5 considérations pour la numérisation, l'impression et la conception d'usinage soustractif

Dec 06, 2023

Par éditeur | 9 avril 2013

parMark Huebner, directeur du développement du marché, PBC Linear

Lors de l'évaluation de la mécatronique d'un dispositif de numérisation, d'impression ou d'usinage, 4 composants et une caractéristique sont critiques. Examiner comment chacun fonctionne dans un système et les optimiser fournira un équipement qui produit la meilleure qualité possible, que ce soit pour un budget amateur, ou une production en grand volume d'unités de bureau standard, ou un équipement de stéréolithographie ou de numérisation médicale haut de gamme.

Déplacer des objets entre l'environnement numérique et le monde tangible réel est devenu une pratique quotidienne courante dans de nombreux domaines de notre vie. L'équipement de numérisation fait passer les personnes par la sécurité à l'aéroport, numérise les images du patient ou des supports radiographiques à des fins médicales et réduit l'entrée de données pour créer un modèle solide à une opération en un seul passage. L'équipement de sortie est passé de l'impression à plat sur papier aux imprimantes numériques avec la capacité d'imprimer sur une variété de supports tels que le tissu, le verre, les métaux, etc.

L'imprimante 3D Aluminatus de Trinity Labs utilise des paliers lisses Simplicity, des étages linéaires de la série Simo et des vis-mères à technologie Constant Force de PBC Linear.

Ces dernières années, l'impression 3D a apporté un prototypage rapide et la possibilité de créer presque n'importe quelle forme sur le bureau. Les machines destinées aux méthodes de production soustractives plus traditionnelles, telles que le routage, la gravure ou l'usinage, peuvent facilement accepter directement une image numérique numérisée et produire rapidement un élément physique.

Lors du développement d'un nouveau design pour un équipement de numérisation, additif (impression 3D) ou soustractif, les considérations varient pour l'individu construisant sa première imprimante 3D pour le plaisir, pour une équipe de conception développant un modèle de bureau fiable destiné aux établissements d'enseignement, ou pour un groupe construisant un équipement additif haut de gamme à usage industriel. Dans chaque cas, cependant, il y aura cinq domaines de conception de base qui affectent la qualité, la répétabilité et la durée de vie d'un système donné. Lorsqu'il est optimisé pour les conditions d'application, le système mécatronique complet fournira des résultats de qualité

Les cinq domaines à évaluer sont :

1–Rails de guidage2–Roulements3–Transmission de puissance4–Électronique5–Fabricabilité 1. Rails de guidage Les arbres ronds en acier trempé ou les rails profilés sont rectifiés selon des tolérances serrées et offrent une surface de roulement lisse pour les roulements. Cependant, lorsqu'il s'agit de les monter dans des situations parallèles, il peut être difficile de travailler avec des appareils spéciaux, des lasers ou d'autres équipements pour l'alignement. Tout désalignement entraînera des forces de friction incohérentes, ce qui affectera le mouvement fluide souhaité d'une pièce, telle qu'une caméra ou une tête d'impression. De plus, les surfaces de montage nécessitent également une fabrication précise, généralement rectifiées ou usinées, ce qui augmente le coût de l'assemblage global.

Les roulements à rouleaux de roue V-Guide avec des chemins de roulement en acier trempé qualifiés maintiennent des tolérances serrées pour l'arc, la torsion et la déformation.

Les rails ou guides monoblocs pré-alignés sont disponibles sous différentes formes et offrent une alternative aux assemblages de composants traditionnels. Les variantes incluent :

• une base en aluminium avec des chemins de roulement encastrés en acier trempé rond ou en V • une extrusion complète en aluminium conçue pour fonctionner avec des roulements à glissement.

Montré ici - un modèle graphique de rapports d'inspection réels pour la planéité, la rectitude et le parallélisme comparant plusieurs composants à un rail de guidage linéaire monobloc qualifié.

Soyez conscient lors de l'évaluation des rails en aluminium que certains ont des tolérances "comme extrudé" qui n'atteindront pas la précision nécessaire pour les applications de numérisation, d'impression ou d'usinage. Les progrès des méthodes de fabrication par certains fabricants produiront des tolérances serrées pour l'arc, la torsion et la déformation tout en maintenant les avantages de coût d'une extrusion d'aluminium. De plus, le pré-alignement des chemins de roulement réduit le coût d'assemblage et produit des résultats cohérents dans les dispositifs d'entrée ou de sortie.

Les rails de guidage montés individuellement sont difficiles à aligner, ce qui augmente les coûts et réduit les performances.

2. Roulements Les roulements à insert en plastique (qui sont un choix courant dans les conceptions de machines de numérisation, d'impression et de soustraction à faible coût) sont généralement peu coûteux, mais les tolérances peuvent ne pas être aussi strictes que nécessaire pour l'application. Le plastique est moulé par injection et peut donc ne pas avoir subi d'opérations d'usinage sur le diamètre intérieur. Souvent, les tolérances ne sont pas suffisamment serrées pour le rail en aluminium extrudé sur lequel les roulements en plastique roulent. L'absence de contrôle des tolérances sur les deux pièces peut avoir un impact sur les forces de frottement au sein d'une seule pièce d'équipement et rendre difficile l'assemblage reproductible d'une machine à l'autre.

Les paliers lisses avec revêtement Frelon® à base de PTFE éliminent le contact métal sur métal et sont autolubrifiants.

Les roulements à recirculation de billes, qu'ils soient ronds ou carrés, fournissent un mouvement rigide préchargé à faible frottement, qui peut résoudre certains problèmes de désalignement. Avec de bonnes capacités de charge et de moment, les roulements offrent un mouvement rigide et précis sur le rail car le jeu est éliminé. Cependant, la véritable précision dépend en fin de compte de l'ensemble du système fonctionnant ensemble, y compris la transmission de puissance et l'électronique.

Des problèmes de qualité de sortie peuvent survenir en raison du contact métal sur métal. Non seulement les petits éléments sphériques entrent en contact avec l'arbre en acier, mais ils se cognent également les uns contre les autres, créant des vibrations d'impact, qui sont captées par l'électronique. Cette action peut entraîner des lignes d'artefacts irrégulières sur les images numériques et sur les pièces imprimées.

Les roulements à rouleaux minimisent le contact métal sur métal à une seule ligne pour chaque roulement tout en maintenant le réglage de la précharge. Ils se déplacent également en douceur pour un fonctionnement à grande vitesse, comme celui que l'on trouve dans les applications d'impression extrêmement rapides. Les roulements à rouleaux ont des avantages de capacité de charge, en particulier lorsque les moments ou les charges latérales sont des facteurs. Ils peuvent être scellés contre la contamination et le grand diamètre de la roue est bon pour rouler ou déplacer des particules.

Les roulements en bronze montés sur un arbre rond en acier dur sont une autre alternative. Ils ont un coefficient de frottement élevé qui a tendance à rester constant, mais le contact métal sur métal ainsi que des tolérances assouplies peuvent réduire la qualité de la sortie.

Un roulement à base de PTFE collé est une alternative qui élimine le contact métal sur métal et a le coefficient de performance de frottement le plus constant, tout en étant rectifié avec précision selon des tolérances exactes. Le matériau est également adaptable pour une utilisation sur des arbres ronds ou des rails et guides pré-alignés. Ces fonctionnalités aident à produire des résultats de qualité dans les périphériques d'entrée et de sortie.

3. Transmission de puissance Les vis à billes présentent des avantages mécaniques distincts lors de l'entraînement d'un mouvement linéaire, et tout comme les roulements à billes à recirculation préchargés, elles offrent un mouvement précis et à faible frottement. Des problèmes peuvent cependant survenir avec le contact métal sur métal avec les petites billes d'acier; les vibrations et le retour à travers l'électronique ont un impact sur la qualité. Le coût a également tendance à augmenter en raison de la précision requise dans leur fabrication. Cependant, les rendements inférieurs n'entrent généralement pas en jeu avec les charges relativement légères associées à un certain nombre de plates-formes de numérisation, d'impression ou d'usinage.

Les vis-mères avec écrous en polymère sont une alternative rentable pour les trois applications. Le coût est inférieur en raison du nombre réduit de composants mobiles et des processus de fabrication plus simples. Les avantages en termes de performances, tels que l'élimination du contact métal sur métal et des forces de frottement constantes, permettent d'obtenir la meilleure qualité de sortie possible en numérisation ou en impression. Des pas plus grands, produisant jusqu'à 25 mm de mouvement par rotation, en font une alternative pour les applications à grande vitesse où un contrôle supérieur à ce qu'une courroie peut fournir est requis.

L'alignement de tous les éléments rotatifs est crucial pour un système linéaire. "Wobbling" entraîne une mauvaise qualité d'image. Montré ici : rouge = alignement du moteur, vert = alignement de l'accouplement, bleu = alignement des vis.

Deux types d'écrous avec contrôle anti-jeu sont apparus pour les vis mères :

• Les écrous anti-jeu traditionnels utilisent une conception de ressort hélicoïdal et de collet qui transfère une force variable pour éliminer le jeu ou le jeu du système. L'avantage de ce système est qu'il peut généralement être réglé manuellement, mais la force résultante peut changer rapidement et la précharge peut être perdue.

• Les écrous de type Constant Force (CFT) appliquent une pression uniforme et constante sur l'écrou à toutes les étapes d'un profil de mouvement et tout au long de sa durée de vie. Le mécanisme d'entraînement peut accélérer, freiner et tourner rapidement par rapport à l'effet "élastique" et à l'encoche d'une conception renforcée de courroie et de poulie. Ce "plumage" de la ceinture peut entraîner un motif de murène ou une perte de netteté dans des éléments tels que des trous ou des cavités.

Les systèmes entraînés par courroie permettent un fonctionnement à grande vitesse à un coût modéré. Ayant généralement plus de composants dans un assemblage, les entraînements par courroie peuvent prendre du temps à installer et à régler. Ils sont plus difficiles à ajuster pour des courses plus courtes en raison de l'effet "cogging" de la courroie sur la poulie. Les courroies ont tendance à mieux fonctionner sur des longueurs plus longues, en commençant au-dessus de 500 mm de course.

4. Moteur électronique : Les moteurs pas à pas sont l'option la moins chère pour le contrôle de mouvement et ont un câblage simple et peu de connexions. Ainsi, ils constituent une option attrayante pour les équipements de type bureau de base ou standard. Ils produisent des résultats de haute qualité lorsqu'ils sont associés à des vis sans fin anti-jeu qui minimisent l'impact des « secousses » ressenties à chaque pas. Lorsqu'il est combiné avec des systèmes d'entraînement par courroie, cependant, cet effet peut être amplifié en raison de la "cogging" notée dans la section précédente.

Les systèmes de servomoteurs sont coûteux, plus complexes à configurer et à programmer, et nécessitent un réglage plus fin, mais le niveau de contrôle et la qualité de l'image ou du produit peuvent être augmentés pour les machines haut de gamme.

Retour: Les contrôleurs en boucle ouverte ou sans rétroaction sont peu coûteux et faciles à mettre en œuvre. Mais comme aucune mesure réelle de la position ou du produit n'est enregistrée, l'entrée ou la sortie de la plus haute qualité sera difficile à obtenir.

Les encodeurs rotatifs améliorent la qualité car une mesure de position a lieu. Cette mesure, cependant, concerne la position du moteur et suppose que le système mécanique de roulements, de guidage et d'entraînement n'a pas de variation.

Les codeurs linéaires fourniront une entrée ou une sortie de la plus haute qualité basée sur le fait qu'une mesure de position a lieu au point d'intérêt pour la machine. Il donne un retour en temps réel sur la position de la tête de numérisation, d'impression ou d'usinage.

5. Manufacturabilité Facilité d'assemblage : Une considération primordiale pour tout système est la possibilité de fabriquer et d'assembler facilement divers composants à faible coût tout en maintenant un alignement cohérent. Un exemple serait la connexion du moteur à une vis mère. En intégrant la vis au moteur et en éliminant un coupleur, non seulement le processus d'assemblage sera plus simple et le nombre de pièces et le coût réduits, mais la qualité s'améliorera également. L'accumulation de tolérances est éliminée, réduisant la concentricité et le faux-rond tout en améliorant la rigidité. La cinématique est également améliorée grâce à une réduction de la masse d'inertie en rotation.

Illustré – comparez les images d'imprimantes 3D : (à gauche) Conception de composant typique avec des centaines de pièces ; (à droite) L'assemblage technique réduit considérablement le nombre de composants. En savoir plus sur l'histoire de l'application d'impression 3D dans ce numéro.

Un autre exemple concerne l'évaluation des rails et des roulements. Les exigences de rapport coût/performance sont souvent mieux satisfaites avec des rails qualifiés et pré-alignés en 2 pièces et des chariots de roulement intégrés par rapport aux composants en plusieurs pièces avec un alignement et un assemblage difficiles de rails individuels et le montage de roulements individuels. Ce type d'approche critique d'analyse des composants et des assemblages peut être appliqué dans chaque domaine de la revue de conception d'une plate-forme.

PBC Linear® aide Trinity Labs à réussir l'impression 3D

Trinity Labs est une société de R&D en robotique cartésienne située à Portland, dans l'Oregon, qui « envisage un monde dans lequel les barrières conventionnelles entre l'idée et la réalité appartiennent au passé ». Leur dévouement à cet objectif va bien au-delà des mots, car ils développent et font progresser continuellement la technologie d'impression 3D (3DP), tout en la rendant accessible à la fois aux amateurs et aux ingénieurs sérieux. Avec une gamme de composants pour la communauté RepRap, des kits de mise à niveau pour ceux qui cherchent à mettre à niveau et des imprimantes 3D de bureau professionnelles complètes, Trinity Labs facilite l'engagement dans le domaine 3DP sans les coûts de démarrage élevés associés à de nombreuses options de prototypage rapide.

L'imprimante 3D Aluminatus de Trinity Labs utilise des paliers lisses Simplicity, des étages linéaires de la série Simo et des vis-mères à technologie Constant Force de PBC Linear.

Une facette clé de la qualité offerte par Trinity Labs est le mouvement stable fourni par PBC Linear pour les axes "X" et "Y". Le profil bas UniGuide™ (UGA) est un système simple en 2 pièces. Il est composé d'un rail linéaire monobloc dont toutes les surfaces critiques sont usinées avec le procédé SIMO® en un seul passage en instance de brevet développé par PBC Linear. Ce processus élimine pratiquement l'arc, la torsion et la déformation pour un guidage linéaire précis mais rentable. Le chariot est également en aluminium avec des coussinets d'appui intégrés collés en permanence directement sur le chariot. Ces coussinets sont fabriqués en FrelonGOLD®, un matériau à base de PTFE qui est autolubrifiant et qui offre un mouvement fluide et constant. Le jeu entre le rail et le chariot est maintenu à des tolérances rigoureuses, créant un ajustement serré au rail qui se reflète dans la qualité de la sortie. Cela conduit finalement à un meilleur contrôle de l'accumulation de matériaux sur le lit de l'imprimante 3D. Ensemble, l'ensemble rail et chariot UGA fait partie d'un kit de mise à niveau pour les machines existantes sur le terrain et pour le modèle MendleMaxPro repensé de Trinity Labs.

La conception originale utilisait un système linéaire à double arbre avec des bagues en bronze. Il fallait plusieurs composants, fixations et un processus d'assemblage fastidieux pour aligner les arbres afin que les roulements se déplacent librement sans se coincer. La conception Uni-Guide en 2 pièces a éliminé ces processus d'assemblage et d'alignement, ce qui permet de gagner du temps et d'en faire une mise à niveau facile sur le terrain pour les machines existantes.

Pour les kits de mise à niveau des imprimantes existantes, Ezra Zygmuntowicz, fondateur et président de Trinity Labs, a déclaré : « Il s'agit désormais de la solution d'axe Y de la plus haute qualité dans l'écosystème de la communauté d'imprimantes 3D RepRap open source. kit de mise à niveau d'axe pour l'imprimante Prusa Mendel RepRap. Il existe une large base d'installation qui adorera mettre la main dessus."

Récemment, Trinity Labs a lancé une nouvelle imprimante de bureau conçue pour rendre l'impression 3D de plus haute précision plus abordable. La plate-forme Aluminatus TrinityOne utilise les rails entraînés par vis-mère de la série SIMO® sur les axes "X" et "Y". Ces systèmes entraînés sont basés sur les mêmes rail et chariot UGA, mais intègrent également une vis mère et un écrou Constant Force™ pour entraîner le chariot. La conception Aluminatus réduit encore le nombre de composants à assembler. Le nombre réduit de pièces est passé de 400 pièces à 35, le temps d'assemblage global passant de 40 heures à moins de 2 heures.

Les technologies combinées de la série SIMO et de la technologie Constant Force (CFT) fournissent à l'Aluminatus le mouvement linéaire de haute qualité nécessaire pour répondre aux normes Trinity Lab et augmenter les objectifs d'impression 3D. Les systèmes d'entraînement par courroie précédemment utilisés maintenaient une répétabilité de +/- 0,1 mm/m pour la position linéaire, avec la plus petite hauteur de couche à 100 microns. Avec les séries SIMO et CFT, l'Aluminatus a une répétabilité de +/- 0,02 mm/m et une hauteur de couche de 50 microns. Ces tolérances sont possibles car la technologie de vis-mère CFT permet au mécanisme d'entraînement d'accélérer, de freiner et de tourner rapidement avec une précision réactive par rapport à l'effet « élastique » et à l'encoche d'une conception de courroie et de poulie renforcée. Ce "plumage" de la ceinture peut entraîner des motifs de murène ou une perte de netteté dans des éléments tels que des trous ou des cavités. Un avantage supplémentaire du meilleur contrôle avec les vis-mères CFT est que l'Aluminatus peut utiliser l'intégralité de l'espace de travail de 300 x 300 x 350 mm sans se soucier de la perte de qualité des pièces à mesure que la hauteur augmente.

Reconnaissant qu'une partie du succès de Trinity Labs avec les kits de mise à niveau et les nouvelles machines peut être directement attribuée aux guides linéaires à profil bas UniGuide, à la série SIMO et aux vis-mères de la technologie Constant Force, Ezra déclare que "nous prévoyons de vendre beaucoup de ces solutions d'axe XY et recherchons des applications potentielles d'axe Z pour les futures imprimantes que nous avons à l'horizon".

Informations sur la réimpression >>

CBP Linéairewww.pbclinear.com