Développment d'une imprimante 3D à mousse
à grande échelle suspendue par des câbles
Fig. 1: Wilfrid Laurier: statuette originale en plâtre, image du fichier PLY,
et statue en mousse polyuréthane imprimée en 3D.
Au cours des dernières années, la fabrication additive (additive manufacturing, AM), aussi connue sous le nom d'impression 3D, est passée d'une industrie de niche à une technologie véritablement intégrée: une large gamme d'imprimantes 3D commerciales sont maintenant disponibles sur le marché, à partir des machines à bon marché pour amateurs et allant jusqu'aux imprimantes industrielles dont le coût s'élève à des millions de dollars. La fabrication d'additive à grande échelle, cependant, est un domaine relativement nouveau de la recherche, actuellement à l'étude dans seulement quelques laboratoires du monde entier. L'application principale à grande échelle de l'AM est l'automatisation de la construction: la capacité de fabriquer des objets de construction de taille réelle rapidement, avec peu ou pas d'intervention manuelle. La fabrication additive peut également être utilisée afin de produire des objets hautement personnalisées à grande échelle, avec beaucoup moins d'efforts que ce qui est nécessaire lors de l'utilisation des techniques de construction traditionnelles.
L'AM à grande échelle est un prolongement naturel de la technologie d'impression-3D actuelle. Nous utilisons ici l'expression grande échelle pour désigner les systèmes AM capables de construire des objets d'environ un mètre cube ou plus en volume. Les avantages de l'AM, par rapport aux techniques de fabrication traditionnelles, sont bien établis. Ceux-ci incluent la capacité à construire des pièces de géométrie 3D presque illimitée, une rationalisation (streamlining) du processus de la conception à la construction, et une plus grande automatisation pendant la construction de pièces.
Nous présentons ici un système d'impression à mousse 3D à grande échelle, représenté sur la figure 2, qui utilise un robot parallèle entraîné par câbles à six degrés de liberté (DDL) pour le positionnement. La mousse de polyuréthane est utilisée en tant que matériau de preuve de concept, car le matériel est léger, relativement peu coûteux, et peut être entreposé dans un état prêt-à-déposer pendant des mois.
Fig. 2: Imprimante à mousse 3D entraînée par câbles.
Lors de la conception de l'imprimante 3D à mousse, une des décisions majeures consistait à déterminer s'il serait préférable ou non d'installer les composants du système sur la plate-forme, y compris les sources d'énergie, les actionneurs des câble, et les récipients de matériaux. Si tous les composants se trouvent sur la plate-forme, le système peut être déplacé et installé dans un nouvel emplacement beaucoup plus facilement. De plus, le matériau et l'énergie n'ont pas besoin d'être fournis à la plate-forme par l'intermédiaire d'un faisceau de câbles, qui pourrait compliquer les problèmes de brouillage de câbles et exercer une force potentiellement déstabilisatrice sur la plate-forme.
Cependant, si les composants se trouvent sur la plate-forme, le système aura accès à une puissance limitée et une quantité limitée de matériau, et la plate-forme sera beaucoup plus lourde. L'augmentation de la puissance d'actionnement, de la capacité de la source d'énergie, ou du matériau disponible implique alors une augmentation du poids de la plate-forme. Par conséquent, cette option limite la performance du système, en particulier l'efficacité énergétique. En outre, une intervention manuelle est requise périodiquement pour changer les sources d'énergie épuisés et les récipients de matériau vides. Ceci limite l'automatisation du système, qui est normalement un des plus importants facteurs de motivation pour l'utilisation de l'impression 3D, par rapport à d'autres options de fabrication.
Pour ces raisons, nous avons opté pour l'installation des sources d'énergie, des actionneurs des câbles et des récipients de matériau à l'extérieur de la plate-forme. Nous pouvions ainsi minimiser le poids de la plate-forme, utiliser de grands récipients de matériau et optimiser les actionneurs de câbles et les autres composants du système selon les facteurs de performance, comme la vitesse, la puissance, et le coût. Un faisceau de câbles fournit les matériaux d'impression via des tubes, avec des câbles d'alimentation et de signaux pour les appareils électroniques installés sur la plate-forme. Avec cette conception, la plate-forme, y compris tout ce qui s'y rattache, pèse environ 6 kg (13.2 lb).
Positionnement
L'utilisation d'un robot parallèle à câbles pour le positionnement rend le système à la fois très transportable et reconfigurable. Une architecture de robot de type suspendu par câbles simplifie le problème d'interférence des câbles. Cependant, étant donné que la tension des câbles est produite en utilisant seulement le poids de la plate-forme, l'espace de travail atteignable du robot est limité. Une configuration alternative serait un mécanisme pleinement contraint, qui inclurait des câbles reliés par le bas ainsi que par le haut. Cela permettrait un plus grand espace atteignable, mais l'interférence des câbles constituerait un problème majeur et le mécanisme serait nécessairement beaucoup plus complexe et moins transportable.
Pour ces raisons, l'utilisation d'un robot suspendu par câbles a été choisie, en particulier, l'option impliquant six moteurs et six câbles, dont la configuration est représentée à la Fig. 3. Il est important de noter que les câbles qui proviennent des actionneurs situés sur des points opposés sur l'hexagone bleu sont attachés à un même point rouge sur la plate-forme, et chaque câble passe à travers un "V" formé par deux autres câbles. Ceci est clairement visible en manipulant le fichier PDF 3D, qui peut être ouvert en cliquant sur la figure. Cette configuration a été choisie à partir de travaux antérieurs concernant un mécanisme semblable, qui a été utilisé afin de photographier un objet à partir de points de vue multiples. Le point de vue et les données photographiques ont été utilisés afin de construire un modèle informatique 3D qui comprenait l'apparence correcte de l'objet.
Fig. 3: Robot à six degrés de liberté entraîné par câbles.
(Cliquer sur l'image pour accéder à un fichier PDF interactif 3D)
Dépôt de matière
La mousse de polyuréthane a été choisie comme matériau de preuve de concept pour l'imprimante à mousse 3D entraînée par câbles parce qu'elle est relativement peu coûteuse, légère et stockable dans un état prêt à l'emploi. De plus, ce matériau peut être acheté directement en magasin, et les mécanismes de contrôle de débit précis existent tels que l'applicateur "Great Stuff Pro 14", montré à la Fig. 4 et fabriqué par la compagnie Dow Chemical. Le contrôle de l'écoulement de la mousse s'effectue à l'aide de ce pistolet applicateur en appuyant et en relâchant la gâchette, ce qui rétracte et fait avancer une aiguille dans le corps cylindrique. Ce dispositif peut être facilement adapté pour une utilisation avec des cylindres de mousse de polyuréthane standards de 10 livres (4,5 kg) tel que ceux fabriqués par Touch 'n Foam, qui génèrent environ 200 L de mousse.
Fig. 4: Pistolet applicateur "Great Stuff Pro 14", fabriqué par la compagnie Dow Chemical.
Nous avons modifié l'applicateur "Great Stuff Pro 14" pour le contrôle automatique, tel qu'illustré à la Fig. 5. L'assemblage de poignée et la gâchette ont été retirés pour accéder à l'extrémité arrière de l'aiguille, indiquée en orange sur la figure. La gâchette a été remplacée par un actionneur linéaire entraîné par un moteur à courant continu. Un contrôle de débit relativement précis peut être obtenu en utilisant ce mécanisme, et le positionnement de l'aiguille est synchronisé avec le positionnement de la plate-forme le long des trajectoires de dépôt.
Fig. 5: Assemblage du dispositif automatique d'application de mousse.
Une des propriétés désirées de l'imprimante à mousse 3D est la capacité de reproduire tout objet de géométrie quelconque. Une technique est donc nécessaire pour soutenir des parties des pièces qui autrement surplomberaient un espace libre. Nous avons décidé de combler cet espace en déposant simplement un second matériau. La mousse à raser a été choisie comme matériau de support car elle est légère, peu coûteuse, facilement démontable, et partiellement réutilisable. Après la construction de la pièce, les résidus de mousse à raser sont retirés de la pièce en polyuréthane en arrosant la pièce avec de l'eau.
Malheureusement, contrairement à la mousse de polyuréthane, la mousse à raser ne sèche pas et ne durcit pas après avoir été déposée. Si la technique de support de base est utilisée, tel que représenté à la Fig. 6, la mousse à raser s'effondrer. Pour cette raison, deux techniques alternatives, représentées à la Fig. 6, ont été développées. La technique de l'enveloppe retient la mousse à raser en créant une coquille externe en mousse de polyuréthane. Cette méthode est compatible avec toute géométrie 3D, mais est très inefficace en termes de l'utilisation des matériaux. La technique du film, par contre, remplit le volume complet de l'ensemble de support en mousse de polyuréthane, à l'exception d'un film mince de mousse à raser pour permettre la séparation de la pièce et du support après la construction. Cette technique est efficace mais pas nécessairement compatible avec toutes les géométries possibles de pièces. Cependant, cette technique peut être utilisée la plupart du temps, et elle a été utilisée pour les deux exemples de construction de pièces montrés ci-dessous.
Fig. 6: Techniques de support pour l'impression 3D.
Mesures et correction des erreurs
Bien que l'imprimante 3D soit capable d'effectuer un positionnement et un dépôt relativement précis, l'accumulation d'erreur géométrique est inévitable. En effet, sans une certaine forme de détection d'erreur et de correction géométrique, le système peut rarement imprimer plus de vingt couches de matériau avant de soit causer la collision du pistolet de mousse avec la oièce en cours de construction, ou de créer un jeu trop grand entre la pointe du pistolet et la surface supérieure de la pièce.
Ainsi, un système de retour d'information géométrique, appelé "Surface Mapping Feedback" (SMF), a été implementé, afin de périodiquement effectuer la cartographie ou des mesures de toute la surface supérieure de la pièce et d'ajuster les données de la trajectoire de dépôt ultérieure afin de corriger les erreurs de géométrie. La cartographie de surface est accomplie en suivant les trajectoires de la couche précédemment déposée et en enregistrant les variations de distance verticale mesurées par un capteur de déplacement au laser, montré à la Fig. 7, monté sur la plate-forme.
Fig. 7: Capteur de déplacement au laser, fabriqué par Keyence.
Les mesures de distance verticale sont intégrées pour former une interpolation de surface, simulée graphiquement à la Fig. 8, qui caractérise l'erreur géométrique à la surface supérieure de la pièce. L'erreur géométrique locale est corrigée en ajustant le débit nominal séparément à chaque point sur chaque trajectoire de dépôt pour les couches ultérieures. En gardant ce système de feedback actif, l'erreur géométrique est maintenue à environ un centimètre, tout au long de la construction de la pièce. Ce système crucial améliore considérablement la précision d'impression et permet également l'utilisation de matériaux d'impression qui seraient autrement incontrôlables.
Fig. 8: Système de cartographie et de prises de mesures. Les plans gris indiquent la hauteur nominale de la pièce pour trois couches consécutives. La surface colorée indique la hauteur de la pièce réelle pour la couche au milieu.
Construction de la pièce
Le processus de construction de la pièce est représenté ci-dessous pour deux objets: une statue de Sir Wilfrid Laurier et une sphère Voronoï. Trois grandes étapes sont nécessaires pour chaque pièce: la préparation des trajectoires, l'impression 3D, et l'enlèvement du support. L'espace atteignable du mécanisme entraîné par câbles est environ de forme cylindrique, avec une hauteur d'un mètre et un diamètre d'un mètre. La trajectoire de dépôt de la mousse a une largeur de 12 mm et une hauteur de 10 mm.
Statue de Sir Wilfred Laurier
La statuette en plâtre de Sir Wilfrid Laurier, créé par Louis-Philippe Hébert en 1898, illustrée à la Fig. 10, nous a été prêtée par la Collections d'objets et de spécimens de l'Université Laval. La statuette a été numérisée par le Laboratoire de vision et systèmes numériques de l'Université Laval. Un fichier PLY, contenant environ un million de faces triangulaires, à une résolution d'environ 1 mm (pour la statuette d'une hauteur de 720 mm), a été créé en utilisant les données du scan 3D. Le fichier de format PLY est semblable à un fichier de format STL traditionnellement utilisé en impression 3D, sauf qu'il est plus efficace au niveau des données et plus versatile au niveau des données géométriques des pièces qui peuvent être stockées.
Fig. 9: Statuette en plâtre de Sir Wilfrid Laurier (à gauche); scan 3D (à droite).
La statuette en plâtre, d'une hauteur de 0,72 m (2' 4"), a été agrandie par un facteur de trois pour l'impression, afin de produire une statue de mousse d'une hauteur de2,16 m (7' 1"). Laurier lui-même mesurait apparemment plus de six pieds. Étant donné que le socle a une hateur de 0,23 m (9"), l'échelle imprimée représente environ la taille réelle de Sir Wilfred Laurier.
Étant donné que la hauteur désirée de la statue était plus grande que l'espace atteignable de l'imprimante, la statue a été imprimée en trois sections séparées, tel qu'illustré à la Fig. 9. Cette figure montre également que le modèle informatique est évidé. Cette fonctionnalité est ajoutée intentionnellement pour réduire le temps de sèchage de la mousse de polyuréthane: de grandes surfaces de mousse ont tendance à sécher lentement et aussi à se déformer davantage après déposition.
Fig. 10: Représentation du fichier PLY, montrant les trois sections de la statue de Laurier.
Une fois que le fichier de géométrie 3D est finalisé, l'étape suivante consiste à le découper en couches 2D et représenter chaque couche par des trajectoires de dépôt en 1D. Ceci est accompli en utilisant un algorithme Matlab, qui prend un fichier PLY ou STL comme entrée et produit des données de trajectoire en coordonnées 3D. Chaque section de la statue est découpée en 72 couches, donnant 216 couches en tout. La figure 11 montre les données de trajectoire de frontière pour la section du milieu de la statue de Laurier. Cette figure illustre également la version en trois dimensions de la technique film illustrée à la Fig. 6. La Fig. 12 indique les trajectoires de dépôt périphériques et de remplissage pour la couche 30 de la section du milieu de la statue de Laurier.
Fig. 11: Trajectoires périphériques de dépôt pour les sections 2 et 3 de la statue de Laurier.
Fig. 12: Trajectoires périphériques et de remplissage pour la couche 30
des sections 2 et 3 de la statue de Laurier.
La Figure 13 est une animation qui montre les trajectoires de dépôt pour chacune des 216 couches de la statue de Laurier, quand cette statue est construite en trois sections, ce qui requiert 298 L de matériel, incluant la pièce et le support. La Figure 14 montre la même animation, si la statue avait été construite en une seule pièce, ce qui requerrait 421 L de matériel. Même si une quantité considérablement plus élevée de matériel de support est requise afin de construire le modèle en une seule pièce, le produit final serait plus précis et requerrait moins de travail manuel après l'impression 3D.
Fig. 13: Animation montrant les trajectoires de dépôt pour chacune des couches
de la statue de Laurier, quand la statue est construite en trois sections.
(Visionner cette figure dans une fenêtre séparée.)
Fig. 14: Animation montrant les trajectoires de dépôt pour chacune des couches
de la statue de Laurier, si cette statue set construite en une seule pièce.
(Visionner cette figure dans une fenêtre séparée)
Les données de trajectoire indiquent où le matériau doit être déposé dans l'espace 3D, mais ne contiennent aucune information concernant la vitesse à laquelle la plate-forme du robot entraîné par câbles doit se déplacer. En d'autres termes, les données de trajectoire géométrique contiennent des informations spatiales mais pas temporelles. Les données de trajectoire géométrique sont converties en données de trajectoire temporelle, échantillonnés de façon égale dans le temps, qui respectent les contraintes de vitesse et d'accélération, en utilisant un algorithme de planification de trajectoire à temps optimal. Des contraintes conservatrices ont été imposées pour cette phase initiale de développement de l'impression: soit une vitesse maximale de 0,1 m/s et une accélération maximale de 0,3 m/s2. La figure 15 montre les données de vitesse de trajectoire pour la section médiane de la statue de Laurier, générée à partir des données de trajectoire fournies au contrôleur du robot.
Fig. 15: Animation montrant les vitesses de la plate-forme pour chaque couche
de la statue de Laurier, quand elle est construite en trois sections.
(Visionner cette figure dans une fenêtre séparée)
Tel que mentionné ci-dessus, le feedback de cartographie de surface est un élément crucial du système qui est essentiel pour le maintient du contrôle de la géométrie pendant la construction de la pièce.La Figure 16 montre les surfaces d'erreur de mesure, selon la mesure de distance au laser, pour six couches de la section 2 de la statue de Laurier. La couche 0 indique la mesure de la surface de dépôt avant la construction. En observant cette figure, nous pouvons conclure que l'erreur de la pièce demeure bien contrôlée tout au long de la construction.
Fig. 16: L'erreur verticale mesurée avec le capteur de déplacement laser pour
la statue de Laurier, section 2 de 3.
Le temps total d'impression pour la statue de Laurier est d'environ 38 heures. Quelques heures étaient requises pour retirer le support et assembler la statue. La Figure 17 montre une série d'images prises au cours de la construction. La figure 18 affiche une vidéo qui résume le processus de construction, y compris la photographie en accéléré de l'impression 3D et le temps requis pour retirer le support.
Fig. 17: Construction de la statue de Laurier.
Fig. 18: L'impression 3D en mousse polyuréthane d'une statue de Sir Wilfrid Laurier,
le septième premier ministre du Canada.
La sphère Voronoï
Bien que la construction de la statue de Laurier offre une bonne démonstration de l'imprimante 3D à mousse, ce n'est peut-être pas le meilleur objet pour mettre en évidence les avantages de la fabrication additive, par rapport à la fabrication conventionnelle, où une pièce est usinée en enlevant de la matière à un bloc de départ, en utilisant des opérations telles que l'usinage et le perçage. En effet, on pourrait imaginer la création de la statue de Laurier en commençant par un gros bloc de mousse et l'exécution d'une série d'opérations d'usinage.
Par conséquent, pour démontrer clairement les possibilités de l'imprimante à mousse 3D, la construction d'une cage sphérique contenant une sphère solide piégée est illustrée ci-dessous. Cette pièce, appelée une sphère Voronoï et montrée à la Figure. 19, a été créée à l'aide de MeshLab, en suivant une procédure disponible sur le blogue de MeshLab.
Fig. 19: Représentation graphique d'un fichier PLY montrant la sphère Voronoï.
Les trajectoires et les vitesses de plate-forme pour la sphère de Voronoï sont présentées aux Figs. 20 et 21, respectivement. Lors de la planification de la construction de la sphère, nous devions décider quelle technique de support était la plus appropriée pour la pièce: soit la technique coquille ou la technique film, qui sont toutes deux représentées à la Fig. 6. Comme mentionné ci-dessus, la technique du film est préférable si elle est possible, car beaucoup moins de matériau est nécessaire. La Figure 20 montre les trajectoires de dépôt qui sont produites lors du tranchage de la sphère en utilisant la technique film. En regardant cette animation, nous voyons que le support de polyuréthane semble être irrémédiablement verrouillé avec la pièce de polyuréthane.
Fig. 20: Les trajectoires de dépôt de mousse pour chaque couche de la sphère Voronoï.
(Visionner cette figure dans une fenêtre séparée)
Fig. 21: Les vitesses de plate-forme pour chaque couche de la sphère de Voronoï.
(Visionner cette figure dans une fenêtre séparée)
Cependant, l'élimination du support est potentiellement réalisable si l'on considère que la mousse de polyuréthane est déformable élastiquement dans une certaine mesure, et peut être coupée manuellement relativement facilement. Armés de cette connaissance, nous avons donc procédé à la construction de la sphère de Voronoï, en utilisant la technique du film. Nous avons supposé que nous serions en mesure de couper le support de polyuréthane après la construction et l'extraire à travers les trous de la cage sphérique. La sphère a été mise à l'échelle pour avoir un diamètre de 40 cm, nécessitant 40 couches imprimées, qui ont été construites en six heures environ. L'enlèvement de support a été un succès, ce qui nécessite environ une heure. La figure 22 montre la sphère terminée, Fig. 23 montre une série d'images prises au cours du processus de construction, et la Fig. 24 est une vidéo qui résume la construction, y compris la photographie périodique de l'impression 3D et le retrait [divertissant] du support.
Fig. 22: La sphère Voronoï construite en utilisant l'imprimante à mousse 3D.
Fig. 23: Construction de la sphère Voronoï.
Fig. 24: Impression 3D de la sphère Voronoï.
Conclusion
La construction réussie de la statue de Laurier et de la sphère Voronoï démontre la faisabilité de l'utilisation d'un robot entraîné par câbles pour l'impression 3D. Les travaux futurs avec l'imprimante impliqueront l'augmentation de l'espace atteignable et l'amélioration de la précision, de la robustesse et de la vitesse. De plus, nous prévoyons adapter le système pour l'impression avec d'autres matériaux, comme le béton.
Publications
E. Barnett and C. Gosselin, 2015, Time-Optimal Trajectory Planning of Cable-Driven Parallel Mechanisms for Fully Specified Paths With G1-Discontinuities, ASME Journal of Dynamic Systems, Measurement, and Control 137 (7), July 2015, 12 pages, http://dx.doi.org/10.1115/1.4029769
E. Barnett and C. Gosselin, 2015, Large-Scale 3D Printing With A Cable-Suspended Robot, Additive Manufacturing, in press, http://dx.doi.org/10.1016/j.addma.2015.05.001
E. Barnett and C. Gosselin, 2015, Weak Support Material Techniques For Alternative Additive Manufacturing Materials, Additive Manufacturing, in press, http://dx.doi.org/10.1016/j.addma.2015.06.002
Contacts
| Dr. Eric Barnett Chercheur postdoctoral, Laboratoire de robotique Département de génie mécanique, Université Laval Email: ericDOTbarnettDOT1ATulavalDOTca |
| Professeur Clément Gosselin Directeur, Laboratoire de robotique Département de génie mécanique, Université Laval Email: gosselinATgmcDOTulavalDOTca |
Remerciements
Nous reconnaissons avec gratitude le soutien financier du Conseil de recherches en sciences humaines du Canada (CRSH), en vertu de la subvention de recherche stratégique 890-2011-0039. Ce travail a également été appuyé par le Fonds de Recherche du Québec -- Nature et Technologies (FRQ-NT), sous la forme d'une bourse postdoctorale pour E. Barnett. Nous remercions Les collections d'objets et de spécimens de l'Université Laval pour avoir fourni la statuette de plâtre de Sir Wilfrid Laurier, et le Laboratoire de vision et systèmes numériques de l'Université Laval pour avoir effectué la numérisation 3D de la statuette.
Performalisme
Tel que mentionné ci-dessus dans la section des remerciements, le développement de l'imprimante à mousse 3D fait partie d'un vaste projet de recherche soutenu par le CRSH, en vertu de la subvention de recherche stratégique 890-2011-0039, intitulé, "Performalisme - Forme et Performance en architecture et fabrication numérique". Avec le projet Performalisme nous proposons une nouvelle approche de la conception et la fabrication architecturale. Le projet met en valeur l'intégration des connaissances pluridisciplinaires et le partenariat entre les experts en ingénierie et en architecture. Le partenariat de recherche se trouve à la croisée du design-conception, la fabrication numérique et les études en ingénierie. Performalisme est un paradigme novateur qui vise la création d'une technologie de fabrication réalisée par un robot automatisé capable de produire des prototypes d'architecture à grande échelle.
L'équipe du projet Performalisme
| Chercheur principal |
Professor Aaron Sprecher Director, Laboratory for Integrated Prototyping and Hybrid Environments (LIPHE) School of Architecture, McGill University |
| Co-chercheur |
Professor Jorge Angeles Director, Robotic Mechanical Systems Laboratory Department of Mechanical Engineering and Centre for Intelligent Machines (CIM), McGill University |
| Co-chercheur |
Professeur Clément Gosselin Directeur, Laboratoire de robotique Département de génie mécanique, Université Laval |
| Collaborateur |
Professor Damiano Pasini Director, Pasini Lab Department of Mechanical Engineering, McGill Institute for Aerospace Engineering , and McGill Institute for Advanced Materials , McGill University |
| Collaborateur |
Retired Professor Pieter Sijpkes Director, Ice Laboratory School of Architecture, McGill University |