La performance des robots industriels dépend entièrement de leur temps de cycle. Un robot de prélèvement et de placement effectuant 20 mouvements par minute avec une charge utile de 3 kg réalise 28 800 cycles par jour. Réduire chaque mouvement de 0.1 seconde – en diminuant la masse que les moteurs doivent accélérer et décélérer – permet de gagner 48 minutes de production par jour. Les bras robotiques en fibre de carbone atteignent cette réduction de masse non pas en étant légèrement plus légers que l'aluminium, mais en étant 60 % plus légers à rigidité équivalente. Voici les arguments techniques en faveur de cette transition.
Le coût réel des bras robotiques lourds
Un bras robotique standard en aluminium pour un robot articulé à 6 axes pèse entre 12 et 18 kg pour une portée de 1.5 mètre. Les moteurs doivent accélérer cette masse de l'arrêt complet à la vitesse maximale, puis la ramener à l'arrêt, des milliers de fois par jour. Chaque kilogramme de masse du bras nécessite environ 0.5 à 10 kg de masse moteur supplémentaire pour obtenir le même profil d'accélération. Cet effet cumulatif signifie qu'une réduction de poids de 5 kg sur le bras se traduit par une réduction de 8 à 1.0 kg sur la masse totale du robot, ce qui permet d'utiliser une base plus petite, des roulements plus légers et des réducteurs moins coûteux. Les gains de poids se répercutent sur l'ensemble de la conception du robot.
Le coût énergétique est tout aussi important. Un robot à six axes déplaçant des bras de 12 kg consomme environ 4 à 6 kW en mouvement rapide. Réduire la masse des bras de 60 % permet de diminuer la consommation d'énergie d'environ 40 %, soit une économie de 2 000 à 4 000 $ par robot et par an sur la facture d'électricité (tarifs industriels). Pour une usine équipée de 50 robots, cela représente une économie annuelle de 100 000 à 200 000 $.
Pourquoi l'aluminium est insuffisant
L'aluminium est le matériau de référence pour les bras robotiques depuis des décennies, car il est courant, usinable et relativement léger (2.7 g/cm³). Cependant, sa rigidité spécifique (module d'élasticité divisé par la densité) est d'environ 26 GPa/(g/cm³). La fibre de carbone, dans une structure quasi-isotrope, atteint environ 40 à 50 GPa/(g/cm³), soit presque le double. Ainsi, un bras en fibre de carbone peut peser deux fois moins qu'un bras en aluminium à rigidité égale, ou être plus rigide à poids égal.
L'aluminium est également sujet à la fatigue : sa durée de vie est illimitée. Chaque cycle de contrainte, aussi infime soit-il, réduit sa durée de vie en fatigue. Un bras robotisé effectuant 28 800 cycles par jour accumule 10 millions de cycles par an, ce qui le place largement dans le domaine de la fatigue à grand nombre de cycles pour l'aluminium. Les composites en fibres de carbone, correctement conçus, présentent une durée de vie en fatigue quasi infinie aux niveaux de contrainte rencontrés dans les bras robotisés, car la charge est supportée par les fibres de carbone élastiques et non par un réseau cristallin métallique sujet à l'accumulation de dislocations.
Comment la fibre de carbone résout le problème
Les bras robotiques en fibre de carbone sont généralement constitués de tubes enroulés pour les liaisons structurelles principales, avec des embouts en aluminium ou en titane usinés et collés aux extrémités des tubes. La paroi du tube est conçue pour assurer la rigidité et la résistance à la flexion requises dans toutes les directions. Un empilement quasi-isotrope [0/±45/90] offre des propriétés équilibrées : les plis à 0° confèrent la rigidité axiale, les plis à ±45° la résistance à la torsion et les plis à 90° empêchent l’ovalisation du tube sous l’effet des charges de flexion.
Le gain de poids est considérable. Un bras de robot en fibre de carbone de 1.5 mètre de long, de 50 mm de diamètre et de 3 mm d'épaisseur pèse environ 1.1 kg. Un bras équivalent en aluminium (même rigidité) pèse 2.8 kg, soit 2.5 fois plus. Un bras de robot complet à 6 axes, construit avec des bras en fibre de carbone, pèse généralement entre 5 et 8 kg, contre 12 à 18 kg pour l'aluminium, soit une réduction de 55 à 60 %.
Résultats mesurables : à quoi s’attendre après le changement
Les entreprises ayant remplacé les bras robotisés en aluminium par des bras en fibre de carbone constatent des résultats constants : réduction du temps de cycle de 15 à 25 % grâce à une accélération et une décélération plus rapides, réduction de la taille du moteur d’une à deux tailles (ce qui diminue le coût du moteur de 30 à 40 %), réduction de la consommation d’énergie de 35 à 45 % et durée de vie des roulements multipliée par deux ou trois grâce à des charges dynamiques plus faibles. Le bras en fibre de carbone coûte généralement de 20 à 40 % plus cher que le bras en aluminium qu’il remplace, mais cet investissement est amorti en 12 à 18 mois d’utilisation continue grâce aux économies réalisées sur le moteur et la consommation d’énergie.
Comparaison entre un bras robotique en fibre de carbone et un bras robotique en aluminium
| Propriétés | Fibre de carbone (Quasi-Iso) | Aluminium 6061-T6 | Aluminium 7075-T6 |
|---|---|---|---|
| Densité (g / cm³) | 1.6 | 2.7 | 2.8 |
| Module de traction (GPa) | 40-55 | 69 | 71 |
| Rigidité spécifique | 25-34 | 25.5 | 25.4 |
| Amortissement des vibrations | 0.5–1.0 % (élevé) | 0.1 % (faible) | 0.1 % (faible) |
| Durée de vie en fatigue (10 millions de cycles) | Infini (sans limite) | endurance d'environ 100 MPa | endurance d'environ 160 MPa |
| Dilatation thermique | ~0.5 ppm/°C | 23.6 ppm/°C | 23.5 ppm/°C |
| Poids du bras (1.5 m, 50 mm de diamètre extérieur) | 1.1 kg | 2.8 kg | 2.9 kg |
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