W ostatnich latach ścieżki rozwoju druku 3D i cobotów (robotów współpracujących) niejednokrotnie się przecinały. Od kameralnych pracowni, drukujących specjalistyczne chwytaki dla cobotów, dedykowane pod konkretne zastosowania, po hale produkcyjne, wypełnione drukarkami 3D, obsługiwanymi przez coboty – kreatywność inżynierów znajduje coraz to nowe połączenia potencjału produkcyjnego technologii przyrostowych z możliwościami cobotów w zakresie automatyzacji.
Początki rozwoju technologii addytywnych sięgają lat osiemdziesiątych ubiegłego stulecia. Od tamtego czasu druk 3D przebył długą drogę od technik laboratoryjnych, przez wykorzystania amatorskie i hobbystyczne, szybkie prototypowanie po w pełni profesjonalne zastosowania przemysłowe różnych technologii wytwarzania przyrostowego. Obecnie sektor druku 3D rozwija się dynamicznie, odnotowując obecnie skumulowany roczny wskaźnik wzrostu na poziomie 24,3%.
Historia cobotów rozpoczęła się nieco później, bo w 1996 roku, kiedy to dwaj profesorowie Uniwersytetu Northwestern opatentowali koncepcję robotów współpracujących, po raz pierwszy używając terminu „cobot”. W początkach XXI wieku coboty osiągnęły znaną obecnie postać. Od tamtego czasu doczekały się szeregu zastosowań i adaptacji na potrzeby różnych procesów przemysłowych. Popularyzacja robotów współpracujących i rosnąca konkurencja w branży owocuje aktualnie skumulowanym współczynnikiem wzrostu rzędu 41,5% rok do roku.
Wdrożenia zarówno drukarek 3D, jak i cobotów są wizytówką wielu innowacyjnych firm w różnych gałęziach przemysłu. Kreatywne podejście do procesów technologicznych poskutkowało dostrzeżeniem potencjału tkwiącego w połączeniu funkcjonalności cobotów z możliwościami technologii addytywnych. Opracowywane są różne rozwiązania, wykorzystujące coboty i druk przestrzenny w różnych kombinacjach.
Punktem wyjścia była w przypadku cobotów możliwość automatyzacji procesów, a w przypadku druku 3D – możliwość jednostkowego wytwarzania dedykowanych części. W ten sposób drukarki 3D wykorzystano na użytek produkcji specjalistycznych chwytaków do cobotów, umożliwiających manipulowanie różnymi mniej typowymi detalami w ramach zautomatyzowanych procesów technologicznych.
Wraz z postępującą automatyzacją rośnie także potrzeba dostosowania robotów do coraz to nowych, wymagających zastosowań, między innymi w przemyśle motoryzacyjnym, elektronicznym i spożywczym. W odpowiedzi na wyzwania technologiczne związane z robotyzacją kolejnych procesów produkcyjnych i montażowych, opracowano szereg innowacyjnych rozwiązań w dziedzinie chwytaków, z uwzględnieniem potrzeby redukcji masy, zwiększenia udźwigu i bezpieczeństwa. Chwytaki robotów, dedykowane do obsługi konkretnych detali, mają nieraz dość skomplikowaną geometrię i powstają w zaledwie kilku egzemplarzach, co stanowi warunki, w których najlepiej sprawdza się druk 3D. Charakterystyczną podkategorią chwytaków robotów są chwytaki pasywne, idealne do zastosowania wraz z cobotami – ze względu na brak ruchomych elementów oraz działanie bez potrzeby aktywacji i dezaktywacji uchwytu. Konstrukcja takich chwytaków musi uwzględniać geometrię obsługiwanych detali, a działanie opiera się na wykorzystaniu stopni swobody ramienia cobota do podejmowania detali. Zaletami takiego rozwiązania są między innymi oszczędność kosztów i energii, a także łatwość i bezpieczeństwo współpracy z operatorem. Projektowanie takich chwytaków może być jednak bardzo wymagające. Inżynierowie z Uniwersytetu Waszyngtońskiego opracowali algorytm umożliwiający automatyczne generowanie gotowego do druku 3D modelu pasywnego chwytaka dla wprowadzonej geometrii detalu. Algorytm opiera się na identyfikacji optymalnej, stabilnej konfiguracji chwytu, odniesieniu jej do końcówki ramienia cobota i doborze odpowiedniej, bezkolizyjnej trajektorii podejmowania detalu. Na podstawie konfiguracji chwytu i wybranej trajektorii generowana jest abstrakcja chwytaka, spełniającego uwarunkowania konstrukcyjne, która następnie podlega optymalizacji topologicznej, w wyniku której uzyskiwana jest finalna geometria chwytaka. Do druku tak uzyskanych chwytaków pasywnych wykorzystywane są dwa materiały: podstawowym jest filament ABS, a dodatkowo, na obszarach kontaktu z detalem, stosowany jest antypoślizgowy elastomer [2].
W obliczu rosnącej skali produkcji przyrostowej zwiększa się zapotrzebowanie na rozwiązania w zakresie automatyzacji obróbki końcowej części drukowanych – szczególnie w przypadku technik druku 3D w łożu proszkowym. W Wielkiej Brytanii opracowano chwytak cobota przeznaczony do ekstrakcji drukowanych detali z łoża proszkowego. Sam chwytak również został wydrukowany – w technologii Multi Jet Fusion, w całości jako pojedynczy element o podatnej konstrukcji. Do napędu chwytaka wykorzystano niewielki siłownik liniowy, którego wysunięcie rozchyla szczęki, a ruch powrotny – zamyka. Chwytak wyposażono także w miniaturowy silnik wibracyjny, wspomagający uwolnienie podejmowanego detalu z proszku [1].
W technologiach addytywnych, opartych na łożu proszkowym, skalowanie produkcji polega na optymalnym upakowaniu jak największej liczby detali w przestrzeni roboczej drukarek. Inaczej sytuacja wygląda w kontekście druku metodą ekstruzji, gdzie z reguły elementy drukowane są pojedynczo, a ewentualne skalowanie produkcji opiera się na równoległym drukowaniu takich samych detali na wielu drukarkach – w ramach tzw. farmy drukarek 3D. Tego typu farmę, złożoną z szesnastu drukarek, uruchomiono w Laboratorium Innowacji Inżynierskich na AGH. Do obsługi farmy przystosowano cobota, wyposażonego w chwytak próżniowy, opracowany pod kątem współpracy z drukarkami i wydrukowany w 3D. Zadaniem cobota jest podejmowanie gotowych wyrobów z drukarki na tacce i odkładanie w wyznaczonym miejscu, a następnie podanie nowej tacki i uruchomienie kolejnego procesu drukowania. Tak zautomatyzowana farma może pracować non-stop, bez potrzeby ciągłej obecności operatorów. Tego typu rozwiązania nie są wyłącznie domeną ośrodków badawczo-rozwojowych czy laboratoriów, lecz z powodzeniem są wdrażane w firmach działających na rynku usług druku 3D.
Jeśli chodzi o sektor druku 3D, coboty znajdują tu zastosowanie przede wszystkim w tym, co potrafią najlepiej – w automatyzacji. Zastosowanie robotów współpracujących na tzw. farmach drukarek 3D przyczynia się do wzrostu potencjału skalowania produkcji przyrostowej i pozwala rozwijać możliwości produkcyjne w 24-godzinnym cyklu pracy non-stop, bez potrzeby angażowania dodatkowych operatorów.
Doskonalenie konstrukcji robotów współpracujących i ciągły rozwój systemów ich sterowania i programowania sprzyja jeszcze jednemu zastosowaniu cobotów w kontekście druku 3D, a mianowicie adaptacji głowic ekstruzyjnych na ramieniu cobota. W taki sposób, na bazie cobota, przy użyciu gotowych rozwiązań komercyjnych głowic, lub efektorów opracowanych samodzielnie w oparciu o standardowe komponenty do budowy drukarek, powstaje zrobotyzowana instalacja drukująca, charakteryzująca się szeregiem zalet w porównaniu do konwencjonalnych drukarek ekstruzyjnych, wśród których można wyróżnić:
- Większa swoboda ruchu – ścieżki ruchu głowicy nie są ograniczone do płaszczyzny XY. Dzięki wykorzystaniu stopni swobody ramienia cobota możliwe jest drukowanie skomplikowanych geometrii bez potrzeby stosowania podpór (supportów). Zastąpienie płaskich warstw bardziej przestrzennymi ścieżkami ruchu zwiększa wytrzymałość wyrobów w osi Z. Istnieje możliwość opracowania ścieżek ruchu głowicy pod kątem optymalnej wytrzymałości kierunkowej drukowanego detalu.
- Powiększona przestrzeń robocza – możliwość drukowania detali o dużych wymiarach, przekraczających rozmiary platformy roboczej konwencjonalnych drukarek.
- Skalowalność – w przypadku druku naprawdę dużych struktur, dla zwiększenia wydajności można zastosować równolegle kilka cobotów drukujących.
- Reorientacja przestrzeni roboczej – możliwość płynnych zmian położenia przedmiotu w czasie procesu druku.
- Wielozadaniowość – cobot, wchodzący w skład systemu do druku 3D może wykonywać także inne operacje.
Wyzwaniem może okazać się sterowanie i programowanie takiego systemu, szczególnie, jeśli decydujemy się na samodzielne skompletowanie instalacji w oparciu o podzespoły różnych producentów, a obecnie nie istnieje zbyt wiele gotowych rozwiązań. Najbardziej wymagające są systemy, w których robot i głowica drukująca muszą być sterowane oddzielnie. Proces druku musi być również bardzo dobrze zaplanowany, aby uniknąć potencjalnych kolizji [3].
Podczas gdy w konwencjonalnych drukarkach 3D do programowania procesu wykorzystywany jest g-code generowany na podstawie modelu CAD przez oprogramowanie typu slicer, przy zastosowaniu drukującego cobota g-code musi zostać przekonwertowany na instrukcje zrozumiałe dla cobota. Symulacja procesu druku pozwala wyeliminować ewentualne kolizje [5]. W miarę rozwoju zrobotyzowanych systemów wytwarzania przyrostowego powstaje także coraz więcej rozwiązań zastępujących standardowy slicer w przygotowaniu ścieżek druku dla tego typu systemów.
W sytuacji, kiedy możliwości konwencjonalnych drukarek 3D, zarówno desktopowych, jak i przemysłowych, ograniczają się do jednego procesu, coboty dysponują potencjałem integracji różnych procesów technologicznych w obrębie jednej pracowni, a nawet jednego stanowiska [4]. Ten sam cobot, w zależności od potrzeb, może obsługiwać szereg drukarek, odbierając gotowe wydruki, może wykonywać różne zadania obróbki końcowej drukowanych detali, takie jak separacja resztek proszku, płukanie czy szlifowanie, może wreszcie służyć jako podstawa do budowy zrobotyzowanego systemu druku elementów o dużych wymiarach i złożonej strukturze. Tym samym roboty współpracujące przyczyniają się do wytyczenia ścieżki zintegrowanego rozwoju nowego typu wytwórczości w oparciu o technologie przyrostowe i daleko idącą automatyzację.
Jacek Zbierski
Bibliografia:
[1] Cormack, J. et al., Automated extraction of 3D printed parts from unfused PA12 powder using a one-shot 3D printed compliant gripper. IEEE Robotics and Automation Letters, vol. 6, nr 4, 2021
[2] Kodnongbua M. et al., Computational Design of Passive Grippers, ACM Trans. Graph. 41, 4; 2022, doi.org/10.1145/3528223.3530162
[3] Tianhao Liu, Product And Process Design For Additive Manufacturing, praca magisterska, Politechnika Turyńska, 2023
[4] Trtnik A., 3D Printing with a Cobot Arm, praca licencjacka, Häme University of Applied Sciences, 2022
[5] Velazquez, L. et al., Design and integration of end-effector for 3D printing of novel UV-curable shape memory polymers with a collaborative robotic system, 2021
artykuł pochodzi z wydania 9/10 (192/193) Wrzesień/Październik 2023
