Optimisation et étalonnage d’un Robot Sériel pour l’Impression 3D

Rolland, Evan (2025). Optimisation et étalonnage d’un Robot Sériel pour l’Impression 3D. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

Prévisualisation

PDF Télécharger (6MB) | Prévisualisation

Résumé

Ce mémoire présente une approche pour augmenter les capacités de l’impression 3D par photopolymérisation de cuve (VPP) à l’aide d’un bras robot sériel.

Le premier volet présente un dispositif d’étalonnage fondé sur une sonde TriCal (trois comparateurs linéaires orthogonaux) fixée sur le bac de résine via un couplage cinématique positionnable en trois orientations répétables. Un outil d’étalonnage monté sur le robot porte trois billes de précision servant de référence pour la mesure. Par un recentrage itératif automatique, le robot aligne successivement chacune des billes sur l’origine de la sonde, pour un ensemble de postures (bras + rail) choisies soigneusement. Le modèle géométrique s’appuie sur la convention MDH modifiée et un terme de compliance articulaire pour tenir compte des effets de la gravité sur le bras robot. Sur environ 3 300 configurations mesurables simulées, 40 sont sélectionnées par analyse d’observabilité (indice ▯1) et algorithme DetMax, puis enchaînées par résolution d’un TSP et planification sans collision. L’identification itérative (moindres carrés linéarisés) porte sur 34 paramètres (bras, rail, pose du bac). Une validation indépendante par laser tracker montre une amélioration de l’exactitude relative dans le repère du bac de 1,272 mm à 0,271 mm sur des poses aléatoires, et à 0,220 mm en moyenne le long d’un chemin d’impression représentatif, comparable a des épaisseurs de couche de l’ordre de quelques dizaines de micromètres.

Le second volet traite l’optimisation de l’étape d’impression. La chaîne cinématique est inversée : la bride est fixée au monde et le « TCP » est la zone de polymérisation au fond du bac. Un degré de liberté virtuel de rotation d’écran (SLA) est ajouté, portant le système à 8 DDL. La cinématique inverse est résolue sous contraintes (tolérance de pose, butées, non-collision, continuité) et évaluée par des métriques multi-objectifs : manipulabilité, marge normalisée aux butées, et sensibilité. L’algorithme suit une stratégie déterministe : balayage discret de l’orientation globale de la pièce, échantillonnage initial par séquences de Halton, filtrage de faisabilité sur trajectoire raréfiée, puis raffinement et classement multi-critères. Cette chaîne permet d’éliminer rapidement les orientations non faisables et de retenir des trajectoires d’impression offrant une bonne faisabilité et robustesse des trajectoires d’impression, en tirant partie de la redondance du robot.

Les contributions majeures sont : une méthode de calibration adaptée à la VPP robotisée validée expérimentalement ; un cadre d’optimisation multi-objectifs reproductible, compatible avec un modèle calibré ; et des perspectives concrètes (augmentation des capacités de l’impression VPP, résolution de redondance privilégiant le rail, recalibrations périodiques) pour un déploiement industriel.

Titre traduit

Calibration and optimization of a serial robot for 3D printing

Résumé traduit

This thesis presents an approach to extend the capabilities of vat photopolymerization (VPP) 3D printing using a serial robotic arm.

The study is structured in two parts. The first introduces a semi-automated, low-cost, and portable calibration method. A TriCal probe (three orthogonal dial indicators) is mounted on the resin vat through a kinematic coupling that can be repositioned in three repeatable orientations. A calibration tool carried by the robot holds three precision spheres serving as measurement references. Through iterative automatic recentering, the robot successively aligns each sphere with the probe origin across a carefully chosen set of joint–rail postures. The geometric model relies on the modified Denavit–Hartenberg convention and incorporates a joint compliance term to account for gravity effects on the robot. From roughly 3,300 measurable configurations in simulation, 40 poses are selected using observability analysis (index ▯1) and a DetMax algorithm, then sequenced via a Traveling Salesman Problem solver and collision-free planning. Iterative parameter identification (linearized least squares) covers 34 parameters (arm, rail, vat pose). Independent validation with a laser tracker shows an improvement in relative accuracy in the vat frame from 1.272 mm to 0.271 mm on random poses, and to 0.220 mm on average along a representative printing path.

The second part addresses optimization of the printing stage. The kinematic chain is inverted : the robot flange is fixed to the world, and the “TCP” corresponds to the polymerization zone at the vat bottom. A virtual degree of freedom for screen rotation (SLA) is introduced, bringing the system to 8 DOFs. Inverse kinematics is solved under constraints (pose tolerance, joint limits, collision avoidance, continuity) and evaluated through multi-objective metrics : translational and rotational manipulability, normalized joint-limit margin, and positional/angular sensitivity. The algorithm follows a deterministic coarse-to-fine strategy : discrete sweeping of global part orientations, initial sampling via Halton sequences, feasibility filtering on a sparsified trajectory, then refinement and multi-criteria ranking. This pipeline rapidly eliminates infeasible orientations and selects printing trajectories with wide joint margins and low error amplification at the contact point.

The main contributions are : a calibration method tailored to robotized VPP and validated experimentally; a reproducible multi-objective optimization framework consistent with a calibrated model ; and concrete perspectives (enhanced VPP capabilities, redundancy resolution favoring the rail axis, periodic recalibration) toward industrial deployment.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Mémoire par articles présenté à l’École de technologie supérieure comme exigence partielle à l’obtention de la maîtrise avec mémoire en génie de la production automatisée". Comprend des références bibliographiques (pages 105-116).
Mots-clés libres:	impression 3D, photopolymérisation de cuve, robot sériel, calibration robot, optimisation multi-objectif, cinématique inverse, planification de trajectoire
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Bonev, Ilian
Programme:	Maîtrise en ingénierie > Génie de la production automatisée
Date de dépôt:	22 déc. 2025 15:20
Dernière modification:	22 déc. 2025 15:20
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/3753

Gestion Actions (Identification requise)

Dernière vérification avant le dépôt