de pièces tridimensionnelles

La présente invention concerne de manière générale le domaine du traitement et du revêtement de surfaces de pièces par une installation automatisée, en particulier l’impression par projection de motifs sur des surfaces de formes complexes, notamment tridimensionnelles, et a pour objet une installation d’impression et/ou de revêtement de telles surfaces de pièces, préférentiellement en mettant en œuvre des moyens d’impression du type à jet d’encre.

Les pièces concernées peuvent notamment consister en des pièces d’habillage intérieur automobile.

De manière connue et comme l’illustrent, par exemple, les publications DE 10 2012 212 469 Al, US 2009/0167817 Al, EP 2 873 496 Al, et EP 0 931 649 Al, pour imprimer une pièce par des moyens d’impression du type jet d’encre, la tête d’impression qui éjecte la substance de revêtement, telle que de l’encre, peut être déplacée par un bras robotisé relativement à une pièce qui reste fixe.

Toutefois, les moyens d’impression, qui incorporent le plus souvent un ensemble quadri-chromique, sont en général volumineux, et il est alors compliqué de les déplacer, surtout à vitesse élevée. Cela est d’autant plus vrai, lorsque ces moyens d’impression sont, en plus, associés à un module de séchage au moins partiel des gouttes de la substance déposées sur la surface, disposé directement sous la tête d’impression. En outre, les têtes d’impression peuvent être soumises à des perturbations ou à des variations de position du fait du déplacement rapide du bras robotisé. Pour limiter ces perturbations, il est alors nécessaire de limiter la vitesse de déplacement du bras robotisé, ce qui réduit la cadence, ainsi que l’efficacité industrielle. Par ailleurs, des variations brutales de l’orientation de la tête d’impression ont pour conséquence d’impacter la qualité de l’impression. En effet, à l’intérieur de la tête d’impression l’air est en légère dépression pour empêcher que la substance ne s’écoule par gravité. Or, des variations bmtales d’orientation, ont pour conséquence de modifier l’équilibre entre la pression atmosphérique et la pression à l’intérieur de la tête d’impression, et donc de perturber l’éjection de la substance. Enfin, il est également délicat d’embarquer l’unité d’alimentation en substance de la tête d’impression sur le bras robotisé. Pour pallier ces inconvénients, il a été proposé, en particulier par la demanderesse dans ses demandes de brevets français n° 17 50260, n° 17 51064 et n° 18 54024, la mise en œuvre d’installations dans lesquelles la tête d’impression et les moyens de séchage sont fixes, c’est-à-dire immobiles et statiques, et seule la pièce est déplacée lors de l’impression, en étant montée sur un bras robotisé multiaxe.

Dans ces installations également, les moyens d’impression consistent en une unique tête d’impression couleur quadri-chromique qui, vue de face, présente généralement une configuration des buses ou orifices d’éjection des différentes couleurs telle que représentée figure 1 (B = noir ; Y = jaune ; C = cyan ; M = magenta).

Ces orifices sont arrangés en lignes superposées verticalement (axe Z) avec une alternance des couleurs projetées et l’écartement « e » entre buses de même couleur, appartenant à deux lignes de buses successives de l’empilement, détermine la résolution de l’impression.

Une telle tête d’impression quadri-chromique présente toutefois un certain nombre d’inconvénients comme indiqué ci-après.

Ainsi, elle présente un encombrement (hauteur) important dans la direction Z (direction verticale généralement). Cette caractéristique entraîne des problèmes de qualité et d’homogénéité d’impression du fait des variations de vitesse de déplacement de la pièce (arrimée au bras robot). De plus, du fait de l’alternance par couleur des lignes de buses, les distances relativement importantes séparant deux lignes successives délivrant la même couleur rendent difficile la synchronisation mutuelle de ces lignes de buses de même couleur. La qualité d’impression résultante sur les surfaces tridimensionnelles n’est de ce fait pas optimale. Enfin, l’ordre de succession des couleurs est imposé physiquement par l’affectation par couleur des lignes de buses et la résolution limitée de la tête quadri-chromique oblige de réaliser plusieurs passes d’impression pour obtenir une bonne qualité d’impression, d’où il résulte une perte de temps importante.

Par le document US 9 266 354, on connaît une installation d’impression comprenant une pluralité de têtes d’impression bi- chromatiques ou monochromatiques et de moyens de séchage/réticulation montés selon une disposition circulaire sur une structure support fixe.

La pièce à décorer est, quant à elle, déplacée devant les têtes d’impression et les moyens de séchage/réticulation, par un dispositif de support comprenant une première unité de déplacement en translation et des deuxième et troisième unités de déplacement en rotation, autour d’axes de pivotement non parallèles entre eux et dont l’un est confondu avec l’axe de translation de la première unité.

Cette installation présente une structure complexe et relativement encombrante, avec en plus une limitation importante en termes de variétés de formes de surfaces tridimensionnelles pouvant être traitées. Enfin, elle présente une multitude de positions d’impression et de séchage, correspondant aux différentes positions des têtes et moyens précités.

La présente invention a pour but de pallier au moins les principaux inconvénients énoncés ci-dessus.

A cet effet, elle a pour objet une installation d’impression et/ou de revêtement de surfaces de pièces, en particulier de surfaces tridimensionnelles, cette installation comprenant essentiellement :

- un support de pièce, apte à recevoir et à maintenir une pièce à décorer ou à revêtir et monté sur un dispositif de déplacement à au moins cinq degrés de liberté, tel que par exemple un bras robot six axes,

- des moyens d’impression par projection d’encre ou analogue, consistant en au moins une tête d’impression,

- des moyens capteurs, aptes à mesurer des paramètres de positionnement et/ou de déplacement de la pièce, en particulier des vitesses de déplacement et/ou des coordonnées de positionnement,

- éventuellement des moyens de séchage et/ou de réticulation, au moins partiel(le), des substances projetées sur la surface de la pièce à décorer,

- des moyens de calcul, de gestion et de commande aptes et destinés à exploiter les signaux délivrés par les moyens capteurs et à commander au moins les moyens d’impression et le dispositif de déplacement,

les moyens d’impression, les moyens capteurs et les éventuels moyens de séchage étant arrangés côte à côte, par exemple de manière superposée, sur une structure support fixe, tel qu’un socle, un montant, un portique ou analogue,

le dispositif de déplacement et la structure de support étant disposés mutuellement en regard et un repère spatial étant affecté à ladite structure support fixe, avec un premier axe déterminant la distance entre le dispositif de déplacement et ladite structure de support, un deuxième axe correspondant à la direction d’empilement des moyens d’impression, capteurs et éventuellement de séchage et un troisième axe perpendiculaire aux deux axes précédents,

installation d’impression caractérisée en ce que les moyens d’impression consistent en au moins deux têtes d’impression monochromatiques ou bi-chromatiques mobiles, en rotation et/ou en translation, avec au moins un degré de liberté, lesdites têtes pouvant être déplacées sélectivement, une par une, vers une position spatiale déterminée autorisant l’impression de la surface de la pièce, ce sous le contrôle des moyens de calcul, de gestion et de commande, et en accord avec des données préprogrammées, par exemple un programme d’impression, déterminant également le déplacement de la pièce relativement à la structure support et à la position spatiale déterminée.

L'invention sera mieux comprise, grâce à la description ci- après, qui se rapporte à des modes de réalisation préférés, donnés à titre d'exemples non limitatifs, et expliqués avec référence aux dessins schématiques annexés, dans lesquels :

la figure 2 est une vue schématique d’ensemble en élévation latérale d’une installation d’impression selon un mode de réalisation de l’invention ;

les figures 3A à 3C sont des vues partielles en élévation latérale (3A), en élévation frontale (3B) et de dessus (3C) du détail A de la figure 2, correspondant à la partie de l’installation regroupant les moyens d’impression, capteurs et de séchage, en accord avec une première variante de réalisation de l’invention (déplacement en translation, selon un axe, des têtes d’impression alignées) ;

les figures 4A et 4B illustrent, avec des vues similaires à celle de la figure 3B, deux séquences consécutives d’impression avec deux têtes monochromatiques de couleurs différentes ;

les figures 5A à 5C sont des vues partielles en élévation latérale (5A), en élévation frontale (5B) et de dessus (5C) du détail A de la figure 2, en accord avec une seconde variante de réalisation de l’invention (répartition circulaire et déplacement en rotation autour d’un axe des têtes d’impression) ;

les figures 6A et 6B sont des vues partielles en élévation latérale (6A) et frontale (6B) du détail A de la figure 2, en accord avec une troisième variante de réalisation de l’invention (déplacement en translation, selon deux directions perpendiculaires, des têtes d’impression alignées) ; la figure 7 est une vue en perspective et par transparence d’une partie du détail A de la figure 2, montrant les moyens d’impression et leur logement dans la structure support, en accord avec une quatrième variante de réalisation de l’invention (les têtes d’impression étant déplaçables selon trois directions mutuellement orthogonales) ;

la figure 8 illustre, schématiquement et de manière comparative, respectivement les distances D et d entre rangées de buses de projection d’une même couleur, en relation avec une tête d’impression quadri-chromique selon l’état de la technique et en relation avec une tête d’impression monochromatique selon l’invention ;

les figures 9A et 9B illustrent schématiquement les écarts entre deux rangées de buses et les écarts résultants en termes de résolution d’impression sur une surface non plane, pour une tête quadri-chromique de l’état de la technique (9A) et pour une tête monochromatique selon l’invention (9B) ;

la figure 10 illustre schématiquement, au moyen de vues de face des structures supports d’une illustration d’impression, les différences d’encombrement vertical entre une tête quadri-chromique de l’état de la technique (à gauche) et une tête monochromatique, simple ou double (bi-chromatique), selon l’invention (à droite), et,

la figure 11 illustre schématiquement sous la forme d’une vue d’ensemble partielle un autre mode de réalisation d’une installation d’impression selon l’invention.

Les figures 2 et 11 montrent une installation 1 d’impression et/ou de revêtement de surfaces 2’ de pièces 2, en particulier de surfaces non planes ou tridimensionnelles, cette installation 1 comprenant essentiellement :

- un support de pièce 3, apte à recevoir et à maintenir une pièce 2 à décorer ou à revêtir et monté sur un dispositif de déplacement 4 à au moins cinq degrés de liberté, tel que par exemple un bras robot six axes,

- des moyens 5 d’impression par projection d’encre ou analogue, consistant en au moins une tête d’impression 6 ou 7,

- des moyens capteurs 8, aptes à mesurer des paramètres de positionnement et/ou de déplacement de la pièce 2, en particulier des vitesses de déplacement et/ou des coordonnées de positionnement, - éventuellement des moyens 9 de séchage et/ou de réticulation, au moins partiel(le), des substances projetées sur la surface 2’ de la pièce 2 à décorer,

- des moyens 10 de calcul, de gestion et de commande aptes et destinés à exploiter les signaux délivrés par les moyens capteurs 8 et à commander au moins les moyens d’impression 7 et le dispositif de déplacement 4.

Les moyens d’impression 7, les moyens capteurs 8 et les éventuels moyens de séchage 9 sont arrangés côte à côte, par exemple de manière superposée, sur une structure support 11 fixe, tel qu’un socle, un montant, un portique ou analogue.

Le dispositif de déplacement 4 et la structure de support 11 sont disposés mutuellement en regard et un repère spatial X, Y, Z est affecté à ladite structure support 11 fixe, avec un premier axe X déterminant la distance entre le dispositif de déplacement 4 et ladite structure de support 11, un deuxième axe Z correspondant à la direction d’empilement des moyens d’impression, capteurs et éventuellement de séchage 5, 8, 9 et un troisième axe Y perpendiculaire aux deux axes précédents X et Z.

Conformément à l’invention et comme cela ressort des figures 3 à 10, les moyens d’impression 5 consistent en au moins deux têtes d’impression monochromatiques 6 ou bi-chromatiques 7 mobiles, en rotation et/ou en translation, avec au moins un degré de liberté, lesdites têtes 6, 7 pouvant être déplacées sélectivement, une par une, vers une position spatiale déterminée PSD autorisant l’impression de la surface 2’ de la pièce 2, ce sous le contrôle des moyens 10 de calcul, de gestion et de commande, et en accord avec des données préprogrammées, par exemple un programme d’impression, déterminant également le déplacement de la pièce 2 relativement à la structure support 11 et à la position spatiale déterminée PSD.

Grâce aux dispositions précitées, l’invention permet de s’affranchir des inconvénients liés à une tête d’impression multicouleurs de grand encombrement selon l’axe d’empilement des moyens 5, 8, 9 (axe Z sur les figures) et dont les lignes de buses de même couleur sont espacées de manière conséquente.

En outre, la définition, pour les différentes têtes 6, 7 des moyens 5, d’une unique position spatiale PSD autorisant l’impression permet de simplifier et de rendre plus précise la cinématique de déplacement et de positionnement relatifs des différentes têtes 6, 7 par rapport à la pièce 2 en mouvement lors du déroulement de l’impression.

Enfin, en permettant un rapprochement des lignes de buses ou d’orifices d’éjection 13 analogues, allouées à la même couleur, la résolution obtenue sera nettement plus élevée (cf. figures 8 à 10). La position PSD est normalement alignée et immédiatement adjacente avec celles des moyens capteurs et de séchage 8 et 9 pour une plus grande simplicité constructive et une meilleure efficacité.

Dans le mode de réalisation de la figure 2, et dans les variantes des figures 3 à 7, les têtes d’impression 6, 7 demeurent au moins partiellement dans la structure support 11 bien qu’étant mobiles par rapport à cette dernière.

En accord avec une première variante de réalisation et comme illustré sur les figures 3, les têtes d’impression 6, 7 peuvent être arrangées côte à côte linéairement selon le troisième axe Y et être mobiles ensemble en coulissement selon cet axe Y, ce sous l’effet d’un actionneur translatif adéquat piloté par les moyens 10 de calcul, de gestion et de commande.

Les différentes têtes monochromes 6 peuvent faire partie d’un même module formant tête multiple 5 en forme de barre, et être arrangées en ligne selon une direction horizontale (axe Y sur les figures), donc avec un encombrement vertical (axe Z sur les figures) minimal. Le guidage du bloc de têtes 6 en translation peut se faire à l’aide d’un rail, d’une glissière ou analogue faisant partie de la structure 11.

Les moyens capteurs 8 et de séchage 9 sont normalement montés fixes sur ladite structure 11, mais peuvent également être prévus mobiles, à l’instar des têtes d’impression 6, pour augmenter d’avantage encore la précision de traitement.

Les figures 4A et 4B illustrent deux étapes opératoires successives d’un processus d’impression d’une surface 2’ à l’aide d’une installation 1 selon la figure 1 et comportant des moyens d’impression 5 selon les figures 3 A à 3C.

Dans la première étape (figure 4 A), la tête d’impression 6, 7 affectée à la couleur cyan vient se positionner par translation selon l’axe Y (direction horizontale) à la verticale et dans l’axe du moyen capteur 8 et du moyen de séchage/réticulation 9 (position PSD). Le bras robot multiaxe 4 déplace la pièce 2 devant ladite tête 6, 7 qui projette l’encre couleur cyan sur la surface 2’ à imprimer selon un programme d’impression prédéfini, exécuté par les moyens 10 de calcul, de gestion et de commande qui exploitent aussi les informations fournies par les moyens capteurs 8 concernant la position relative et les paramètres de déplacement de la pièce

2.

Les moyens de séchage/réticulation 9 assurent la fixation et la solidification au moins partielle des gouttes déposées.

Sous la commande des moyens 10, la tête multiple 5 en forme de barre est alors déplacée d’un cran, par entraînement par l’intermédiaire d’un actionneur linéaire (non représenté), de telle manière que la tête 6, 7 affectée à la couleur magenta se retrouve en position PSD. A nouveau, l’encre est projetée selon un programme prédéfini alors que la pièce 2 se déplace devant la tête 6, 7 active (tête magenta) et les gouttes sont séchées par les moyens 9. Ces étapes se répètent ensuite pour les deux autres couleurs, pour achever le cycle d’impression.

Eventuellement, l’ensemble du cycle d’impression peut être répété avec un très faible décalage volontaire des têtes d’impression 6, 7 (par rapport à leur position durant le cycle précédent d’impression), ce afin d’obtenir une résolution encore meilleure.

Selon une deuxième variante de réalisation, illustrée aux figures 5, il peut être prévu que les têtes d’impression 6, 7 soient arrangées circulairement autour du deuxième axe Z et soient mobiles ensemble en rotation autour de cet axe Z, ce sous l’effet d’un actionneur rotatif adéquat (non représenté) piloté par les moyens 10 de calcul, gestion et de commande.

A l’instar de la variante précitée, le processus d’impression est réalisé par étapes successives en faisant pivoter le module regroupant les différentes têtes 6 d’une fraction de tour (ici un quart de tour) autour de l'axe Z.

Comme précédemment, les moyens capteurs et de séchage 8 et 9 sont normalement fixes, mais peuvent être conçus mobiles concomitamment avec les têtes d’impression 6.

Conformément à une caractéristique additionnelle par rapport aux deux variantes précitées, et compatible avec elles, il peut être prévu que chacune des têtes d’impression 6, 7 soit également mobile individuellement, sous l’effet d’un actionneur piloté adéquat (non représenté), propre à chaque tête 6, 7 ou commun à toutes les têtes 6, 7, en coulissement selon le premier axe X (non représenté). II en résulte une plus grande flexibilité de manœuvre et d’application, ainsi qu’une plus grande maîtrise, un meilleur contrôle et une plus grande souplesse en termes de distance de projection.

En accord avec une troisième variante constructive de l’invention, représentée sur les figures 6, les têtes d’impression 6, 7 peuvent être arrangées côte à côte linéairement selon le deuxième axe Z et être, d’une part, mobiles ensemble en coulissement selon cet axe Z et, d’autre part, mobiles individuellement en coulissement selon le premier axe X, ce sous l’effet d’actionneurs translatifs adéquats (non représentés) pilotés par les moyens 10 de calcul, de gestion et de commande (par exemple un automate), auxquels peut être associée une console 10' de commande et de programmation.

La séquence de commande des têtes d'impression 6, 7 comporte avantageusement, de manière successive, d'abord un coulissement selon l'axe Z pour la sélection de la couleur à appliquer, puis un coulissement selon l'axe X pour amener l'orifice d'éjection 13 (buse) concerné près de la surface à décorer.

Enfin, et comme illustré sur la figure 7, il peut aussi être prévu que les têtes d’impression 6, 7 soient montées sur ou dans la structure de support 11 avec faculté de déplacement en coulissement, individuellement, selon les trois axes X, Y et Z, ce sous l’effet d’actionneurs translatifs adéquats pilotés par les moyens 10 de calcul, de gestion et de commande.

L’homme du métier comprend que les orientations verticale Z et horizontale XY représentées sur les figures ne le sont qu’à titre d’exemple le plus courant. En effet, et en accord avec une construction et une orientation adéquate du dispositif 4 de déplacement de la pièce 2, ces axes X, Y et Z peuvent être intervertis, l’axe Z ne correspondant alors plus à la direction verticale (variante non représentée).

De manière avantageuse, la structure de support 11 est pourvue d’un capotage 12 avec une ouverture 12’ matérialisant la position spatiale déterminée autorisant l’impression PSD, cette ouverture 12’ autorisant le cas échéant le passage d’une tête d’impression 6, 7.

Par ailleurs, compte tenu de l’arrangement superposé verticalement des moyens 5, 8 et 9, la structure support 11 avec le capotage 12 présente avantageusement une forme en colonne, simple et peu encombrante. En accord avec un second mode de réalisation de l’installation 1, illustré schématiquement sur la figure 11, la structure support 11 consiste en une baie ou une étagère de stockage d’une station de maintenance des têtes d’impression 6, 7, et ladite installation 1 comprend un second dispositif de déplacement 4’ à au moins cinq degrés de liberté, préférentiellement un second bras robot six axes, configuré pour déplacer sélectivement une tête d’impression 6, 7 depuis son emplacement dans la baie ou l’étagère de stockage 11 vers la position spatiale déterminée PSD, et vice versa, ce sous le contrôle des moyens 10 de calcul, de gestion et de commande. Ladite tête d’impression 6, 7 peut être maintenue à cette position PSD durant le déroulement de l’opération d’impression ou de revêtement avec cette tête 6, 7, ou éventuellement être déplacée en adéquation avec le déplacement de la pièce 2.

Avantageusement, le second bras robot 4’, est équipé, au niveau de son extrémité libre, d’un chargeur d’outil automatique 14, avec son dispositif de pilotage automatique, sur lequel peut être montée, temporairement et de manière interchangeable, la tête d’impression 6, 7 sélectionnée pour l’opération d’impression prévue, la gestion du fonctionnement de chaque tête d’impression 6, 7 et de la circulation d’encre, en adéquation avec les éventuels mouvements du bras robot 4’ porteur étant réalisée par les moyens 10.

Quand elle n’est pas en utilisation, chaque tête d’impression 6, 7 est, dans ce deuxième mode de réalisation de l’installation, stockée dans la structure support 11 (dont la taille et le nombre d’emplacements de réception est adapté aux besoins en termes qualitatifs et quantitatifs).

Chaque tête d’impression 6, 7 peut être en recirculation d’encre ou pas, la gestion des dépressions est informatisée (moyens 10) et s’adapte en temps réel aux mouvements du robot 4’, et aux orientations de la tête 6, 7 concernée.

Le montage de chaque tête 6, 7 sur son changeur d’outil automatique 14 autorise une orientation quelconque de la tête montée pour travailler dans l’ensemble de la sphère d’action du robot 4’.

Pour mettre en œuvre une couleur d’impression, le robot 4’ prend la tête 6, 7 de la couleur correspondante dans le rack de stockage 11 grâce au changeur d’outil automatique 14.

Les paramètres de contrôle de l’encre et de la tête d’impression sont avantageusement adaptés en temps réel pour compenser les mouvements du poignet du robot 4’ lorsque la tête est mise en mouvement au bout du poignet du robot.

Dans le cadre de ce second mode de réalisation de l’invention, l’homme du métier comprend que chaque tête d’impression 6, 7 peut être utilisée dans les deux configurations suivantes, à savoir :

- la tête mise en œuvre est positionnée par le robot en tant que tête d’impression fixe (principe Impression Pièce Portée, la pièce sera déplacée devant la tête fixe par l’autre robot 4). La possibilité de faire varier la position de travail fixe pour morphologie de pièce à traiter permet de simplifier grandement la programmation des trajectoires du robot chargé de réaliser les trajectoires d’impression,

- la pièce 2 est portée par un premier robot 4, la tête d’impression est portée par un second robot 4’ et les deux robots 4 et 4’ travaillent en collaboration sous le contrôle des moyens 10. Cela ouvre la possibilité de traiter des pièces beaucoup plus volumineuses, et sur toutes leurs faces.

Préférentiellement, les différentes têtes d’impression 6, 7 présentent toutes des constructions et des formes extérieures similaires.

Selon un premier mode de réalisation, ressortant des figures 3 à 7, l’installation 1 comporte de manière préférée, quatre têtes d’impression 6 monochromatiques, chaque tête 6 comportant au moins deux rangées parallèles d’orifices 13 d’éjection d’encre de la même couleur (voir notamment figures 8 et 9). Lorsqu'une résolution d'impression très élevée est recherchée, chaque tête 6 peut en variante ne comporter qu'une seule rangée d'orifices 13 pour une couleur donnée.

Conformément à un second mode de réalisation, représenté partiellement sur la figure 10, l’installation 1 peut comporter deux têtes d’impression 7 bi-chromatiques, chaque tête 7 étant constituée par l’assemblage de deux têtes monochromatiques 6 comportant chacune deux rangées d’orifices 13 d’éjection d’encre de même couleur.

La réalisation pratique des moyens 4, 4’, 5, 8, 9 et 12, ainsi que la conception des programmes de pilotage et d’impression, sont à la portée de l’homme du métier, en particulier des spécialistes de l’automatisme et des systèmes d’impression automatisée.

De manière avantageuse, l’installation 1 peut exploiter les vitesses instantanées de fractions du surface 2’ de la pièce 2 en déplacement (acquises par les moyens capteurs 8 et exploités par les moyens 10) pour gérer le cycle d’impression, comme mentionné dans la demande de brevet français n° 18 54024 au nom de la demanderesse, à titre d’exemple illustratif (cf. figure 2 notamment).

De même, les moyens 9 de séchage/ou de réticulation peuvent avantageusement comprendre une source de rayonnement avec des moyens de réglage du faisceau comme décrits et représentés dans la demande de brevet français n° 17 50260 au nom de la demanderesse, à titre d'exemple illustratif.

Bien entendu, l'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits et représentés aux dessins annexés. Des modifications restent possibles, notamment du point de vue de la constitution des divers éléments ou par substitution d'équivalents techniques, sans sortir pour autant du domaine de protection de l'invention.