Concours CPGE 2025 - Banque PT - Épreuve de Sciences Industrielles A - GEMINI : cellule hybride pour la fabrication de pièces XXL

Contexte général

La fabrication additive, également connue sous le nom d’impression 3D, a révolutionné la manière de

concevoir et de produire des pièces. Les avancées technologiques de ce procédé ouvrent de nouvelles perspectives, que ce soit pour obtenir des structures complexes et légères, réduire les délais de prototypage ou minimiser les déchets de fabrication. Ce procédé est dit additif car la fabrication repose sur la superposition de fines couches de matière les unes après les autres. La technologie peut permettre de produire des formes complexes impossibles à obtenir avec les méthodes traditionnelles de moulage et d’usinage.

Il est maintenant possible de s’offrir pour quelques centaines d’euros une petite imprimante 3D ludique, qui fabrique de petites pièces en plastique à la maison. Mais la diversité des matériaux utilisé en fabrication additive (plastiques, résines, métaux, céramiques...) permet d’adresser une multitude d’applications dans des secteurs aussi variés que l’industrie automobile, la santé ou l’aérospatiale. Au départ restreinte à des pièces de dimensions modestes (quelques centimètres ou dizaines de centimètres), des cellules de fabrication additive capables de produire des pièces de très grande envergure (plusieurs mètres) ont vu le jour récemment.

La société VLM robotics, implantée en Gironde, est un des leaders du développement de l’industrie 4.0

grâce à l’introduction de la robotique agile. Elle propose une gamme très étendue de solutions robotisées, parmi lesquelles GEMINI, une cellule bi-robots capable de produire des pièces métalliques de dimensions XXL (5 mètres de hauteur et 2 mètres de diamètre) et de fort tonnage (jusqu’`a 20 tonnes).

Ce type de cellule révolutionne l’industrie car ce n’est plus la pièce qui est déplacée d’un procédé de

fabrication à un autre, mais les unités opératives qui sont amenées au plus près de la pièce. En l’occurrence, GEMINI est une cellule hybride puisque l’un des deux robots supporte une tête de fabrication additive et l’autre une machine d’usinage (fabrication soustractive pour finaliser les surfaces fonctionnelles par exemple). Durant son fonctionnement, le pilotage de l’ensemble est assuré en temps réel grâce à un jumeau numérique de la cellule et de la pièce qui est fabriquée.

Des robots très forte charge

On ne s’intéressera ici ni à la tête de fabrication additive, qui permet d’amener le métal sous forme de fil ou de poudre et de le déposer en couches successives après l’avoir fait fondre par laser, ni au système

dit vireur sur lequel repose les pièces en construction. Dans cette étude, on se concentrera sur un des

deux robots qui présentent déjà de nombreux challenges en termes de pilotage, de robustesse et de précision. Ce sont des robots très forte charge (pouvant aller jusqu’à 400 kg) à six axes développés pour les installations dites intelligentes nécessitant une très grande portée (près de 3 mètres). Ils font partie

des robots dits poids lourds les plus puissants et les plus performants du marché, avec une répétabilité de positionnement en bout de bras inférieure au dixième de millimètre, ce qui est extrêmement précis vues les dimensions et actions mécaniques mises en jeu.

I.1 - Modélisation simplifiée du robot

I.2 - Actions mécaniques à transmettre en statique

I.3 - Actions mécaniques à transmettre en dynamique

I.4 - Détermination d’une des équations du mouvement

I.5 - Résolution numérique d’une équation du mouvement

Partie 2 : Etude d’un des réducteurs

Objectif : Dans cette deuxième partie, on étudie un des réducteurs dont sont équipés les servomoteurs.

On s’intéresse notamment aux déformations internes qui, du fait des grandes dimensions du robot, peuvent causer des défauts de positionnement.

II.1 - Influence des défauts angulaires

II.2 - Schématisation du réducteur

Partie 3 : Etude et définition du contrôle du mouvement de l’outil

Objectif : on s’intéresse dans cette partie au mouvement de rotation du poignet. L’objectif est ici de déterminer un modèle de comportement de la chaîne de transmission de puissance de ce mouvement de rotation et de déterminer les correcteurs nécessaires à son contrôle au cours du temps.

III.1 - Présentation de la structure du système de contrôle du mouvement de l’outil

III.2 - Etude du bloqueur

III.3 - Etude du codeur absolu

III.4 - Etude du préactionneur

III.4.1 - Analyse de la pertinence d’un hacheur simple série

III.4.2 - Analyse de la pertinence d’un hacheur réversible en tension

III.5 - Modélisation de la chaîne de transmission de puissance

III.6 - Détermination des correcteurs

III.7 - Annexe : correcteur à avance de phase