Stavění budoucnosti s robotickou aditivní výrobou

Obrázek 1: Proces aditivní výroby využívá roboty vybavené laserovou hlavicí a nanášení rozehřátého drátu pro stavění kovového dílu vrstvu po vrstvě. Obrázek 1: Proces aditivní výroby využívá roboty vybavené laserovou hlavicí a nanášení rozehřátého drátu pro stavění kovového dílu vrstvu po vrstvě. Midwest Engineered Systems Inc./RIA

Aditivní výroba (AV) mění způsob, jakým uvažují technici a konstruktéři dílů. Roboty přispívají k větší použitelnosti této technologie tím, že stroje pro aditivní výrobu a související zpracování zrychlují a zpřesňují.

Aditivní výroba transformuje nejen způsob, jakým věci vyrábíme, ale mění i způsob uvažování techniků a konstruktérů dílů. Ti musejí zapomenout na omezení daná tradičními výrobními metodami a otevřít se novým možnostem designu. Očekává se, že právě tyto možnosti katapultují hodnotu trhu aditivní výroby do roku 2020 na 17 miliard dolarů. Existuje několik typů procesů aditivní výroby, včetně selektivního laserového spékání (SLS), stereolitografie (SLA) a modelování ukládáním taveniny (FDM).

Ty všechny jsou digitálními výrobními metodami, kde jsou na základě dat CAD (Computer-Aided Design) vytvářeny trojrozměrné objekty, a to postupným vrstvením materiálu, ať už jde o kapalinu, prášek, fólii nebo jiný materiál. Lze používat dokonce i lidskou tkáň. Aditivní výrobou se vytváří myriády struktur, od dentálních pomůcek přes komponenty letadel až po celé mosty, a dokonce i umělecká díla.

Roboty to pomáhají realizovat. Kromě toho, že umožňují praktickou realizaci aditivní výroby, dohlížejí na stroje 3D tisku (které jsou také robotické), automatizují následné zpracování aditivní výroby a umožňují konstruktérům vizualizovat nové způsoby výroby.

Vrstva za vrstvou

Ve společnosti Midwest Engineered Systems Inc. (MWES) ve městě Waukesha (stát Wisconsin) využívají laserovou aditivní výrobu pro vytváření komplikovaných kovových dílů, které by bylo jinak extrémně obtížné, ne-li nemožné vyrobit. Tento proces řídí šestiosý kloubový robot a kombinuje ukládání rozehřátého drátu a laserovou technologii pro výrobu kovových dílů vrstvu za vrstvou na stávajícím podkladovém dílu. S vysokou přesností rychlostí jsou ukládány exotické kovy za účelem výroby prototypů a malých sérií drahých a složitých dílů.

Společnost MWES, jež má za sebou více než 25 let zkušeností s integrací komplexních systémů, vyvinula tento proces, který byl představen na veletrhu International Manufacturing Technology Show 2016. V předváděcím stroji tam vrstvu za vrstvou získával svůj tvar lodní šroub.

Společnost MWES svůj systém pojmenovala ADDere. Toto označení pochází z latinského slova znamenajícího přidávat. Tento proces je podobný aditivní výrobě s drátem a laserem (Wire and Laser Additive Manufacturing – WLAM), při níž je kovový drát přiváděn do tavicího lože vytvářeného laserovým paprskem na podkladovém dílu. Drát a podkladový díl následně vytvoří metalurgický spoj. Rozdíl spočívá v tom, že WLAM využívá proces s rozehřátým drátem.

„Drát zahříváme natolik, že je na špičce roztavený,“ uvedl Scott Woida, prezident a zakladatel společnosti MWES. „Protože je drát již roztavený, následně pomocí vhodného množství laserového výkonu roztavíme podkladový díl vespod a vytvoříme pevné spojení. Můžete využívat menší výkon laseru, když se nesnažíte roztavit jak drát, tak i podkladový díl. Rozehřátý drát vám umožňuje dosáhnout většího ukládaného objemu a přivádět do dílu méně tepla.“

Proces vždy začíná podkladovým dílem. V předváděcím stroji s lodním šroubem to byl válec.

„Podkladový díl můžeme buď použít jako součást konečného dílu, anebo můžeme podkladový díl odřezat a mít díl vyrobený jen z naneseného materiálu. S něčím ale začít musíme. Může to být jen jednoduchý kousek oceli o tloušťce osminy palce,“ připomněl Woida

Drát a laser plus robot

Hlavními prvky systému je vysoce přesný průmyslový robot, systém laserů, integrovaná hlava MIG pro drát a laser a řídicí systém MWES. Proces dále zahrnuje aktivní řízení hlavy a dynamické měření ukládání pro detailní monitorování procesu před, během a po stavbě.

Data CAD jsou importována do softwaru CAD/CAM, kde jsou připravena pro aditivní proces. Díl je následně „rozřezán“ do vrstev a off-line je generována dráha robotu. Informace o procesu lze přidat automaticky nebo upravit manuálně. Informace o vygenerované dráze a procesu jsou přeloženy postprocesorem a automaticky přeneseny do řídicího prvku robotu. Robot následně vykoná program a postaví díl vrstvu po vrstvě. K aplikacím systému patří:

  • • prototypování,
  • • malé výrobní série,
  • • náhradní díly,
  • • renovace povrchů,
  • • obkládání.

Systém ADDere využívá šestiosý robot s dlouhým dosahem, který umožňuje flexibilitu dráhy a má velký pracovní rozsah. Je propojen s víceosým pozicionérem dílu. Woida uvádí, že je možný pracovní rozsah až 2 × 8 × 40 m.

Dosažitelné tolerance jsou ±0,5 až ±1,5 mm v závislosti na rychlosti ukládání. Následné zpracování obvykle vyžaduje určité obráběcí zásahy. Aditivní proces vytváří tvrzenou formu materiálu, takže měkký kov vyžaduje také žíhání. 

aditivni vyroba roboty2Lopatky lodního šroubu postavené procesem robotické laserové aditivní výroby vykazují před dokončením téměř čistý tvar. Obrázek poskytla společnost Midwest Engineered Systems Inc./RIA

Vyrábění s volnou formou znamená méně odpadu

K výhodám systému patří rychlý vývoj nových kovových dílů, rychlé změny designu bez zvyšování nákladů na nástroje a nízké počáteční náklady na zahájení výroby. Woida říká, že jednou z hlavních výhod je schopnost vzít několik podsestav dílů a zkombinovat je do jedné jednotky.

Například společnost GE Aviation posunula tuto koncepci na zcela novou úroveň, když využila proces aditivní výroby pro svůj motor Advanced Turboprop. Konstruktéři společnosti GE dokázali snížit počet dílů z 855 na pouhých 12. Více než třetina motoru je vyrobena 3D tiskem.

Výroba pevných dílů s volnou formou při použití systému ADDere společnosti MWES umožňuje použít různé kovy v různých částech dílu a dosáhnout technicky propracovaných vlastností specifických pro danou aplikaci. To je zvlášť cenově výhodné, když chcete obkládat levnější kov exotičtějším kovem, abyste získali určité vlastnosti, jako je např. vysoká odolnost vůči otěru. Tento proces lze použít také pro opravy – nejprve obrobením dílu na stabilní strukturu a následně postavením dílu do jeho původní podoby.

„Získáváme vlastnosti podobné odlévání a bližší kování,“ uvedl Woida. „V porovnání se subtraktivními metodami vzniká méně odpadu základního materiálu, neboť stavíte na téměř čistý tvar.“ Aditivní výroba s drátem má také méně odpadu než procesy aditivní výroby na bázi prášku. Woida tvrdí, že dosahují 99% využití.

„Když pro výrobu našeho komponentu využíváme drát, celý tento drát se použije pro výrobu dílu. Při použití drátu vzniká velmi málo odpadu (na rozdíl od procesů aditivní výroby s práškovým kovem, kde nadbytečný prášek odpadává po stranách a je nutno jej recyklovat). Musíte jen obrobit vnějšek tohoto komponentu, abyste se dostali z téměř čistého tvaru na požadovaný čistý tvar. Obvykle se obrábí pouze lícující povrchy. Nemusíte obrábět celý díl,“ popsal proces Woida.

V případě lodního šroubu v předváděcí výrobní buňce bude podle Woidy nutno po procesu aditivní výroby obrobit pouze 5 % tohoto dílu. Tvrdí, že je také 10krát rychlejší než procesy aditivní výroby na bázi prášku.

„Momentálně dokážeme vyrábět rychlostí 14,5 kg nerezové oceli za hodinu, a to s laserem o výkonu 14 kW. Brzy budeme mít laser o výkonu 20 kW. Když je materiál velmi drahý a skutečně těžko obrobitelný, tento proces dává smysl,“ konstatoval Woida.

Pro výrobu tímto procesem nejsou vhodné malé součásti, díly s nízkými výrobními náklady a díly vyžadující jen malou míru obrobení předvalku.

„Když je díl hotov, vypadá jako po odlití. Můžete jej buď obrobit, nebo můžeme pomocí laseru vnější povrch vyhladit pro získání lepší povrchové úpravy. Ale mnoho našich zákazníků zajímá více funkčnost než povrchová úprava.“ 

Díly s vysokou hodnotou a exotické kovy

Systém ADDere je dostupný k zakoupení jako dodávka na klíč nebo jako výrobní služba. „Díly, na nichž jsme doposud pracovali, jsou v podstatě pro zákazníka ověřením, že dokážeme vyrábět komponenty podle specifikací. Sériová výroba nebyla zahájena, ale poskytujeme zákazníkům sady vzorků, aby si ověřili schopnosti systému. Vyhodnocují jejich kvalitu a následně je od nás budou kupovat ve větších množstvích nebo si zakoupí celý systém,“ odhadl vývoj Woida.

Jedním z těchto dílů, který je podrobován zkoušení v systému výzkumu a vývoje společnosti MWES, je 816 kg těžká přepážka pro letadlovou loď. Představte si, že vám na palubě lodi nemusí zabírat cenné místo náhradní díly, ale budete schopni pomocí aditivní výroby vyrobit nebo opravit díly na požádání, zatímco jste na moři.

Systém aditivní výroby ADDere nachází uplatnění v oblasti letectví, hnacích ústrojí, podvozků, námořních aplikací, vojenství, v petrochemickém průmyslu, ve výstavbě, těžbě a zemědělských zařízeních. Nejvhodnějšími materiály pro tyto aplikace jsou obvykle exotické kovy, jako je nerezová ocel, hliník, titan, kobalt, Inconel a slitiny wolframu.

Woida je přesvědčen, že jejich zkušenosti v oblasti laserového svařování přinášejí své plody. „Obvykle pracujeme s vysoce technicky propracovanými systémy, takže se dostáváme do styku s nejnovějšími technologiemi, ať už jsou to nejmodernější laserové technologie, nebo robotické technologie. Každý den navrhujeme systémy, které doposud nejsou uvedeny v žádném katalogu a jsou technicky velice sofistikované. Potřebujete spoustu různorodých zkušeností. Potřebujete strojaře, protože tyto systémy jsou velmi složité. Potřebujete vývojáře softwaru, aby bylo možno tyto produkty snadno a bezproblémově prodávat na otevřeném trhu. Potřebujete inženýry v oblasti robotiky, kteří to vše následně integrují. Potřebujete odborníky na svařování, kteří dokážou ověřit a zajistit, že metalurgické vlastnosti odpovídají očekáváním. Potřebujete spoustu lidí, kteří to vše dají dohromady,“ zdůraznil Woida.

Lití kovů

Aditivní výroba a robotická automatizace přinášejí nový digitální svět také do průmyslu lití kovů. 3D tisk se zrodil v devadesátých letech minulého století na Massachusetts Institute of Technology, když student Jim Bredt pracoval na své doktorandské práci zkoumající vytvoření technologie inkoustové tiskárny s práškem.

Pojem 3D tisk původně používal k popsání toho, jak jsou střídavé vrstvy práškových materiálů a tekutého pojiva nanášeny v naprogramovaném vzoru pro vytvoření trojrozměrného objektu. Bredt uvedl, že tento pojem prosazoval vedoucí jeho práce a nakonec se ujal v celém průmyslu. Nyní se pojem 3D tisk často používá zaměnitelně s pojmem aditivní výroba a zahrnuje mnoho různých typů procesů.

Jim Bredt, ředitel pro výzkum a vývoj společnosti Viridis3D (Woburn, stát Massachusetts), pracuje v odvětví 3D tisku již téměř 30 let, avšak nikdy nepustil ze zřetele svou první lásku. Jim Bredt pomáhal rozjíždět společnost Z Corp. v roce 1995, poté co absolvoval MIT. Společnosti Z Corp. je přisuzováno první komerční uvedení technologie 3D tisku na bázi inkoustové tiskárny. Posléze byla společnost Z Corp. koupena firmou 3-D Systems, jejíž spoluzakladatelé vynalezli stereolitografii.

Jim Bredt opustil společnost 3-D Systems a v roce 2010 založil firmu Viridis3D, kde se s nadšením vrátil zpět k lití kovů. Cílem bylo postavit 3D tiskárnu, která by byla všestrannější, pokud jde o typy zpracovávaných materiálů, a odolnější pro průmyslové použití v nepříznivém prostředí slévárny. Tým společnosti Viridis3D se zaměřil na odvětví lití do pískové formy.

„Spousta komponent, pro něž skutečně potřebujete 3D tiskárnu, jsou věci, které nedokážete vyrobit konvenčními procesy, jako jsou zejména jádra forem, která mohou být velmi složitá,“ upozornil Bredt. „Zvyšuje to schopnosti vašeho procesu takovým způsobem, že při tvorbě konstrukčního návrhu můžete být odvážnější. Nemusíte tolik utrácet za formy. Jestliže 3D tiskem vyrobíte díl a výsledek nebude uspokojivý, protože je návrh příliš křehký, pak ve skutečnosti neztrácíte příliš mnoho. Díky tomu, že můžete při návrhu více riskovat, rozšiřuje se paleta geometrických tvarů, které můžete touto technologií vyrábět.“ 

Hledání nových cest

V rámci hledání nových způsobů, jak k této oblasti přistupovat, se Jim Bredt zamýšlel nad tím, jak jsou 3D tiskárny konstruovány. „3D tiskárna je v zásadě robot s připojeným dávkovačem materiálu,“ připustil Bredt. „Když jsme zakládali společnost Viridis3D, ptal jsem se sám sebe, proč bych se měl pokoušet vyrobit svůj vlastní robot? Mou doménou jsou materiály, ne navrhování strojů. Proč si robot prostě nekoupím? Pak se můžu soustředit na dávkování materiálu.“

Pro Viridis3D bylo použití komerčně dostupného průmyslového robotu vefiremním systému 3D tisku velkým průlomem a výhodou před konkurencí.

„Naše použití komerčně dostupného robotu je zajímavou odlišností,“ vyzdvihl Bredt. „Naši konkurenti v naprosté většině využívají portálové systémy, které posouvají jejich mnohem těžší tiskové hlavice tam a zpět. Protože my namísto portálového systému používáme rameno, naše tisková hlava je navržena jako lehká, odolná a spolehlivá.“ 

3D tisk s roboty

Při vývoji svého robotického systému aditivní výroby spolupracovala společnost Viridis3D s firmou EnvisionTEC, poskytovatelem řešení 3D tisku. Nyní, když je její plně vlastněnou dceřinou společností, může Viridis3D pokračovat ve financování svého dalšího rozvoje. Počátkem letošního roku společnost Viridis3D uvedla na trh první robotickou 3D tiskárnu RAM 123.

Systém využívá standardní čtyřosý robot pro vytváření pískových forem a jader pro odlévání kovových dílů. Robot je vybaven podavačem práškového materiálu, kterým rozmisťuje písek, a tiskovou hlavou, jež do písku dávkuje tekuté pojivo. Střídavým rozmisťováním písku a dávkováním pojiva staví tato robotická 3D tiskárna formu vrstvu za vrstvou.

Tisková hlava může být těžká, zejména když je naplněna pískem. Bredt preferuje čtyřosý robot namísto šestiosého, protože má větší únosnost.

Podle Bredta tyto tiskové prvky skutečně fungují, jen když jsou drženy horizontálně. Tisková hlava se pohybuje v rovině a postupně se pozvolna zvedá. Čtyřosá varianta je ideální, protože je vždy omezena na posun v rovině, alespoň v zápěstí. Má vysokou únosnost a zůstává přesná.

Systém RAM společnosti Viridis3D má otevřenou architekturu. Formy se vyrábějí na stacionárním stole. Deskou stolu je paleta, kterou lze použít pro přivážení a odvážení dílu ze stroje vidlicovým vozíkem.

„Používáme otevřený stůl, takže můžeme stavět díly různých rozměrů bez nutnosti plnit celý box materiálem,“ říká Bredt. „Jedním z důvodů, proč jsme se rozhodli pro stacionární stůl, je skutečnost, která mi byla zřejmá v pozdějších letech ve společnosti Z Corp., když jsme stavěli větší a větší stroje – že brzy bude podkladový díl vážit více než celý stroj.“

Krátké dodací doby a úspora místa

„Výroba povrchových vzorů je vymírající řemeslo,” pokračoval Bredt. „Firmy s 50 let starými povrchovými vzory pošlou pracovníka s plechovkou tmelu, aby se je pokusil opravit. V některých případech mají k dispozici už jen výkresy, jindy se pokoušejí o reverzní inženýrství stávajícího produktu. Lidé, kteří kupují náš systém, skutečně oceňují možnost přejít na digitální výrobu, protože se zbaví nutnosti složitě tyto povrchové vzory uchovávat. To je dokonalým příkladem toho, jak revoluční technologie zaujme místo staré technologie.“

Bredt a jeho spolupracovníci se poohlížejí i po dalších materiálech mimo písek, které by nabízely vysoké rozlišení, včetně plastových prášků, keramiky, a dokonce i práškových kovů. Zátěž i nadále ponesou roboty. Aditivní výroba a robotika budou společně transformovat způsob, jakým uvažujeme o výrobě. 

Tanya M. Anandanováje přispěvatelka sdružení Robotic Industries Association (RIA) a magazínu Robotics Online. 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, redaktor časopisu Control Engineering, CFE Media, 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