilisées pour les pièces présentant du porte-à-faux nécessitent l’utilisation de supports, matériau non utile à la pièce finale dont le dépôt et l’enlèvement sont chronophages. Si les trajectoires multi-axes permettent de s’en passer, elles présentent généralement des distances locales inter-couches hétérogènes, nécessitant d’ajuster la hauteur de couche par la paramétrie de dépôt, pouvant alors impacter les caractéristiques mécaniques de la pièce finie. Cette thèse propose, dans un premier temps, une méthode de génération de trajectoire multi axes à distance locale inter-couches constante pour des tubulures définies par des courbes guides paramétrées et pouvant présenter des variations de rayon de profil. Les trajectoires proposées ont ensuite été validées par la fabrication additive robotisée de démonstrateurs en matériau polymère. La rotation autour de l’axe d’un outil de dépôt coaxial n’ayant pas d’incidence sur le dépôt, l’utilisation de robots 6-axes admet une redondance. En utilisant cette redondance, une méthode d’optimisation couche par couche de la trajectoire dans l’espace articulaire est finalement proposée. Pour une configuration de robot contrainte, l’optimisation permet la fabrication de pièces impossibles à produire de manière classique et apporte une amélioration de leur qualité géométrique ainsi qu’une meilleure répétabilité.

Additive manufacturing through Directed Energy Deposition (DED) enables small batches of parts to be rapidly manufactured. However, manufacturing trajectories usually used for the manufacture of overhanging parts require the use of supports, material which is not useful for the finished part and time consuming. If multi-axis trajectories can be used to avoid them, they present generally a heterogeneous local inter-layer distance, thus requiring a variation of the deposition parameters to adapt the layer height ; variation that can be harmful to the mechanical characteristics of the final part. This thesis first proposes a constant local inter-layer trajectory generation method for DED additive manufacturing of tubular parts defined by parametric curves and which can have profile radius variations. The proposed trajectories have been validated by robotized manufacturing trials of polymer parts. Since the rotation about a coaxial deposition tool axis has no impact on the deposit, the use of 6-axis robots offers a redundancy. Using this redundancy, a layer by layer optimization of the trajectory in the robot space is then proposed. In a constrained robot configuration, the trajectory optimization allows the manufacturing of parts that cannot be manufactured in the usual way, and improves the geometrical quality of the parts with a better repeatability.