Development of a Non-Planar Slicing Method for Manufacturing of Fused Filament Fabrication Parts with a 6-Axis Robotic System

La fabrication par dépôt de fil fondu (FFF, de fused filament fabrication) est une technique de fabrication additive (FA) capable de produire des pièces de toutes formes par l’extrusion de couches de matière thermoplastique à travers une buse chauffée. Les pièces sont produites par l’addition subséquente de couche en suivant les instructions de fabrication générée par un processus appelé, découpage (slicing en anglais). Les logiciels de découpage disponible, tel que Cura, utilisent une série de plans pour décomposer des modèles 3D de pièce en une série de couches plane. Le découpage plan a certaines limitations, notamment, l’effet d’escalier, qui cause un mauvais fini de surface et une représentation inexacte de leur modèle 3D. En plus, les pièces produites par FFF présentent des propriétés mécaniques anisotropes dues à une adhésion intercouche incomplète. Des groupes de recherches ont développé des méthodes de découpage non-plan, pour adresser les limitations imposées, par le processus plan. Des auteurs tels que G. Zhao et coll. (2018) ont utilisé des transformations cylindriques pour courber du Code-G préparé par des logiciels de découpage planaire. Ce projet cherche à tirer avantage de l’impression 3D, non-planaire pour produire des structures acoustiques en composite pour l’utilisation à l’intérieur de moteurs d’avion. Cependant, les technologies d’impression non-plan existante ne peuvent pas être adaptées au besoin du projet. L’utilisation d’impression non-plan pour fabriquer des pièces avec des géométries acoustiques complexes qui ce conforme aux surfaces complexes des moteurs d’avion moderne demandent le développement d’une nouvelle méthode de découpage non-plan. Basé sur des opérations d’intersection maillage-maillage, la méthode, intitulé découpage de couche par maillage courbé (CLMS, de curved layer mesh slicing) a été développé. Cette méthode permet le découpage de modèle 3D maillé par une série de surfaces maillé, résultant en des couches courbées suivant la forme des surfaces. Des parcours d’outils pour le périmètre et le remplissage de la pièce sont calculés pour chaque couche à l’aide d’opération d’intersection de maillage. Les variables de fabrication spécifique à la FFF et les coordonnées des points constituant les parcours d’outils sont ensuite écrites dans un Code-G pour être exécutées par une imprimante 3D traditionnelle ou un bras robotique à 6-axes. Des essaies de caractérisation mécanique sur des échantillons en polyétheréthercétone renforcé de fibre de carbone ont démontré 28% plus de rigidité et des analyses de numérisations 3D ont démontré une réduction significative de la rugosité de surface que des échantillons préparés avec des méthodes de découpage planaire. L’applicabilité de la méthode CLMS est démontrée par la production d’un panneau sandwich doublement courbé en acide polylactique et d’un panneau acoustique en polyétheréthercétone renforcé de fibre de carbone. Les deux panneaux ont été fabriqués avec succès, leurs surfaces courbes étant à l’intérieur d’une tolérance de ±0.2mm et ont aussi révélé des défauts intéressants propres à l’impression 3D non-planaire et utilisant des matériaux composites.