Jak roboty pomáhají zvyšovat přesnost aditivní výroby

Obrázek 1: Hladká povrchová úprava po následném zpracování. Obrázek poskytla společnost FANUC/RIA Obrázek 1: Hladká povrchová úprava po následném zpracování. Obrázek poskytla společnost FANUC/RIA

Robotika a další technologické novinky zlepšují přesnost a umožňují robotům zvyšovat preciznost a vyrábět větší díly pro aplikace aditivní výroby.

Roboty stále více usnadňují aditivní výrobu, což umožňuje zvyšovat efektivitu, přesnost a velikost vytvářených dílů. V tomto rostoucím segmentu zdokonalují dlouhodobí lídři v oboru i začínající společnosti výsledky aditivní výroby (3D tisk) pomocí robotů.

Dvěma společnostmi, které vyrábějí jednotlivé díly s pomocí robotů, jsou Arevo, start-up ze Silicon Valley, a Fanuc America. Také další firmy inovují v této oblasti a pracují na vytváření větších dílů a na odstraňování slabých spojů. Physik Instrumente (PI), německá společnost s americkým sídlem v Auburnu ve státě Massachusetts, se snaží o submikrometrovou přesnost svých dílů, což zase umožňuje výrobcům aditivních materiálů dosahovat vyšší přesnosti při aditivní výrobě.

CTL2101 MAG1 RIA Fig6Obrázek 2: Operátor sledující proces WAAM prováděný kolaborativním robotem. Obrázek poskytla společnost FANUC/RIA

Maximalizace automatizace hned od začátku

Společnost Arevo, která byla založena v roce 2013 jako start-up, vyvíjí technologii přímé digitální výroby pevných a lehkých dílů na zakázku pro řadu zákazníků. Wiener Mondesir, spoluzakladatel a technologický ředitel této společnosti ze Silicon Valley, popsal, jak její patentovaný software Xplorator umožňuje vytvářet lehké kompozity z uhlíkových vláken.

Jeho partneři se shodli na tom, že „software významně rozvine naše schopnosti, když nám umožní vidět reálné podmínky zatížení a navrhnout správnou orientaci vláken“.

Xplorator otevřel dveře k druhému cíli zakladatelů, kterým bylo odstranění ručních postupů. „Musel existovat způsob, jak to udělat automatizovaně, abyste měli volné ruce,“ podpořil myšlenku Mondesir.

CTL2101 MAG1 RIA Fig3Obrázek 3: Hlava DED (Direct Energy Deposition – přímé energetické nanášení) společnosti Arevo umožňuje výrobu vysoce kvalitních kompozitních dílů ve velkém měřítku. Obrázek poskytla společnost Arevo Labs/RIA

„V roce 2014 končila platnost patentů a hnutí tvůrců bylo v plném proudu,“ dodal. Dalším krokem společnosti Arevo bylo najít nejlepší způsob stavby dílů pomocí softwarového modelování. Klíčem ke stavbě kompozitních konstrukcí byl 3D tisk.

„Kdybychom jej přizpůsobili pomocí softwaru, mohli bychom pochopit, jak orientovat vlákna, a vytvořit takovou strukturu, která by splňovala jakékoli předem stanovené vlastnosti materiálu nebo součásti,“ popsal situaci Mondesir. „Proto jsme sestrojili stroj, který to v podstatě umožňuje.“ Nejnovější iterací je tiskárna uhlíkových vláken Aqua 2.

Mondesir uvedl, že třetí důležitou věcí pro rozvoj společnosti Arevo jsou její materiály. 3D tisk se nejprve používal pro prototypy, ale nyní bylo cílem tisknout komponenty pro výrobu.

„Ve výrobě je potřeba pochopit, jak bude díl fungovat v reálném světě, pokud jde o kvalitu, konzistentní opakovatelnost, přesnost, rozměrovou toleranci a zajištění kvality, takže jsme museli vyřešit problém s procesem. Pro nás jako start-up to bylo velké sousto najednou. Byli jsme ambiciózní a rozhodli jsme se, že chceme řídit svou vlastní cestu tím, že rozšíříme design na výrobu,“ doplnil Mondesir.

Poté, co společnost Arevo vytvořila první prototypy, přidala roboty, které umožňují více přístupů a schopnost orientace v 3D prostoru. Použití kompozitů z uhlíkových vláken umožňuje společnosti Arevo zkrátit proces od konceptu k funkčnímu výrobku. Její průmyslový 3D tiskový systém s kontinuálním vláknem dokáže tisknout díly o objemu až jeden metr krychlový. 

CTL2101 MAG1 RIA Fig4Obrázek 4: Zakázkový portál pro laserové obrábění desek plošných spojů a elektronických součástek. Obrázek poskytla společnost Physik Instrumente (PI)/RIA

Klíčová vítězství na cestě

Společnost Arevo přijímá objednávky od zákazníků na díly a pokračuje ve vývoji nových způsobů využití uhlíkových kompozitů, přičemž každý měsíc pořádá hackathony. Na základě těchto hackathonů vyvinula dobře přijímanou tenisovou raketu a nábytek z kontinuálních uhlíkových vláken. V rámci samostatné iniciativy vyvinula společnost Arevo v letošním roce jízdní kolo z uhlíkových vláken s názvem Superstrata, které vzniklo jako prezentace technologií a produktových možností, nicméně má také zajímavé uplatnění na trhu. Jeho rám je vyroben z jediného kusu uhlíkového vlákna, je navržen pomocí programu Xplorator společnosti Arevo a vytištěn na platformě Aqua. Každé jízdní kolo je vyrobeno na míru pro různé délky nohou a velikosti postavy.

Společnost Arevo rozšiřuje svou tiskovou kapacitu z pěti strojů Aqua na své výrobní farmě v kalifornském Milpitas o 15 strojů Aqua na nové výrobní farmě ve Vietnamu. Výrobní farma ve Vietnamu se má rozrůst na 100 strojů. „Je to asi jediná země, která je v této době pandemie covidu-19 otevřená a jde kupředu; shodou okolností je odtud i náš generální ředitel.“

Klíčové je rychlé přepracování designu a rychlá obrátka. Mondesir tvrdí: „Pokud se dokážete pohybovat touto rychlostí, máte možnost měnit věci za pochodu, a pokud něco nefunguje, provedete změnu a pokračujete. To vše umožňuje automatizace.“

CTL2101 MAG1 RIA Fig5Obrázek 5: Aditivní výroba v nanosvětě. Stolní tiskárna TERA-Fab pro nanostruktury využívá kompaktní 3D piezoelektrický nanopolohovací stůl (model P-611 PI NanoCube) k polohování podkladového dílu pod soustavou paprskových per. Obrázek poskytla společnost TERA-print/RIA

Aditivní výroba velkých dílů navařováním kovového drátu

Společnost Fanuc America se sídlem v Rochester Hills v Michiganu je první výrobce robotů v USA a má širokou škálu zákazníků v automobilovém a leteckém průmyslu, v oblasti zemědělských zařízení a v mnoha dalších odvětvích. Její mateřská společnost Fanuc byla založena v Japonsku v roce 1956.

Společnost Fanuc America rovněž dodává leteckému průmyslu roboty pro aditivní výrobu nebo 3D tisk, a to ve spolupráci s partnery, kteří se specializují na integraci robotů pro stavbu automatizovaných systémů.

Nedávný pokrok v aditivní výrobě navařováním drátu (WAAM) umožňuje vytvářet velké díly s robotickou asistencí. Mark Scherler, generální ředitel společnosti Fanuc America, uvedl, že proces navařování drátu vytváří kovové díly vhodné pro automobily a letadla.

„Když lze na robot umístit vytlačovací hlavu, změní se tříosý systém na šestiosý,“ vysvětluje Scherler, „je tedy zřejmé, že s hlavou můžeme manipulovat poměrně mnoha způsoby pomocí robotických modelů, které poskytují větší obálku, než jakou umožňují standardní aditivní systémy. Takže můžete vyrábět větší díly.“

Scherler podotkl, že je nadšený novými možnostmi, které aditivní proces umožňuje, včetně flexibility designu, snížení hmotnosti a efektivnější stavby konstrukce. „Otevírá to spoustu nových nápadů pro výrobu.“ Na aditivní výrobu se zaměřuje jen část ze 100členného výzkumného a vývojového týmu společnosti Fanuc, ale toto zaměření se rozrůstá.

Scherler poukázal i na další okolnosti: „Před několika lety jsem o aditivní výrobě s použitím svařovacího drátu vůbec neuvažoval. Tento proces je však bezesporu natolik vyspělý, že jej lidé používají. A možnost nasadit jej na jednoho z našich robotů a vyrobit díl je docela vzrušující.“

Kromě toho společnost Fanuc přijala koncept kolaborativního robotu (cobotu), který umožňuje člověku komunikovat s robotem nebo stát v jeho blízkosti, a to bez standardního ohrazení mezi robotem a člověkem. Společnost Fanuc předváděla kolaborativní robot na výstavách, jako je Fabtech, kde navařováním WAAM vytvářel malé kovové díly typické pro letecký průmysl. Ve výrobě mohou být tyto díly vysoké tři až čtyři metry.

CTL2101 MAG1 RIA Fig6Obrázek 6: Stolní tiskárna TERA-Fab pro nanostruktury: 3D piezoelektrický nanopolohovací stůl pohybuje podkladovým dílem. Obrázek poskytla společnost RIA/TERA-print

Zvyšování přesnosti aditivních výrobních systémů

Physik Instrumente (PI), německá společnost s americkou pobočkou a sídlem v Auburnu ve státě Massachusetts, se zaměřuje na polohovací systémy, které umožňují vytvářet díly s nejvyšší přesností pro systémy aditivní výroby. Matthew Price, technický manažer pro přesnou automatizaci společnosti PI, upozornil na to, že v PI pracuje tým 40 až 50 lidí, kteří pro své zákazníky vytvářejí přesnější díly určené pro aditivní výrobu, často s prvky v mikrometrovém a submikrometrovém měřítku.

Price rovněž konstatoval: „Neprodáváme systémy aditivní výroby. Dodáváme lidem, kteří je staví. Kdybyste vzali do rukou díl, podívali se na něj a viděli vady, pravděpodobně jsme se na výrobě takového dílu nepodíleli.“

Společnost PI má plně vybavený software a hardware, které napomáhají aditivním výrobním systémům.

„Naše hlavní práce je zaměřena na výrobu našich automatizovaných platforem, přesných stolů, polohovacích systémů a softwaru pro podporu laserových procesů, vydávacích strojů a vytlačovacích strojů. Máme některé vlastní procesy, které nám pomáhají optimalizovat, zejména u aplikací pro vydávání materiálu. Naší hlavní náplní je však výroba hardwaru a softwaru, který slouží při výrobě pokročilých 3D tiskáren nebo vyspělých systémů aditivní výroby.“ Společnost PI často spolupracuje s velkými univerzitními výzkumnými centry a komerčními společnostmi v soukromém i veřejném sektoru, které pracují s extrémně malými prvky.

„Začínají se dostávat na prvky v měřítku pod 50 mikrometrů a pod 30 mikrometrů. Pak existují specializované laserové procesy, které dosahují ještě většího rozlišení prvků.“ Price poukázal na fotopolymerizaci jako na nejmodernější technologii, jelikož „dvoufotonová polymerizace umožňuje rozlišení až pod sto nanometrů“.

Cílem společnosti PI je nadále zvyšovat výkonnost výrobců, kteří používají roboty k aditivní výrobě. „Nebudeme mít takové zkušenosti s materiály a procesy jako oni. A oni zase nikdy nebudou mít takové odborné znalosti v oblasti přesné automatizace jako my. A když to spojíte dohromady, myslím, že dosáhnete nejlepšího výsledku.“

Laura Moretzová je přispěvatelka sdružení Robotic Industries Association (RIA) a magazínu Robotics Online. RIA je neziskové oborové sdružení zaměřené na zvyšování regionální, národní a globální konkurenceschopnosti severoamerických odvětví výroby a služeb prostřednictvím robotiky a související automatizace. Tento článek byl původně publikován na webové stránce sdružení RIA. RIA je součástí sdružení Association for Advancing Automation (A3), obsahového partnera vydavatelství CFE Media. Upravil Chris Vavra, ředitel pro webový obsah časopisu Control Engineering, CFE Media & Technology, Tato e-mailová adresa je chráněna před spamboty. Pro její zobrazení musíte mít povolen Javascript..

Control Engineering Česko

Control Engineering Česko je přední časopis o průmyslové automatizaci. Je vydáván v licenci amerického Control Engineering, které poskytuje novinky z této oblasti více než 60 let.

www.controlengcesko.com