FR3141868A1 - Tool for machining machine in particular for hybrid three-dimensional printer with tool change - Google Patents
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Abstract
L’invention concerne une tête (100) de fraisage/perçage/taraudage pour une machine de fabrication de pièce, par exemple de type fraiseuse, centre d’usinage ou imprimante tridimensionnelle à changement d’outils, comportant au moins un moteur (103) brushless rotatif muni d’un arbre (104) tournant à une vitesse élevée supérieure ou égale à 50 000 tours/min, un mandrin (105, 107) d’accouplement d’outil (106) de fraisage en prise sur ledit arbre (104), un corps principal externe (101) formant un bloc massif renfermant au moins ledit moteur (103) à la manière d’un fourreau (102), ledit dispositif comportant en outre un système (110) intégré de refroidissement à fluide calorifique incorporé à l’intérieur du corps principal externe (101) et comprenant au moins un orifice (111) d’entrée de fluide froid, un orifice (112) de sortie de fluide réchauffé et une canalisation (113) faisant circuler le fluide calorifique autour du moteur (103), de l’orifice (111) d’entrée vers l’orifice (112) de sortie. Figure pour l’abrégé : Fig. 9The invention relates to a milling/drilling/tapping head (100) for a part manufacturing machine, for example of the milling machine, machining center or tool-changing three-dimensional printer type, comprising at least one motor (103) rotary brushless provided with a shaft (104) rotating at a high speed greater than or equal to 50,000 rpm, a chuck (105, 107) for coupling a milling tool (106) engaged on said shaft (104 ), an external main body (101) forming a solid block enclosing at least said motor (103) in the manner of a sheath (102), said device further comprising an integrated heat fluid cooling system (110) incorporated into inside the external main body (101) and comprising at least one cold fluid inlet orifice (111), a heated fluid outlet orifice (112) and a pipe (113) circulating the heat fluid around the engine (103), from the inlet orifice (111) to the outlet orifice (112). Figure for abstract: Fig. 9
Description
La présente invention concerne un outil d’usinage tel qu’une tête de fraisage/perçage/taraudage pour machine d’usinage, et en particulier pour imprimante tridimensionnelle hybride à changement d’outils.The present invention relates to a machining tool such as a milling/drilling/tapping head for a machining machine, and in particular for a hybrid three-dimensional printer with tool change.
Les technologies d’usinage par enlèvement de matière, en particulier le fraisage, le tournage, ou encore le perçage/taraudage, utilisent des outils (fraises monobloc ou à plaquettes, forêts, tarauds) pouvant tourner à de hautes vitesses et/ou se déplacer avec une vitesse d’avance importante par rapport à la pièce à usiner, la coupe opérée par l’outil induit un fort échauffement de l’outil et de la matière constituant ladite pièce.Machining technologies by material removal, in particular milling, turning, or drilling/tapping, use tools (monoblock or insert cutters, drills, taps) that can rotate at high speeds and/or move with a significant advance speed relative to the part to be machined, the cutting carried out by the tool induces strong heating of the tool and of the material constituting said part.
Pour résoudre ce problème, il existe de nombreux systèmes de lubrification et de refroidissement utilisant ce que l’on nomme communément de l’huile de coupe projetée sous forme de jets ou brouillard à l’aide d’un circuit de pompage et de buses orientables. Certaines solutions perfectionnées font même appel à de l’injection d’huile directement au sein de l’outil, notamment sous une forme pulvérisée.To solve this problem, there are numerous lubrication and cooling systems using what is commonly called cutting oil projected in the form of jets or mist using a pumping circuit and adjustable nozzles. . Some advanced solutions even use the injection of oil directly into the tool, particularly in a sprayed form.
Cependant, même si ces technologies ont fait leur preuve depuis des décennies, elles restent limitées à des domaines d’application généraux.However, even though these technologies have proven themselves for decades, they remain limited to general areas of application.
En effet, dans le cadre spécifique d’une machine d’impression tridimensionnelle de matière plastique à changement d’outils qui ferait appel à la fois à la fabrication additive et à la fabrication soustractive, le tout dans une enceinte close soumise à une température dépassant les 150°C à 200°C, aucune des solutions existantes à ce jour ne pourrait être adaptée/transposée.Indeed, in the specific context of a three-dimensional printing machine for plastic material with tool change which would use both additive manufacturing and subtractive manufacturing, all in a closed enclosure subjected to a temperature exceeding 150°C to 200°C, none of the existing solutions to date could be adapted/transposed.
En effet, lors de phases de fabrication additive, les têtes d’impression tridimensionnelle sont portées à haute température, tout comme le plateau (lit) sur lequel la matière fondue est déposée. Il règne ainsi dans l’enceinte d’une telle machine une température pouvant dépasser les 150 à 200°C car il est nécessaire que le matériau dur atteigne sa température de transition vitreuse pour pouvoir fondre et sortir de la buse d’impression. Or, dans l’hypothèse où l’on devrait remplacer la tête d’impression tridimensionnelle par une tête de perçage ou de fraisage de type connu, il semble évident qu’un système à jets/pulvérisation d’huile de coupe ne serait absolument pas compatible avec une telle machine car il y aurait des projections d’huile partout, ce qui n’est absolument pas souhaité et nuirait complètement à la fabrication et à l’intégrité de la pièce. Par ailleurs, les dispositifs de lubrification utilisés et décrits précédemment servent à lubrifier et refroidir la pièce et l’outil au niveau de leur surface de contact, c’est-à-dire à l’endroit où est effectuée l’usinage par retrait de matière. Typiquement, dans le cas du fraisage ou du perçage, les jets d’huile d’usinage servent à faciliter la pénétration de la fraise ou du foret dans la matière tout évacuant la chaleur produite lors de ce contact à haute vitesse (rotation / avance). Ils servent également à la fragmentation et l’évacuation des copeaux en dehors de la zone d’usinage mais sous une forme très aléatoire et difficile à contrôler, là encore totalement incompatible avec la problématique à résoudre.Indeed, during additive manufacturing phases, the three-dimensional printing heads are heated to high temperatures, as is the plate (bed) on which the molten material is deposited. There is thus a temperature within the enclosure of such a machine which can exceed 150 to 200°C because it is necessary for the hard material to reach its glass transition temperature in order to melt and exit the printing nozzle. However, in the event that the three-dimensional printing head had to be replaced by a drilling or milling head of a known type, it seems obvious that a cutting oil jet/spray system would absolutely not be compatible with such a machine because there would be oil splashes everywhere, which is absolutely not desired and would completely harm the manufacturing and integrity of the part. Furthermore, the lubrication devices used and described above serve to lubricate and cool the part and the tool at the level of their contact surface, that is to say at the place where the machining is carried out by removal of matter. Typically, in the case of milling or drilling, the jets of machining oil serve to facilitate the penetration of the cutter or drill into the material while dissipating the heat produced during this contact at high speed (rotation / feed) . They are also used for the fragmentation and evacuation of chips outside the machining zone but in a very random form and difficult to control, again totally incompatible with the problem to be solved.
Or, non seulement les dispositifs actuels de lubrification et de refroidissement utilisés dans la fabrication soustractive ne sont pas adaptés au contexte, mais les moteurs qui font fonctionner ces outils d’usinage seraient eux-mêmes soumis aux fortes températures régnant à l’intérieur de l’enceinte de l’imprimante tridimensionnelle, ce qui obligerait à réduire notablement leur vitesse de rotation, leur faisant perdre toute utilité, ou pouvant potentiellement les abimer de manière irrémédiable ou les détruire, ce qui n’est évidemment pas souhaité.However, not only are the current lubrication and cooling devices used in subtractive manufacturing not adapted to the context, but the motors which operate these machining tools would themselves be subjected to the high temperatures reigning inside the enclosure of the three-dimensional printer, which would require significantly reducing their rotation speed, causing them to lose all usefulness, or potentially damaging them irreparably or destroying them, which is obviously not desired.
C’est dans ce cadre que la présente invention se propose de résoudre le problème du refroidissement d’un outil de fabrication soustractive, tel qu’une fraise ou un foret, dans une imprimante tridimensionnelle à changement d’outils dont l’enceinte de travail est soumise en quasiment permanence à de fortes températures dépassant les 150 à 200°C.It is in this context that the present invention proposes to solve the problem of cooling a subtractive manufacturing tool, such as a milling cutter or a drill, in a three-dimensional printer with tool change whose working enclosure is almost constantly subjected to high temperatures exceeding 150 to 200°C.
La présente invention vise à remédier à ces inconvénients avec une approche totalement novatrice.The present invention aims to remedy these drawbacks with a completely innovative approach.
A cet effet, selon un premier aspect, la présente invention se rapporte à une tête de fraisage/perçage pour une machine de fabrication de pièce, par exemple de type fraiseuse, centre d’usinage ou imprimante tridimensionnelle à changement d’outils, comportant au moins :
- un moteur brushless rotatif muni d’un arbre tournant à une vitesse élevée supérieure ou égale à 50 000 tours/min,
- un mandrin d’accouplement d’outil de fraisage en prise sur ledit arbre,
- un corps principal externe formant un bloc massif renfermant au moins ledit moteur à la manière d’un fourreau,
- ledit dispositif comportant en outre un système intégré de refroidissement à fluide calorifique incorporé à l’intérieur du corps principal externe et comprenant au moins un orifice d’entrée de fluide froid, un orifice de sortie de fluide réchauffé et une canalisation faisant circuler le fluide calorifique autour du moteur rotatif, de l’orifice d’entrée vers l’orifice de sortie.To this end, according to a first aspect, the present invention relates to a milling/drilling head for a part manufacturing machine, for example of the milling machine, machining center or three-dimensional printer type with tool change, comprising at less :
- a rotary brushless motor equipped with a shaft rotating at a high speed greater than or equal to 50,000 rpm,
- a milling tool coupling chuck engaged on said shaft,
- an external main body forming a solid block enclosing at least said motor in the manner of a sheath,
- said device further comprising an integrated calorific fluid cooling system incorporated inside the external main body and comprising at least one cold fluid inlet orifice, a heated fluid outlet orifice and a pipe circulating the fluid heat around the rotating motor, from the inlet port to the outlet port.
Cette solution permet ainsi d’utiliser des moteurs d’outils de fabrication soustractive à fort taux de rotation dans un environnement porté à haute température, sans aucune conséquence sur la qualité de l’usinage, sa rapidité, sa précision ou la détérioration/destruction potentielle du moteur.This solution thus makes it possible to use subtractive manufacturing tool motors with high rotation rates in an environment at high temperatures, without any consequences on the quality of the machining, its speed, its precision or the potential deterioration/destruction. of the motor.
De plus, le corps est dimensionné de manière à prendre le moins de volume possible tout en assurant les fonctionnalités de rangement et de préhension de l’outil.In addition, the body is sized to take up as little volume as possible while ensuring the storage and gripping functionality of the tool.
Enfin, réaliser une pièce massive comme fourreau du moteur permet de réduire les modes propres de vibration et de rigidifier l’outil.Finally, making a massive part as a motor sheath makes it possible to reduce the natural modes of vibration and stiffen the tool.
L’invention est mise en œuvre selon les modes de réalisation et les variantes exposées ci-après, lesquelles sont à considérer individuellement ou selon toute combinaison techniquement opérante.The invention is implemented according to the embodiments and variants set out below, which are to be considered individually or in any technically effective combination.
Avantageusement, le système de refroidissement comporte au moins une canalisation disposée au plus proche du moteur.Advantageously, the cooling system comprises at least one pipe arranged as close as possible to the engine.
De préférence, le système de refroidissement comporte au moins une canalisation en forme de « U » disposé proche de l’arbre et sensiblement perpendiculairement à ce dernier.Preferably, the cooling system comprises at least one “U”-shaped pipe placed close to the shaft and substantially perpendicular to the latter.
Selon une variante de réalisation, le système de refroidissement comporte au moins une canalisation sinusoïdale disposée sensiblement tout autour du moteur en formant des méandres.According to a variant embodiment, the cooling system comprises at least one sinusoidal pipe arranged substantially all around the engine forming meanders.
Selon une alternative, le système de refroidissement comporte au moins une canalisation hélicoïdale enroulée sensiblement tout autour du moteur en formant des spires.According to an alternative, the cooling system comprises at least one helical pipe wound substantially all around the engine forming turns.
Selon une autre variante, le système de refroidissement comporte une canalisation principale d’entrée se séparant en plusieurs canalisations secondaires s’étendant parallèlement les unes aux autres sensiblement tout autour du moteur et se rejoignant en une canalisation commune de sortie.According to another variant, the cooling system comprises a main inlet pipe separating into several secondary pipes extending parallel to each other substantially all around the engine and joining into a common outlet pipe.
Ces trois dernières solutions permettent de répartir au mieux le refroidissement non seulement tout autour du moteur mais également sur la plus grande dimension de ce dernier afin qu’il conserve ses caractéristiques techniques et que l’outil lui-même ne soit pas échauffé.These last three solutions make it possible to best distribute the cooling not only around the motor but also over the largest dimension of the latter so that it maintains its technical characteristics and the tool itself is not heated.
Préférentiellement, la tête comporte en outre un système d’aspiration de copeaux fixé sous le corps principal externe et comportant au moins un conduit d’aspiration aboutissant au plus proche de l’outil de fraisage.Preferably, the head further comprises a chip suction system fixed under the external main body and comprising at least one suction conduit leading closest to the milling tool.
Cette solution permet d’éviter, comme dans les machines-outils de l’art antérieur, d’avoir à utiliser l’huile de coupe pour évacuer les copeaux.This solution makes it possible to avoid, as in prior art machine tools, having to use cutting oil to evacuate the chips.
Selon un mode de réalisation préférée de la présente invention, la tête comporte également un système de détermination de décalage d’outil comprenant au moins un charbon maintenu en contact avec le mandrin d’accouplement à l’aide d’une plaque latérale.According to a preferred embodiment of the present invention, the head also comprises a tool offset determination system comprising at least one carbon held in contact with the coupling chuck using a side plate.
Cette solution permet de mieux positionner l’outil et augmente ainsi la précision d’usinage.This solution allows the tool to be better positioned and thus increases machining precision.
Selon un mode particulier de réalisation de la présente invention, le système de refroidissement comporte en outre des connecteurs reliés respectivement à l’orifice d’entrée et à l’orifice de sortie de fluide, des moyens externes de pompage de fluide calorifique et des flexibles reliant les moyens externes de pompage aux connecteurs afin de faire circuler ledit fluide.According to a particular embodiment of the present invention, the cooling system further comprises connectors connected respectively to the inlet orifice and to the fluid outlet orifice, external means for pumping heat fluid and flexibles connecting the external pumping means to the connectors in order to circulate said fluid.
Selon un aspect particulièrement intéressant de la présente invention, le fluide calorifique est choisi parmi le glycol, l’huile, l’argon, ou le CO2supercritique.According to a particularly interesting aspect of the present invention, the calorific fluid is chosen from glycol, oil, argon, or supercritical CO 2 .
De manière avantageuse, la tête comporte par ailleurs un organe de d’accouplement à un dispositif externe de couplage amovible d’outil.Advantageously, the head also comprises a member for coupling to an external removable tool coupling device.
La présente invention se rapporte également à une machine de fabrication de pièce, par exemple par fabrication soustractive telle qu’une fraiseuse ou un centre d’usinage, ou par fabrication additive telle qu’une imprimante tridimensionnelle à changement d’outils, comportant un châssis, un support de pièce à fabriquer, un plateau mobile et une tête de fraisage/perçage telle que décrite précédemment.The present invention also relates to a part manufacturing machine, for example by subtractive manufacturing such as a milling machine or a machining center, or by additive manufacturing such as a three-dimensional printer with tool change, comprising a chassis , a part support to be manufactured, a mobile plate and a milling/drilling head as described previously.
D’autres avantages, buts et caractéristiques de la présente invention ressortent de la description qui suit faite, dans un but explicatif et nullement limitatif, en regard des dessins annexés, dans lesquels :Other advantages, aims and characteristics of the present invention emerge from the description which follows, given for explanatory and in no way limiting purposes, with reference to the appended drawings, in which:
Les figures 1 et 2 représentent de manière schématisée une machine 10 d’impression tridimensionnelle à changement d’outils, appelée également machine de fabrication additive (Fused Deposit Material ou Fused Filament Fabrication), munie dans le cas présent d’au moins un outil 100 d’usinage conforme à la présente invention et présenté plus en détail sur les figures 3 et suivantes.Figures 1 and 2 schematically represent a three-dimensional printing machine 10 with tool change, also called additive manufacturing machine (Fused Deposit Material or Fused Filament Fabrication), provided in the present case with at least one tool 100 machining according to the present invention and presented in more detail in Figures 3 and following.
La présente description est donnée à titre non limitatif, chaque caractéristique d’un mode de réalisation pouvant être combinée à toute autre caractéristique de tout autre mode de réalisation.This description is given on a non-limiting basis, each characteristic of an embodiment being able to be combined with any other characteristic of any other embodiment.
On note, dès à présent, que les figures ne sont pas nécessairement à l’échelle, sans que cela nuise à leur compréhension.We note, from now on, that the figures are not necessarily to scale, without this affecting their understanding.
La machine 10 d’impression tridimensionnelle conforme à la présente invention comporte typiquement une enceinte 11 (de préférence au moins en partie transparente) pouvant être fermée pour la fabrication d’une pièce et ouverte pour la récupérer, un plateau 12 (également appelé « lit »), le plus souvent chauffé à haute température (150-200°C), sur lequel repose la pièce en cours de fabrication, et un support 13 de type rail ou rack sur lequel sont rangés différents outils 100, par exemple une tête d’impression tridimensionnelle par dépôt de fil, ou, comme décrit ci-après en relation avec les figures 3 à 13, une tête de fraisage 100 montée sur un support 50 de type charriot, mobile le long de rails perpendiculaires 30 et 40 selon deux directions X et Y d’un repère orthonormé. Le plateau 12 est quant à lui mobile verticalement de manière linéaire de haut en bas et de bas en haut le long d’un rail 60 selon une direction Z perpendiculaire aux directions X et Y. Le charriot 50 et le plateau 12 sont déplacés de manière indépendante à l’aide d’un système de motorisation de type connu (moteur pas à pas et courroie crantée montées sur des poulies par exemple) pour effectuer les mouvements le long des rails respectifs 30, 40 et 60.The three-dimensional printing machine 10 according to the present invention typically comprises an enclosure 11 (preferably at least partly transparent) which can be closed for the manufacture of a part and opened to recover it, a plate 12 (also called "bed "), most often heated to high temperature (150-200°C), on which the part being manufactured rests, and a rail or rack type support 13 on which different tools 100 are stored, for example a head of three-dimensional printing by wire deposition, or, as described below in relation to Figures 3 to 13, a milling head 100 mounted on a cart-type support 50, movable along perpendicular rails 30 and 40 in two directions X and Y of an orthonormal coordinate system. The plate 12 is movable vertically in a linear manner from top to bottom and from bottom to top along a rail 60 in a direction Z perpendicular to the directions independent using a motor system of known type (stepper motor and toothed belt mounted on pulleys for example) to carry out the movements along the respective rails 30, 40 and 60.
Les figures 3 à 10 montrent plus en détail à l’aide de diverses vues l’outil d’usinage 100 faisant l’objet de la présente invention, à savoir une tête de fraisage dans le cas présent.Figures 3 to 10 show in more detail using various views the machining tool 100 which is the subject of the present invention, namely a milling head in the present case.
Dans le cadre de la présente invention, la machine 10 d’impression tridimensionnelle est de type hybride et utilise de manière connue en soi une bobine de fil de matière plastique à l’état durci telle que du PLA (acide polylactique) ou du PEEK (Polyétheréthercétone). Cependant, de nombreuses autres matières plastiques ou métalliques peuvent être concernées.In the context of the present invention, the three-dimensional printing machine 10 is of the hybrid type and uses in a manner known per se a spool of plastic wire in the hardened state such as PLA (polylactic acid) or PEEK ( Polyetheretherketone). However, many other plastic or metal materials may be affected.
La tête 100 de fraisage comporte un corps principal externe 101 formants un bloc massif, par exemple en aluminium, muni d’un alésage de préférence cylindrique 102 formant un fourreau de réception pour un moteur électrique 103 de dimensions réduites et de type brushless.The milling head 100 comprises an external main body 101 forming a solid block, for example made of aluminum, provided with a preferably cylindrical bore 102 forming a receiving sheath for an electric motor 103 of reduced dimensions and of the brushless type.
Ce moteur 103 est pourvu à une extrémité inférieure d’un arbre d’entrainement 104 pouvant tourner à des vitesses dépassant les 50 000 tours/mn, par exemple 55 000 tours/mn.This motor 103 is provided at a lower end with a drive shaft 104 capable of rotating at speeds exceeding 50,000 rpm, for example 55,000 rpm.
Un mandrin 105 d’accouplement amovible est monté de manière serrée autour de l’arbre d’entrainement 104 et porte une fraise 106 de type connu fixée par une pince ER 107 de type connu.A removable coupling chuck 105 is mounted tightly around the drive shaft 104 and carries a milling cutter 106 of known type fixed by an ER collet 107 of known type.
Une plaque supérieure 108 fixée sur le haut du corps principal 101 permet de centraliser un ensemble de connectiques et de flexible liant l’outil 100 de fraisage à la machine 10 par l’intermédiaire du charriot 50.An upper plate 108 fixed to the top of the main body 101 makes it possible to centralize a set of connectors and flexible connecting the milling tool 100 to the machine 10 via the carriage 50.
Le moteur 103 est commandé en taux de rotation et sens de rotation par deux cartes électroniques en série (non représentées) qui permettent d’interfacer le moteur 103 à une carte de commande programmable intégrée à la machine et stockant différents programmes d’usinage.The motor 103 is controlled in rotation rate and direction of rotation by two electronic cards in series (not shown) which make it possible to interface the motor 103 to a programmable control card integrated into the machine and storing different machining programs.
La tête d’usinage 100 comporte en outre un système intégré de refroidissement 110 (voir
Dans l’exemple des figures 3 à 10, cette canalisation 113 comporte un canal 113a relié à l’entrée 111, un canal central 113b en forme de « U » entourant le moteur 103, de préférence proche de l’arbre d’entrainement 104, et un canal de sortie 113c relié à la sortie 112.In the example of Figures 3 to 10, this pipe 113 comprises a channel 113a connected to the inlet 111, a central channel 113b in the shape of a “U” surrounding the motor 103, preferably close to the drive shaft 104 , and an output channel 113c connected to output 112.
La tête d’usinage 100 comporte également un système 200 d’aspiration de copeaux fixé sous le corps principal externe 101 et comportant au moins un conduit 201 d’aspiration aboutissant au plus proche de l’outil de fraisage 106. Le canal 201 est relié typiquement à un système d’aspiration non représenté.The machining head 100 also includes a chip suction system 200 fixed under the external main body 101 and comprising at least one suction conduit 201 leading closest to the milling tool 106. The channel 201 is connected typically to a suction system not shown.
La tête d’usinage 100 comporte en outre un système 300 de détermination pour repérer par palpage un potentiel décalage d’outil 106, ce système 300 comprenant à cet effet au moins un charbon 301 conducteur électrique placée dans un tube 302 et maintenue en contact avec le mandrin d’accouplement 105 à l’aide d’une plaque latérale 303.The machining head 100 further comprises a determination system 300 to identify by sensing a potential tool offset 106, this system 300 comprising for this purpose at least one electrically conductive carbon 301 placed in a tube 302 and kept in contact with the coupling chuck 105 using a side plate 303.
La tête d’usinage 100 comporte enfin un organe 400 d’accouplement à un dispositif 55 de couplage amovible d’outil intégré au charriot 50 et permettant de venir prendre l’outil 100 sur le rack 13, le coupler audit dispositif organe de couplage 400 pour l’utiliser en phase d’usinage, et le reposer sur son rack 13, notamment pour le remplacer par un autre outil de fabrication soustractive (tête de perçage ou taraudage), par un outil de fabrication additive (tête d’impression tridimensionnelle) ou par d’autres outils (palpage, marquage, finition).The machining head 100 finally comprises a member 400 for coupling to a removable tool coupling device 55 integrated into the carriage 50 and allowing the tool 100 to be picked up from the rack 13 and coupled to said coupling member device 400. to use it in the machining phase, and place it back on its rack 13, in particular to replace it with another subtractive manufacturing tool (drilling or tapping head), with an additive manufacturing tool (three-dimensional printing head) or by other tools (probing, marking, finishing).
Selon une variante de réalisation représenté sur la
Selon une alternative représentée sur la
Selon, une autre mode de réalisation, représenté sur la
Le corps 101 a été dimensionné de manière à prendre le moins de volume possible mais en assurant les fonctionnalités de rangement de l’outil 100, de préhension de l’outil 100, de déplacement de l’outil 100, de transport du moteur 103, de refroidissement liquide du moteur 103 et de support des systèmes 200 et 300 respectivement d’aspiration et de détermination de décalage d’outil. De plus, réaliser une pièce massive comme celle-ci permet de réduire les modes propres de vibration et de rigidifier l’outil 100.The body 101 has been dimensioned so as to take up as little volume as possible but ensuring the functionalities of storing the tool 100, gripping the tool 100, moving the tool 100, transporting the motor 103, liquid cooling of the engine 103 and support of the systems 200 and 300 respectively for suction and tool offset determination. In addition, making a massive part like this makes it possible to reduce the natural modes of vibration and stiffen the tool 100.
Le fonctionnement de la machine hybride 10 de fabrication additive et soustractive de pièces conforme à la présente invention est le suivant.The operation of the hybrid machine 10 for additive and subtractive manufacturing of parts according to the present invention is as follows.
L’utilisation de la tête 100 de fraisage peut intervenir lors d’une phase de fabrication soustractive postérieure à une phase initiale de fabrication additive d’une portion au moins de la pièce à réaliser en utilisant pour cela une tête d’impression tridimensionnelle ne faisant pas l’objet de la présente invention. La tête 100 de fraisage évolue donc dans le cas présent à l’intérieur d’un environnement clos particulièrement chaud (150-200°C) résultant de l’impression tridimensionnelle (chauffage de la matière au niveau de la tête d’impression et chauffage du plateau 12).The use of the milling head 100 can take place during a subtractive manufacturing phase subsequent to an initial phase of additive manufacturing of at least a portion of the part to be produced using for this a three-dimensional printing head not making not the subject of the present invention. The milling head 100 therefore evolves in the present case inside a particularly hot enclosed environment (150-200°C) resulting from three-dimensional printing (heating of the material at the level of the print head and heating of the plate 12).
Une fois la tête de fraisage 100 reliée dispositif de couplage 55 du charriot 50 mobile de transport, des commandes de pilotage sont envoyées à la tête de fraisage 100 par un programme déjà enregistré dans la carte électronique de la machine 10.Once the milling head 100 is connected to the coupling device 55 of the mobile transport cart 50, control commands are sent to the milling head 100 by a program already recorded in the electronic card of the machine 10.
La tête d’usinage 100 placée sur son charriot 50 est déplacée le long des rails 30 et 40 et dans l’espace de l’enceinte 11 de la machine 10 selon les directions X et Y, de préférence suite à une procédure de prise de point zéro (homing) grâce au système 300 de détermination de décalage d’outil 106 afin de réaliser les usinages aux bonnes coordonnées. Le plateau 12 peut également se déplacer verticalement le long de son rail 60. Le moteur 103 est alors mis en route jusqu’à ce que son arbre 104 d’entrainement atteigne la vitesse de rotation programmée dans l’intervalle possible par le moteur entre 5 000 tr/min et 50 000 tr/min, tandis que les systèmes respectifs de refroidissement 110 et d’aspiration 200 de copeaux sont mis en route.The machining head 100 placed on its carriage 50 is moved along the rails 30 and 40 and in the space of the enclosure 11 of the machine 10 in the directions X and Y, preferably following a procedure for taking measurements. zero point (homing) thanks to the system 300 for determining tool offset 106 in order to carry out machining at the correct coordinates. The plate 12 can also move vertically along its rail 60. The motor 103 is then started until its drive shaft 104 reaches the rotation speed programmed in the interval possible by the motor between 5 000 rpm and 50,000 rpm, while the respective cooling 110 and chip suction 200 systems are started.
L’outil de fraisage 106 usine alors la (portion de) pièce posée sur le plateau 12 selon le programme choisi (trajectoire de l’outil de fraisage 106, vitesse de rotation de l’arbre 104, vitesse relative de déplacement de la tête d’usinage 100 par rapport à la pièce par mouvements coordonnés du charriot 50 et/ou du plateau 12). Durant toute la phase d’usinage, le fluide calorifique circule dans les canalisations 113, 123 ou 143 du système de refroidissement 110 prévu à cet effet, avec un débit adapté pour refroidir le moteur 103 de manière optimisée (par exemple 6000 cm3/min). En parallèle, le système d’aspiration 200 évacue les copeaux de la zone d’usinage afin de ne pas nuire à la fabrication de la pièce en cours d’élaboration.The milling tool 106 then machines the (portion of) part placed on the plate 12 according to the chosen program (trajectory of the milling tool 106, rotation speed of the shaft 104, relative speed of movement of the head d machining 100 relative to the part by coordinated movements of the carriage 50 and/or the plate 12). Throughout the machining phase, the heat fluid circulates in the pipes 113, 123 or 143 of the cooling system 110 provided for this purpose, with a flow rate adapted to cool the motor 103 in an optimized manner (for example 6000 cm 3 /min ). At the same time, the suction system 200 evacuates the chips from the machining zone so as not to harm the manufacturing of the part being produced.
Une fois cette phase d’usinage terminée, la tête de fraisage 100 peut être reposée sur le rack 13 à l’aide du charriot 50 et de l’organe 400 d’accouplement amovible qui se déconnecte du dispositif de couplage 55.Once this machining phase is completed, the milling head 100 can be placed back on the rack 13 using the carriage 50 and the removable coupling member 400 which disconnects from the coupling device 55.
Une nouvelle phase d’usinage peut alors commencer si besoin. Pour cela, le programme de la machine 10 indique au charriot 50 d’aller chercher un nouvel outil sur le rack 13 pour lancer par exemple une phase de perçage ou de taraudage avec une nouvelle tête d’usinage munie d’un forêt ou d’un taraud, ou bien une phase de polissage avec un nouvel outil spécifique, ou bien une phase de fabrication additive à l’aide d’une tête d’impression tridimensionnelle ou bien une phase de mesure tridimensionnelle (vérification des côtes et/ou des états de surface) avec par exemple un outil palpeur.A new machining phase can then begin if necessary. To do this, the program of the machine 10 indicates to the cart 50 to fetch a new tool from the rack 13 to launch, for example, a drilling or tapping phase with a new machining head equipped with a drill or a tap, or a polishing phase with a new specific tool, or an additive manufacturing phase using a three-dimensional print head or a three-dimensional measurement phase (verification of dimensions and/or conditions surface) with for example a feeler tool.
Un avantage important de la présente invention réside dans l’utilisation d’un moteur brushless compact 103 capable d’atteindre des vitesses de rotation élevées, typiquement plus de 50 000 tours / mn, permettant d’usiner de nombreux types de matières (plastiques, métaux, alliages), équipé d’un système 110 de refroidissement permettant de garder le moteur 103 à une température contrôlée à laquelle son fonctionnement est peu impacté.An important advantage of the present invention lies in the use of a compact brushless motor 103 capable of reaching high rotation speeds, typically more than 50,000 rpm, making it possible to machine many types of materials (plastics, metals, alloys), equipped with a cooling system 110 making it possible to keep the motor 103 at a controlled temperature at which its operation is minimally impacted.
Par ailleurs, le principe général du programme de fabrication assisté consiste en un intercalage de phases d’impression et d’usinage corrélées avec les trajectoires d’outils utilisés pour chacune de ces phases. Selon la version du programme et la machine concernée, les intercalages sont gérés automatiquement ou bien leurs positions sont demandées à l’utilisateur. Le code d’impression est découpé par les changements de couches, les phases d’usinages de la couche juste imprimée étant introduites lors de ces changements. Le fichier en sortie du module est un code lisible par les automates de machines à commande numérique les plus répandues.Furthermore, the general principle of the assisted manufacturing program consists of an intercalation of printing and machining phases correlated with the tool trajectories used for each of these phases. Depending on the program version and the machine concerned, the intercalations are managed automatically or their positions are requested from the user. The printing code is divided by layer changes, the machining phases of the just printed layer being introduced during these changes. The module output file is a code readable by the most common digitally controlled machine automata.
Il doit bien entendu être considéré que la description détaillée de l’objet de l'invention, donnée uniquement à titre d'illustration, ne constitue en aucune manière une limitation, les équivalents techniques étant également compris dans le champ de la présente invention.It must of course be considered that the detailed description of the subject of the invention, given solely by way of illustration, does not in any way constitute a limitation, technical equivalents also being included within the scope of the present invention.
Ainsi, la tête de fraisage peut être remplacée par une tête de perçage / taraudage munie d’un foret ou d’un taraud.Thus, the milling head can be replaced by a drilling/tapping head fitted with a drill or tap.
Le glycol peut être remplacé par un gaz tel que de l’argon, ou bien de l’azote liquide ou du CO2supercritique.The glycol can be replaced by a gas such as argon, or liquid nitrogen or supercritical CO 2 .
Claims (12)
- un moteur (103) brushless rotatif muni d’un arbre (104) tournant à une vitesse élevée supérieure ou égale à 50 000 tours/min,
- un mandrin (105, 107) d’accouplement d’outil (106) de fraisage en prise sur ledit arbre (104),
- un corps principal externe (101) formant un bloc massif renfermant au moins ledit moteur (103) à la manière d’un fourreau (102),
- ledit dispositif comportant en outre un système intégré (110)de refroidissement à fluide calorifique incorporé à l’intérieur du corps principal externe (101) et comprenant au moins un orifice (111) d’entrée de fluide froid, un orifice (112) de sortie de fluide réchauffé et une canalisation (113 ; 123 ; 133 ; 143) faisant circuler le fluide calorifique autour du moteur (103), de l’orifice (111) d’entrée vers l’orifice (112) de sortie.Milling/drilling/tapping head (100) for a part manufacturing machine (10), for example of the milling machine, machining center or tool-changing three-dimensional printer type, comprising at least:
- a rotary brushless motor (103) provided with a shaft (104) rotating at a high speed greater than or equal to 50,000 rpm,
- a milling tool (106) coupling chuck (105, 107) engaged on said shaft (104),
- an external main body (101) forming a solid block enclosing at least said motor (103) in the manner of a sheath (102),
- said device further comprising an integrated heat fluid cooling system (110) incorporated inside the external main body (101) and comprising at least one cold fluid inlet orifice (111), an orifice (112) heated fluid outlet and a pipe (113; 123; 133; 143) circulating the heat fluid around the motor (103), from the inlet orifice (111) to the outlet orifice (112).
Machine (10) for manufacturing a part, for example by additive manufacturing such as a milling machine or a machining center, or by subtractive manufacturing such as a three-dimensional printer with tool change, comprising a chassis (11), a heated workpiece support (12) and a milling/drilling/tapping head (100) according to any one of the preceding claims.
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- 2022-11-10 FR FR2211738A patent/FR3141868A1/en active Pending
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