Guide des outils en bout de bras : comment l'impression 3D les révolutionne

Pince EOAT, réalisée par impression 3D SLS, sur un robot

Par « outil en bout de bras », ou EOAT (pour End-Of-Arm-Tooling), on entend le composant d'un système robotisé qui interagit directement avec les produits que le système est conçu pour déplacer, modifier, saisir ou traiter d'une autre manière. Les EOAT sont généralement montés à l'extrémité d'un bras robotique et leurs fonctions les plus courantes comprennent, par exemple, les opérations de prise et de pose, le soudage, le serrage et la détection de forces.

Les appareils d'automatisation étant désormais très répandus dans les grandes entreprises manufacturières, le besoin en EOAT de haute qualité et conçus sur mesure s'est également accru. L'EOAT joue souvent le rôle d'intermédiaire personnalisé entre un système robotique produit en masse et le produit ou le flux de travail unique d'un fabricant. 

Cette nécessité de personnalisation fait de l'impression 3D la solution idéale pour la création d'EOAT. En particulier, la polyvalence des matériaux utilisés pour l'impression 3D stéréolithographique (SLA) et la résistance offerte par l'impression 3D par frittage sélectif au laser (SLS) se prêtent bien à la création d'EOAT destinés à une utilisation finale dans des contextes de production industrielle.

Types et applications d'EOAT

EOAT pour l'application de décorations et d'étiquettes à l'intérieur du moule

EOAT pour l'application de décorations et d'étiquettes à l'intérieur du moule. Avec l'aimable autorisation de Robotic Automation Solutions. 

EOAT pour l'application du vide afin de prendre et déplacer de petits bouchons sans utiliser de ventouses.

EOAT pour l'application du vide afin de prélever et déplacer de petits bouchons sans utiliser de ventouses. Avec l'aimable autorisation de Robotic Automation Solutions.

Les EOAT sont souvent divisés en trois catégories principales : automatisation, processus et inspection/vérification. Dans chacune d'elles, l'utilisation d'EOAT robustes et résistants peut être le principal moteur de l'efficacité, de la productivité et de la rentabilité des entreprises. 

EOAT d'automatisationEOAT de processusEOAT d'inspection/vérification
Robots de placement
Pinces
Aimants
Vide/aspiration
Soudure (extrémité du chalumeau)
Coupe (extrémité de la lame)
Nettoyage (air comprimé, etc.)
Peinture ou revêtement (buses et pulvérisateurs)
Vision
Irradiation
Température
Pression

La conception et la complexité spécifique d'un EOAT dépendent de l'application prévue, du type de robot sur lequel il est monté et de facteurs tels que la forme, le poids, le volume et la quantité d'objets avec lesquels il doit interagir. 

Par exemple, pour un robot de placement qui doit déplacer un objet lourd et rigide de l'extrémité d'un convoyeur à bande vers le panier d'un chariot élévateur, un EOAT résistant et rétractable « à griffe » est plus approprié.  Pour un objet petit et léger contenu dans un emballage rembourré, le même robot de placement pourrait utiliser un EOAT avec des ventouses et de l'air comprimé pour le saisir délicatement et le déposer dans le panier. 

EOAT avec système à ventouses

EOAT avec système à quatre ventouses conçu pour prélever un conteneur à déchets de 360 litres pesant 20 kg. Avec l'aimable autorisation de Robotic Automation Solutions.

EOAT avec système à ventouses

EOAT avec système à 40 ventouses personnalisées montées sur compensateurs de niveau. Avec l'aimable autorisation de Robotic Automation Solutions.

Bien qu'il existe différents types d'EOAT, les caractéristiques nécessaires pour garantir des performances optimales sont généralement les mêmes : capacité à effectuer des mesures très précises, respect des tolérances et intégration parfaite dans le système robotique ; poids réduit, afin que le système robotique n'applique pas plus d'énergie et de force à l'outil qu'à l'objet ; et résistance, afin que les actions répétées n'entraînent pas l'usure et la rupture de l'outil. 

Les systèmes robotiques nécessitent de l'énergie et parfois, l'EOAT a besoin d'une source d'alimentation dédiée afin de pouvoir se déplacer indépendamment du système robotique principal. L'alimentation peut être électrique, pneumatique, hydraulique ou combinée. Les EOAT à alimentation électrique sont principalement utilisés pour les opérations plus légères et délicates, tandis que ceux à alimentation hydraulique ou pneumatique sont destinés à des applications industrielles plus lourdes, par exemple dans le secteur de l'automatisation. 

Le soudage en action
Webinaire

Production rapide de fixations personnalisées pour le soudage grâce à l’impression 3D

Découvrez comment optimiser votre processus d’outillage pour accélérer le prototypage rapide et la production de petites séries de pièces métalliques grâce à des fixations de soudage rapides et modulables. Notre coordinateur de l’atelier d’usinage R&D partage les meilleures pratiques pour l’impression 3D de fixations de soudage, en couvrant les instructions de conception, l’analyse thermique de l’outil, des exemples concrets et une évaluation des coûts.

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Comment concevoir plus rapidement des EOAT grâce à l'impression 3D

un robot de soudage chez Brose

Le choix de l'imprimante et du matériau les mieux adaptés dépend de l'application, de l'environnement, du résultat souhaité et de nombreux autres facteurs. Cet appareil de soudage robotisé utilisé par Brose est équipé d'une pointe de torche EOAT personnalisée en métal, tandis que les gabarits et les fixations sont imprimés en 3D dans un plastique résistant à la chaleur. 

L'impression 3D facilite la conception et la production d'effecteurs finaux et permet de réaliser des solutions plus complexes et optimisées. Les EOAT imprimés en 3D peuvent augmenter l'efficacité et la productivité, voire accélérer le processus de conception. 

Les trois principaux types d'imprimantes 3D sont les imprimantes à dépôt de fil fondu (FDM), les imprimantes stéréolithographiques (SLA) et les imprimantes à frittage laser sélectif (SLS). Toutes les technologies peuvent être utilisées pour créer des EOAT robustes, personnalisés et efficaces, même si chacune présente des caractéristiques spécifiques qui la rendent plus adaptée à certaines applications. 

Les imprimantes 3D FDM sont excellentes pour la production rapide et économique de pièces destinées à la modélisation et au prototypage. Elles sont également parfaites pour la réalisation de maquettes d'EOAT pour la validation de mesures ou de flux de travail, et offrent des matériaux connus dans le secteur tels que l'ABS, ce qui permet d'effectuer des analyses par éléments finis. Cependant, les imprimantes 3D FDM extrudent le filament couche par couche, créant ainsi de minuscules vides d'air entre les couches dans la direction Z. Cela peut entraîner une délamination lorsqu'une force est appliquée dans cette direction et rendre les composants EOAT obtenus inadaptés dans certains contextes. 

Les imprimantes 3D SLA produisent des pièces en polymérisant des couches de résine liquide dans la forme souhaitée, couche après couche, à l'aide de chaleur ou de lumière. Contrairement aux imprimantes 3D FDM, le processus de polymérisation crée des pièces isotropes. Les EOAT fabriqués par impression 3D SLA peuvent donc supporter des contraintes identiques dans toutes les directions. Les imprimantes 3D SLA sont disponibles dans une large gamme de volumes d'impression et de prix. Les imprimantes résine de bureau bas de gamme sont disponibles à un prix compris entre environ 200 et 1000 €, tandis que les options professionnelles vont généralement de 2500 à 10 000 € et offrent des volumes d'impression adaptés à la plupart des EOAT. 

Les imprimantes 3D SLS sont de plus en plus présentes dans les environnements de production pour la création d'EOAT. La combinaison entre la résistance des pièces produites par impression 3D SLS et les propriétés du nylon, le matériau SLS le plus courant, facilite l'intégration des EOAT SLS dans les systèmes robotiques déjà utilisés. De plus, les matériaux élastomères tels que TPU 90A Powder de Formlabs sont idéaux pour produire des pinces souples personnalisées et géométriquement complexes : l'une des applications les plus importantes pour les EOAT imprimés en 3D.

Dépôt de fil fondu (FDM)Stéréolithographie (SLA)Frittage sélectif par laser (SLS)
Résolution★★☆☆☆★★★★★★★★★☆
Précision★★★★☆★★★★★★★★★★
Finition de surface★★☆☆☆★★★★★★★★★☆
Volume de production★★★☆☆★★★★☆★★★★★
Conceptions complexes★★★☆☆★★★★☆★★★★★
Facilité d’utilisation★★★★★★★★★★★★★★☆
AvantagesMachines et matériaux grand public à faible coût
Rapide et facile pour les petites pièces simples
Excellent rapport qualité prix
Haute-précision
Finition de surface lisse
Grande vitesse d'impression
Large gamme d'applications fonctionnelles
Pièces fonctionnelles solides
Liberté de conception
Pas besoin de structures de support
InconvénientsFaible précision
Faible niveau de détail
Liberté de conception limitée
Certains matériaux sont sensibles à une exposition prolongée aux UVFinition de surface légèrement irrégulière
Choix réduit de matériaux
ApplicationsModélisation conceptuelle
Prototypage rapide
Prototypage fonctionnel
Aides à la fabrication
Modélisation conceptuelle
Prototypage rapide
Prototypage fonctionnel
Outillage rapide
Aides à la fabrication
Fabrication de petites séries, de pièces provisoires ou sur mesure
Modèles et dispositifs dentaires
Modèles et dispositifs médicaux
Prototypage et moulage de bijoux
Modèles et accessoires
Prototypage rapide
Prototypage fonctionnel
Fabrication de petites séries, de pièces provisoires ou sur mesure
Aides à la fabrication durables
Dispositifs médicaux, prothèses et orthèses
Volume d’impressionJusqu’à 300 x 300 x 600 mm (imprimantes 3D de bureau et d’atelier)Jusqu’à 353 x 196 x 350 mm (imprimantes 3D de bureau et d’atelier)Jusqu’à 165 x 165 x 300 mm (imprimantes 3D d’atelier industrielles)
MatériauxThermoplastiques standard, tels que l’ABS, le PLA et leurs variantes.Variantes de résines (plastiques thermodurcissables). Standard, technique (type ABS, type PP, flexible, résistant à la chaleur, rigide chargé de verre), coulable, et dentaire et médical (biocompatible). Silicone et céramique purs.Thermoplastiques techniques. Nylon 11, nylon 12, composites en nylon à charge de verre ou de carbone, polypropylène, TPU (élastomère).
FormationFormation minimale sur la configuration de l'impression, le fonctionnement de l'appareil et la finition ; formation modérée sur la maintenance.Plug and play. Formation minimale sur la configuration de l'impression, le fonctionnement de l'appareil et la finition, la maintenance.Formation modérée sur la configuration de l'impression, le fonctionnement de l'appareil et la finition, la maintenance.
Environnement de travail requisLocal avec climatisation ou, de préférence, ventilation sur mesure pour appareils de bureau.Les appareils de bureau et d'atelier peuvent fonctionner dans des bureaux.Les systèmes d'atelier requièrent peu d'espace.
Équipements auxiliairesSystème de retrait des supports pour les machines à supports solubles (automatisé en option), outils de finition.Station de lavage et de post-polymérisation (les deux peuvent être automatisés), outils de finition.Stations de post-traitement pour la gestion des poudres et le nettoyage des pièces.
Coût de l'équipementLes imprimantes et les kits d'impression 3D entrée de gamme commencent autour de 200 €. Les imprimantes FDM de bureau professionnelles commencent entre 2000 et 8000 €, et les systèmes industriels autour de 15 000 €.Les imprimantes 3D résine bas de gamme sont disponibles entre 200 et 1000 €, les imprimantes 3D SLA professionnelles entre 2500 et 10 000 € et les imprimantes 3D résine grand format entre 5000 et 25 000 €.Les imprimantes 3D SLS industrielles d'atelier commencent à un peu moins de 30 000 € pour l'imprimante et à 60 000 € pour l'ensemble de l'écosystème, y compris les stations de gestion et de nettoyage des poudres. Les imprimantes SLS industrielles traditionnelles coûtent environ 200 000 €.
Coûts des matériaux50 à 150 €/kg pour la plupart des filaments standard, et 100 à 200 €/kg pour les matériaux de supports ou les filaments techniques.100 à 200 €/L pour la plupart des résines standard et techniques, 200 à 500 €/L pour les matériaux biocompatibles.100 €/kg pour le nylon. Le procédé SLS ne requiert pas de supports et la poudre non fondue peut être réutilisée, ce qui diminue les coûts des matériaux.
Besoins en main d'œuvreRetrait manuel des supports (il peut être pratiquement complètement automatisé pour les systèmes à supports solubles). Un post-traitement assez long peut être nécessaire pour obtenir une finition de haute qualité.Lavage et post-polymérisation (les deux pouvant être presque entièrement automatisés). Post-traitement simple après l'impression pour enlever les traces de supports.Flux de travail simple et semi-automatique pour le nettoyage des pièces et la récupération de la poudre.

Guide détaillé pour la conception et l'impression 3D d'EOAT

  1. Identifiez un domaine à améliorer : par exemple, des tuyaux de peinture ou des torches de soudage qui pourraient être orientés différemment, des pinces qui devraient être plus flexibles, des composants lourds qui pourraient être optimisés en termes de résistance et de légèreté, etc.
  2. Numérisez les conceptions d'équipements existants grâce à la rétro-ingénierie pour passer à un inventaire numérique ou identifiez les besoins en équipements et concevez de nouveaux fichiers. 

  3. Tirez parti du processus de conception pour ajouter ou retirer du matériau/du poids lorsque cela est possible.

    1. Prenez votre fichier existant et allégez-le autant que possible grâce à la conception générative, à l'ajout de cavités ou à la création de formes réticulaires. 

      1. Les imprimantes 3D SLA et SLS permettent d'obtenir des formes moins fines que le métal, mais plus complexes et avec une meilleure finition de surface sans usinage mécanique supplémentaire. Cela permet d'augmenter les performances et de réduire les coûts.

    2. Protégez les pièces en ajoutant du poids aux surfaces soumises à une usure ou à des frottements fréquents. 

  4. Combinez différents composants d'assemblage pour améliorer l'efficacité à l'aide de charnières intégrées, de joints encliquetables et de géométries complexes. 

  5. Tenez compte de la modularité et de l'ergonomie pour faciliter l'installation et le démontage. Des éléments tels que des poignées, des contours ou des filetages peuvent faciliter et accélérer l'installation et le remplacement ultérieur. 

  6. Exportez votre conception vers un logiciel d'impression 3D tel que PreForm de Formlabs et choisissez un matériau. 

    1. Tenez compte des exigences relatives au matériau, telles que le poids, les contraintes, la résistance aux chocs et aux rayons UV, l'exposition aux agents chimiques, etc. Comparez les propriétés des matériaux et évaluez les résines SLA et les poudres SLS en fonction de leur utilité pour votre application. 

  7. Envoyez la pièce à l'imprimante, soumettez-la à un post-traitement et installez le composant EOAT obtenu. 

Impression 3D d'outils en bout de bras

eoat imprimé en 3D SLA

Les EOAT fabriqués par impression 3D SLA, comme ces rouleaux blancs, aident AMRC à optimiser l'efficacité des systèmes industriels lourds de ses clients. 

Les EOAT sont des composants essentiels des systèmes de production qui garantissent une gestion sûre et efficace des appareils robotiques. Associée à d'autres technologies avancées comme l'intelligence artificielle et les améliorations apportées aux technologies de vision et de détection, l'impression 3D façonne l'avenir de l'automatisation.

Les robots deviennent de plus en plus performants et complexes et ont besoin d'outils personnalisés et avancés, capables de répondre à leurs gains d'efficacité. Les EOAT traditionnels, fabriqués en métal ou en plastiques moulés par injection, peuvent être lourds, encombrants ou de conception simpliste, ce qui entraîne des inefficacités et un poids inutile pour les systèmes robotiques.

L'impression 3D offre une alternative aux méthodes traditionnelles de fabrication d'outils en bout de bras. L'EOAT imprimé en 3D peut être optimisé pour la grande résistance sans ajouter de poids, il peut être produit rapidement sur demande, ce qui augmente la flexibilité et réduit les temps d'arrêt, et il peut être itéré pour améliorer les procédés et les mises à niveau sans ajouter des coûts d'outils élevés au résultat net d'un fabricant. 

Pour tester la résistance de nos résines ou poudres imprimées en 3D, demandez un échantillon gratuit. Pour faire imprimer un de vos composants EOAT sous forme d'échantillon personnalisé, contactez notre équipe commerciale.