3D-печать в производстве оснастки роботизированных манипуляторов

Компания Pacific Rim Tonewoods (PRT) поставляет древесину производителям гитар, как крупным (Martin, Taylor, Gibson, Fender), так и небольшим, а также индивидуальным мастерам-лютье, которые изготавливают и ремонтируют струнные инструменты. Древесина поставляется в распиленном и обработанном виде, породы дерева тщательно отбираются.

Около десяти лет назад PRT провела модернизацию своих операций, сосредоточившись на минимизации отходов и оптимизации процессов распиловки. Внесенные изменения позволили повысить выход продукции более чем на 12%. После улучшения процессов PRT обратила взгляд на автоматизацию, чтобы открыть новые возможности в других областях компании.

Мы поговорили с инженером Джейком Уэллсом о том, как 3D-печать методом селективного лазерного спекания (SLS) на оборудовании Formlabs Fuse Series сделала их роботизированные системы более доступными, эффективными и долговечными. Готовые исполнительные устройства (оснастка, End-of-Arm Tooling, EOAT) и вспомогательные приспособления, напечатанные методом SLS, сократили сроки производства и оптимизировали автоматизированные рабочие процессы, позволив компании собственными силами внедрять робототехнику.

«Мы постоянно оптимизируем процессы, чтобы создавать лучшие продукты с более жесткими допусками и меньшим количеством отходов. Это непрерывное стремление к совершенствованию и повышению эффективности».
Джейк Уэллс, инженер, Pacific Rim Tonewoods

Внедрение робототехники для работы лесопилки

Первый робот PRT, Kuka KR-6, был мощным, но слишком большим для предполагаемого рабочего процесса. Работа со сторонним интегратором привела к несоответствию между роботом и задачей, и именно это стало первой проблемой, которую решила внутренняя команда под руководством Уэллса.

Робототехника и автоматизация — краеугольные камни давно ожидаемого цифрового будущего производства, и во многих отраслях они оправдали свое обещание повысить эффективность операций. Наиболее успешные компании, такие как PRT, интегрировали автоматизацию таким образом, чтобы она взяла на себя «грязную, монотонную и опасную» работу, которую людям выполнять слишком медленно, сложно или рискованно на постоянной основе.

Но когда PRT начала закупать своих первых роботов, процесс интеграции — аппаратные и программные компоненты, которые программируют и оснащают робота для конкретного применения — оставлял желать лучшего. Их первый робот, KUKA KR-6 стоимостью 60 000 долларов, должен был укладывать в паллеты куски специализированной и сверхвысококачественной древесины. Система высвободила много времени сотрудникам для работы над более ценными и сложными задачами, но сотрудничество со сторонним интегратором привело к несоответствию между роботом и задачей, и Уэллс знал, что возможен более эффективный рабочий процесс.

«Главной проблемой была грубая интеграция. Сторонние интеграторы не были привычны к работе с древесиной и выбрали этого робота, который был больше, чем нам нужно. Когда мы решили взять эти решения в свои руки, мы пересмотрели эту систему, и стало ясно, что существует лучший, более эффективный подход. Наш подход заключался в том, чтобы комплексно подобрать робота под его оснастку», — говорит Уэллс.

3D-печать исполнительных устройств для оптимизации

Как только они перенесли интеграцию робототехники внутрь компании и выбрали более легкого и недорогого робота, команда PRT поняла, что может проектировать индивидуальную оснастку (EOAT) для дальнейшей оптимизации своего процесса.

Уэллс начал с печати конструкций исполнительных устройств на своем домашнем 3D-принтере, работающем по технологии послойного наплавления (FDM). Сразу же стала очевидной ценность 3D-печати — они могли проектировать, подгонять, тестировать и вносить изменения по несколько раз в неделю, пытаясь найти лучший баланс прочности и веса. «Какое-то время я был единственным инженером, и было гораздо логичнее просто что-то напечатать, установить на робота и посмотреть, как это работает, чем тратить все это время на проектирование детали для механической обработки», — говорит Уэллс.

В PRT есть собственный механический цех с мощным 4-осевым станком с ЧПУ, который может обрабатывать сложные детали, необходимые для индивидуальной оснастки. Однако commitment к механической обработке требует, чтобы конструкция была полностью завершена, иначе это пустая трата материала и часов времени квалифицированного оператора.

Детали, напечатанные на FDM-принтере, подходили для пробной подгонки и даже для конечного использования в некоторых случаях, но они были ненадежными и могли легко сломаться при приложении усилия вдоль линий слоев. «Было трудно определить качество FDM-деталей, пока они не были в работе. Детали, которые выглядели отлично, могли выйти из строя на 20 000 циклов без видимой причины, другие могли проработать 120 000 циклов до отказа, и даже тогда это могло быть просто из-за столкновения», — говорит Уэллс.

Они начали отправлять детали на печать через сервисное бюро, и им понравились прочность, вес и долговечность полученных деталей из нейлона 12, напечатанных методом MultiJet Fusion (MJF). Однако передача на сторону стоила им слишком много времени. По мере запуска новых проектов они не могли ждать недели, чтобы получить деталь для испытаний.

Зачем использовать SLS 3D-печать для оснастки?

Уэллс внедрил SLS-печать внутри компании, чтобы сократить сроки производства и обеспечить возможность создания сложных геометрий для прочной функциональной оснастки. Доступная цена и малая занимаемая площадь экосистемы Fuse Series означают, что Уэллс и его коллеги могут печатать ежедневно при необходимости и легко обучать новых сотрудников использованию этой технологии по мере расширения компании.

PRT требовалось внутреннее решение, способное производить детали качества конечного продукта, достаточно прочные для сотен тысяч циклов в качестве компонентов оснастки. Им понравились нейлоновые детали, которые они заказывали для печати на MJF-принтерах, а также требовалась камера построения подходящего размера для исполнительных устройств. Fuse 1 идеально подошел по всем параметрам. «Мы начали работать с деталями, достаточно сложными для механической обработки, а такие материалы, как алюминий, были бы излишни. Нам нужно было заполнить нишу для сложных, но прочных деталей и производить их внутри компании», — говорит Уэллс.

Fuse Series и нейлоновый порошок 12 (Nylon 12 Powder) предлагают возможность создания деталей качества конечного продукта из знакомого промышленного материала. Самонесущая природа технологии SLS позволила 3D-печатать генеративно спроектированные исполнительные устройства с их органичными кривыми и полыми сердцевинами, без добавления дополнительного времени на постобработку и удаление поддержек.

«Я раньше не работал с SLS, но возможность проектировать, не беспокоясь о геометрических ограничениях, имела огромное значение. У нас есть система, которая обладает более универсальной прочностью и с которой легче работать, чем с предыдущими решениями. Это открыло для нас возможности изготавливать вещи гораздо быстрее и продвигать наши проекты вперед. Это был огромный плюс».
Джейк Уэллс, инженер, Pacific Rim Tonewoods

Организация кабелей и крепления датчиков

Хотя исполнительные устройства привлекают больше всего внимания — и, возможно, заслуженно — в автоматизированных роботизированных системах есть множество деталей, с которыми может помочь 3D-печать. На каждом из роботов десятки сложных кабелей подают энергию и сигналы к различным компонентам машины. Во время ежедневной работы эти кабели могут зацепиться, быть зажатыми, порваться, перетереться или просто мешать; во время технического обслуживания неправильно проложенный кабель может нанести ущерб хрупким проводам и разъемам. Уэллс начал печатать индивидуальные зажимы для крепления кабелей к машине и их группировки, делая всю систему более эффективной и менее подверженной повреждениям.

«Организация кабелей на самом деле стала одной из самых важных задач. Кабели подбираются под сами роботизированные манипуляторы, проходят по всей длине машины, и есть множество способов их запутать и скрутить. Наши напечатанные на 3D-принтере клипсы и зажимы делают эти системы надежными и эффективными. Это часть нашей цели — достичь и поддерживать более высокий стандарт оптимизации».
Джейк Уэллс, инженер, Pacific Rim Tonewoods

Индивидуальные зажимы могут быть спроектированы так, чтобы опилки легко проходили через них, а не скапливались для последующей очистки. Они удерживают кабели в определенных положениях, чтобы облегчить их обслуживание или замену, и улучшают общую чистоту и эффективность операции. Fuse Series сделала возможным проектирование и оперативное внесение изменений в небольшую, простую деталь, которая имеет огромное влияние, и делать все это без часов инженерной конструкторской работы для ЧПУ или недель ожидания.

3D-печать индивидуальных компонентов также сделала операции безопаснее. Каждая роботизированная система контролируется несколькими датчиками безопасности, которые отслеживают задание и создают обратную связь для системы безопасности. Эти датчики повышают безопасность и предупреждают операторов о проблемах или потенциальных рисках. Хотя датчики серийно производятся, они используются в уникальных условиях, поэтому каждому интегратору необходимо найти индивидуальный способ их крепления, чтобы они были эффективными.

«Весь наш робот проектируется в САПР и тестируется в программном обеспечении для моделирования. Мы можем разместить датчики в модели и определить оптимальный угол и размещение, а затем идеально напечатать крепление, чтобы каждый датчик был точно там, где должен быть. Это чрезвычайно важно для датчиков безопасности, где неправильно установленный датчик может создать угрозу безопасности», — говорит Уэллс.

Крепления служат еще одной цели: обеспечение совместимости с будущими версиями (future-proofing). Цифровая интеграция креплений датчиков в САПР-макет всей системы позволяет любому легко напечатать на 3D-принтере замену в любой момент. «Любой сможет заменить этот датчик в будущем, и он уже будет идеально направлен на нужный объект. Мы использовали тот же подход с системами безопасности радаров. Никаких проблем с безопасностью и просто лучшие результаты», — говорит Уэллс.

Когда использовать механическую обработку, а когда — SLS 3D-печать

SLS-принтер Fuse 1 и Fuse Sift были добавлены в механический цех, где уже был 4-осевой станок с ЧПУ, а также множество других инструментов для производства и FDM 3D-принтер.

В PRT есть полностью укомплектованный механический цех с 4-осевым станком с ЧПУ, и у Уэллса большой опыт в качестве квалифицированного оператора станков и проектировщика сложных обрабатываемых деталей. Эти две технологии предназначены для совместной работы, и как механическая обработка, так и 3D-печать предлагают различные преимущества.

Самая большая разница заключается в первоначальных затратах времени. Уэллс мог потратить дни или даже недели на то, чтобы идеально проработать конструкцию обрабатываемой детали для максимальной эффективности настройки и использования материала. Для 3D-печати, особенно с интуитивно понятным рабочим процессом Fuse Series, все происходит немного быстрее. «В нашем цехе мы высоко оптимизированы для механической обработки, но в то же время проектирование для производства на ЧПУ требует больше предварительных знаний. В то время как с 3D-печатью есть много вещей, которые я могу спроектировать за пару часов и посмотреть, сработают ли они — на что ушло бы несколько недель, если бы вы их обрабатывали», — говорит Уэллс. Простота использования Fuse Series помогла Уэллсу работать со всеми в команде, чтобы печатать детали и пускать их в дело.

«Любой может использовать его. Я по-прежнему могу делать сверхответственные детали, но любой, кто умеет перетаскивать файл в PreForm, может получить эту деталь, и она будет функциональной и прочной».
Джейк Уэллс, инженер, Pacific Rim Tonewoods

Особенности проектирования оснастки для 3D-печати

Напечатанная на SLS 3D-принтере оснастка, спроектированная Уэллсом, сочетает в себе прочность, функциональность, геометрическую сложность и жесткость, необходимую для паллетизации древесины.

Для исполнительных устройств детали должны быть достаточно прочными, чтобы поднимать и размещать куски древесины на поддоне, но достаточно легкими, чтобы не перегружать роботизированный манипулятор. Ударопрочность и точность размеров также являются основными требованиями. «3D-печать позволяет объединять громоздкие металлические сборки в одну деталь, это упрощает сборки, чтобы их можно было обслуживать в будущем», — говорит Уэллс.

Но преимущества 3D-печати оснастки не реализуются, если работать как обычный механический цех, привыкший изготавливать громоздкие металлические инструменты. Процесс проектирования не один в один, рассказал нам Уэллс. Чтобы полностью воспользоваться преимуществами 3D-печати, необходимы изменения в рабочем процессе и новые возможности для творчества.

«Вы не увидите большой выгоды, если просто будете делать те же большие блоки оснастки. Но если вы объедините 3D-печать с генеративным дизайном, используя известные материалы, вы можете значительно очистить свой рабочий процесс и очень быстро прийти к highly оптимизированному решению для ваших структурных деталей».
Джейк Уэллс, инженер, Pacific Rim Tonewoods

Открытие новых источников дохода

По мере того как Уэллс разрабатывает новые способы проектирования оснастки и автоматизации их рабочего процесса, PRT планирует расширяться на новые продуктовые категории.

3D-печать сделала интеграцию робототехники в PRT более гладкой, простой и эффективной. «Это невероятно помогло при внедрении автоматизации. Если у вас есть конкретная проблема с управлением кабелями или определенная болевая точка с роботом, вы, вероятно, можете использовать 3D-печать, чтобы помочь решить ее», — говорит Уэллс.

Позитивные эффекты внутренней автоматизации и проектирования оборудования открыли для PRT больше возможностей. «Мы нацелились на производство высококачественных деревянных мисок по доступной цене. Нам потребуются специализированные решения, чтобы реализовать это; добавление 3D-печати в наш арсенал инструментов помогает нам дополнительно оптимизировать наши системы для их роли», — говорит Уэллс.

Точно так же успех Уэллса с деталями, напечатанными на SLS 3D-принтере, заставляет его рассматривать оснастку и компоненты автоматизации как еще один источник дохода. «У нас есть детали, которые мы используем в производстве и которые мы можем продавать другим людям в мире автоматизации. Мы покупали Fuse не с целью печатать 200 исполнительных устройств, но это инструмент в нашем арсенале. Если у вас есть люди, которые понимают этот инструмент, он может быть действительно мощным», — говорит Уэллс.