Революция в оснастке рабочих органов роботов с помощью 3D-печати

 

Оснастка рабочих органов манипуляторов — это компонент роботизированной системы, который взаимодействует непосредственно с изделиями, которые система предназначена перемещать, изменять, захватывать или иным образом воздействовать на них. Оснастка обычно располагается на конце роботизированной руки, и ее типичные функции включают операции «возьми и положи», сварку, удерживающие устройства и датчики усилия, среди прочего.

Поскольку оборудование для автоматизации стало почти повсеместным на крупных производственных предприятиях, потребность в высококачественной, индивидуально спроектированной оснастке также возросла. Оснастка часто выступает в роли кастомизированного посредника между серийной роботизированной системой и уникальным продуктом или рабочим процессом производителя.

Именно эта составляющая кастомизации делает 3D-печать идеальной для создания оснастки рабочих органов. В частности, универсальность материалов стереолитографии и прочность, а также долговечность селективного лазерного спекания прекрасно подходят для создания серийной оснастки для использования в промышленных производственных сценариях.

Типы и применение оснастки

Оснастка для декорирования методом In-mold labeling. Фото предоставлено Robotic Automation Solutions.

Вакуумная оснастка для подъема и перемещения небольших крышек без использования присосок. Фото предоставлено Robotic Automation Solutions.

Оснастка часто делится на три основные категории: автоматизация, процессная обработка, а также контроль или проверка. Прочная и долговечная оснастка в каждой из этих категорий может быть основным драйвером эффективности, производительности и прибыльности для производителей.

Автоматизация	Процессная обработка	Контроль и проверка
‘Возьми и положи’	Сварка (сварочный наконечник)	Компьютерное зрение
Захваты	Резка (режущее лезвие)	Радиация
Магниты	Очистка (сжатый воздух и т.д.)	Температура
Вакуум/Всасывание	Окрашивание или нанесение покрытий (сопла и распылители)	Давление

Конкретный дизайн и сложность оснастки зависят от применения, которое она должна выполнять, типа робота, к которому она прикреплена, а также от формы, веса, объема и количества предметов, над которыми она совершает действие.

Например, робот для операций «возьми и положи», который перемещает коробку с конца конвейерной ленты в ковш погрузчика, может использовать прочную выдвижную оснастку типа «коготь», если коробка тяжелая и жесткая. Для небольшой легкой коробки внутри мягкой упаковки тот же робот может использовать оснастку с присосками и сжатым воздухом, чтобы аккуратно поднять упаковку и затем бросить ее в ковш.

Оснастка с системой вакуумных присосок, созданная для подъема 20-фунтового (9 кг) 96-галлонного (363 л) мусорного контейнера с помощью четырех присосок. Фото предоставлено Robotic Automation Solutions.

Оснастка с системой вакуумных присосок, изготовленная с 40 кастомизированными присосками, установленными на компенсаторы уровня. Фото предоставлено Robotic Automation Solutions.

Хотя существует множество различных возможных типов оснастки, характеристики, необходимые для хорошей производительности, обычно одинаковы: высокая точность измерений, способная выдерживать допуски и успешно интегрироваться в роботизированную систему; малый вес, чтобы роботизированной системе не приходилось выделять слишком много мощности и усилия на саму оснастку, а не на объект; и прочность, чтобы повторяющиеся действия не изнашивали оснастку и не вызывали поломок.

Роботизированным системам требуется питание, и иногда оснастке нужен собственный источник питания, чтобы она могла двигаться независимо от более крупной роботизированной системы. Это можно сделать электрически, пневматически, гидравлически или с помощью комбинации этих методов. Электрическая оснастка обычно используется для более легких и деликатных операций, в то время как гидравлическая или пневматическая оснастка используется в более тяжелых промышленных применениях, таких как автоматизация.

Тренды, стимулирующие инновации в оснастке

Эта пластина оснастки, спроектированная и напечатанная методом SLS Этьеном Лакруа, оптимизирована по геометрии для обеспечения прочности при малом весе.

3D-печать — идеальная технология для создания нестандартных компонентов оснастки для автомобильных роботизированных систем, подобной этой, которая сглаживает поверхность детали в процессе, называемом лапингом.

Индустрия 3D-печати быстро росла, идя в ногу с отраслями автоматизации и робототехники. Эти две технологии дополняют и поддерживают друг друга, и 3D-печать все чаще используется как метод изготовления прочной, кастомизированной, легкой оснастки. 3D-печать идеально подходит для создания оснастки, потому что она преуспевает в применениях, где требуются заменяемые детали по требованию или кастомизированные усовершенствования.

Сами 3D-принтеры стали лучше подходить для выполнения этих требований, поскольку стали более доступными такие долговечные технологии, как SLS и MJF, и с развитием науки о материалов стало возможным печатать такие материалы, как нейлон, полипропилен или TPU, в сложные, нестандартные формы.

Автомобильная промышленность, являющаяся, пожалуй, крупнейшим пионером в применении роботизированных систем в промышленных масштабах, также активно внедряла 3D-печать, и эти две технологии часто использовались вместе в автомобильном производстве и сборке. 3D-печать помогает производителям перенастраивать свои многомиллионные роботизированные системы для каждой новой марки, модели или итерации автомобиля, избегая необходимости в дорогостоящей металлической оснастке или ЧПУ-обработке.

Основные причины для 3D-печати оснастки

3D-принтеры, такие как Formlabs SLS Fuse Series, могут легко вписаться в рабочий процесс цеха, поставляя компоненты оснастки по требованию в течение нескольких часов, чтобы свести простой к минимуму. В компании Brose парк принтеров Fuse реагирует на потребности конструкторского отдела или производственного цеха, создавая компоненты оснастки для многих различных отделов и применений.

Когда компании требуется замена оснастки, она нужна немедленно, потому что, скорее всего, отсутствие подходящей оснастки вызывает остановку производства и стоит денег. 3D-печать, особенно доступные внутренние решения, такие как Formlabs Form SLA Series или Fuse SLS Series, является идеальным методом изготовления в таких сценариях. Скорость, универсальность материалов и диапазон рабочих объемов и геометрий позволяют предприятиям легко спроектировать точную замену для их сломанного или изношенного компонента оснастки, напечатать и заменить его в течение нескольких часов.

3D-печать также преуспевает в улучшении оснастки и роботизированных систем с помощью небольших доработок и кастомизированных дополнений, которые улучшают функциональность или производительность. Мягкие 3D-печатные материалы, такие как SLS TPU 90A Powder или SLA Silicone 40A Resin от Formlabs, полезны при создании мягких захватов или покрытий для захватов, которые снижают случаи повреждения объекта во время операций «возьми и положи» или удержания. Другие улучшения могут защитить самого робота от повреждений и износа. Клиент Formlabs, Stellantis, печатает небольшие защитные кожухи, которые предохраняют шланги на их окрасочных роботах от чрезмерного трения. Маленькая деталь требует высокой точности размеров и прочности и была доработана для окрасочного робота, что делает 3D-печать идеальным решением для снижения затрат на цехе и количества замен.

Преимущества 3D-печати оснастки

Напечатанная на 3D-принтере оснастка, такая как этот захват от ARMA, может оптимизировать геометрию для обеспечения прочности при малом весе за счет удаления материала по бокам как части этой решетчатой структуры.

3D-печать оснастки обеспечивает преимущества, аналогичные 3D-печати для любого производственного вспомогательного оборудования, быстрой оснастки или серийной детали, но с очень важным дополнением — возможностью изготовления легких конструкций.

• Легкость конструкции

• Гибкость и оперативность

• Кастомизация, сложность конструкции

• Экономическая эффективность

Напечатанная на 3D-принтере оснастка может быть прочной и иметь сложную геометрию, оптимизированную для прочности и жесткости в определенных направлениях, без добавления ненужного веса или объема самой оснастке. Кроме того, возможность 3D-печати оснастки внутри предприятия значительно повышает гибкость и оперативность производителя и помогает избежать длительных сроков поставки при аутсорсинге деталей или получении замен от OEM-производителей их роботизированных систем. Что касается кастомизации, то некоторые конструкции оснастки были разработаны так, чтобы их можно было дешево формовать или легко обрабатывать, а не проектировать для оптимальной функциональности и производительности. 3D-печать делает возможным проектировать каждый захват, приспособление, сварочный аппарат, рычаг, держатель и т.д. оптимально для работы, которую необходимо выполнить. Преимущество проектирования по требованию заключается в том, что производители могут снизить свои операционные расходы и избежать дорогостоящего процесса оснастки или механической обработки — вместо этого они могут печатать оснастку по мере необходимости в своих собственных рабочих помещениях.

Примеры напечатанной на 3D-принтере оснастки рабочих органов

ARMA
В ARMA, робототехническом подразделении японского производителя FITCo., разрабатывают роботизированные системы для производителей в различных отраслях. Они используют 3D-печать для замены своей традиционной металлической оснастки, в основном захватов, на 3D-печатную оснастку из нейлона, напечатанную на серии Fuse.

Tessy Plastics
Было создано нестандартное приспособление для отвертки, чтобы снимать резиновые трубки с пневматических быстроразъемных фитингов. Прочность деталей SLS позволяет создавать нестандартные инструменты и использовать их на производственном полу в течение нескольких дней с момента задумки. Приспособление облегчает снятие и надевание резиновых трубок, уменьшая повреждение фитингов, каждый из которых может стоить 20–30 долларов в случае необходимости замены.

University of Sheffield Advanced Manufacturing Research Centre (AMRC)
Исследователи композитов в AMRC разработали и напечатали очень сложные кронштейны для замены изношенных пневматических захватов робота. Решетчатый дизайн и упругая смола SLA обеспечивают нужную степень пружинистости для точного взятия и укладки слоев углеродного волокна.

Etienne Lacroix
Пластмассовое производственное подразделение Etienne Lacroix, MPM Company, использует 3D-принтеры Formlabs Fuse Series SLS для создания нестандартной, легкой оснастки, которая подбирает нагретые металлические вставки. Робот с 32 челюстями управляет деталями по оптическому волокну. Захваты были напечатаны на 3D-принтере с помощью Fuse Series и Nylon 12 Powder.

Инновации в датчиках и их влияние на оснастку

Достижения в технологии сенсоров сделали возможными сложные антропоморфные роботизированные системы, которые могут ощущать и реагировать с помощью контакта, фоторезисторов, звука и многого другого.

Еще одним из наиболее важных компонентов успешной интеграции оснастки является сенсорная система. В конце концов, робот не может поднять, приварить, захватить, очистить или иным образом воздействовать на деталь, если он не может «увидеть» ее с помощью системы чувств. Но датчики измеряют и передают не только визуальные данные, сенсорные системы могут собирать все виды информации, такие как видимый свет, звук, температура, контакт и близость, инфракрасное излучение и многое другое.

Каждый тип датчика получил преимущество от технологических достижений, которые делают их более мощными, точными и стабильными. Достижения в области солнечной энергии и надежность фотоэлектрических элементов улучшают световые датчики, используемые в роботизированных солнечных системах. Контактные датчики чрезвычайно важны для функций оснастки, поскольку они измеряют изменения скорости, положения, ускорения, крутящего момента или усилия между объектом и компонентом оснастки. Технология обнаружения магнитного поля используется в датчиках приближения. Роботизированной системе может потребоваться использовать все или большинство этих типов датчиков для правильного выполнения функции, и часто большая часть получаемых данных собирается или передается через компонент оснастки. Иногда единственной функцией оснастки является быть самим датчиком и передавать эту информацию обратно в основную систему.

Искусственный интеллект (ИИ) и оснастка рабочих органов

Искусственный интеллект делает системы автоматизации и робототехники более эффективными и производительными. Оснастка как собирает данные для подачи в систему искусственного интеллекта, так и выполняет действия по командам от системы. Чем точнее и надежнее оснастка интегрируется в робота и взаимодействует с объектом, тем выше качество данных, которые она подает в систему.

По мере того как ИИ становится более развитым, он может создавать более сложные и точные требования к роботизированным системам (и, следовательно, к оснастке, которая является частью этих систем) для выполнения. Чтобы справиться с этим возросшим уровнем сложности, необходимо точно настроить точность размеров компонентов оснастки, а также плавность работы их приводов, их прочность, надежность, сопротивление ползучести и оптимальный коэффициент трения.

Проектирование оснастки: как проектировать быстрее с помощью 3D-печати

Выбор правильного принтера и материала зависит от применения, среды, желаемого результата и многих других факторов. У этого сварочного робота, используемого Brose, есть нестандартный сварочный наконечник горелки из металла, но окружающие приспособления и фиксаторы напечатаны на 3D-принтере из термостойкого пластика.

3D-печать облегчает проектирование и изготовление рабочих органов и позволяет создавать более сложные, оптимизированные решения. Напечатанная на 3D-принтере оснастка может повысить эффективность и производительность — и даже ускорить процесс проектирования.

Три основных типа 3D-принтеров — это моделирование методом наплавления (FDM), стереолитография (SLA) и селективное лазерное спекание (SLS). Каждая технология может быть использована для создания прочной, нестандартной и эффективной оснастки, хотя каждая из них имеет уникальные преимущества, которые лучше подходят для некоторых применений.

FDM 3D-принтеры преуспевают в производстве быстрых, недорогих деталей, которые идеально подходят для моделирования и прототипирования. Для создания макетов оснастки для проверки размеров или рабочих процессов FDM — отличный выбор и предлагает знакомые индустрии материалы, такие как ABS, поэтому возможен анализ конечных элементов. Однако FDM 3D-принтеры экструдируют нить слой за слоем, создавая мельчайшие воздушные карманы между слоями в направлении Z — это может вызвать расслоение при приложении усилия в этом направлении и может сделать компоненты FDM оснастки непригодными в некоторых контекстах.

SLA 3D-принтеры создают детали путем отверждения слоев жидкой смолы в нужной форме слой за слоем с помощью тепла или света. Процесс отверждения создает изотропные детали, в отличие от FDM 3D-принтеров, поэтому напечатанная на SLA оснастка может выдерживать многонаправленные нагрузки одинаково. SLA 3D-принтеры представлены в диапазоне рабочих объемов и цен. Недорогие настольные смоляные принтеры доступны по цене от 200 до 1000 долларов, в то время как профессиональные варианты находятся в диапазоне от 2500 до 10 000 долларов, и рабочие объемы более чем подходят для подавляющего большинства компонентов оснастки.

SLS 3D-принтеры все чаще встречаются в производственных средах для 3D-печати оснастки. Прочность деталей, напечатанных методом SLS, и свойства материала нейлона, самого распространенного материала SLS, упрощают интеграцию напечатанной на SLS оснастки в существующие роботизированные системы. Кроме того, эластомерные материалы, такие как TPU 90A Powder от Formlabs, идеально подходят для производства кастомизированных, геометрически сложных мягких захватов, одного из самых больших применений для напечатанной на 3D-принтере оснастки.

Характеристика	Моделирование методом наплавления (FDM)	Стереолитография (SLA)	Селективное лазерное спекание (SLS)
Разрешение	★★☆☆☆	★★★★★	★★★★☆
Точность	★★★★☆	★★★★★	★★★★★
Качество поверхности	★★☆☆☆	★★★★★	★★★★☆
Производительность	★★★☆☆	★★★★☆	★★★★★
Сложные конструкции	★★★☆☆	★★★★☆	★★★★★
Простота использования	★★★★★	★★★★★	★★★★☆
Плюсы	Недорогие машины и материалы для потребителей. Быстро и просто для простых, небольших деталей.	Отличное соотношение цены и качества. Высокая точность. Гладкая поверхность. Высокие скорости печати. Широкий спектр функциональных применений.	Прочные функциональные детали. Свобода дизайна. Не нужны опорные структуры.
Минусы	Низкая точность. Низкая детализация. Ограниченная свобода дизайна.	Некоторые материалы чувствительны к длительному воздействию УФ-излучения.	Слегка шероховатая поверхность. Ограниченный выбор материалов.
Области применения	Концептуальное моделирование. Быстрое прототипирование. Функциональное прототипирование. Производственные пособия.	Концептуальное моделирование. Быстрое прототипирование. Функциональное прототипирование. Быстрая оснастка. Производственные пособия. Мелкосерийное, переходное или нестандартное производство. Стоматологические модели и аппараты. Медицинские модели и изделия. Прототипирование и литье ювелирных изделий. Модели и реквизит.	Быстрое прототипирование. Функциональное прототипирование. Мелкосерийное, переходное или нестандартное производство. Долговечные производственные пособия. Медицинские изделия, протезы и ортезы.
Объем печати	До 300 x 300 x 600 мм (настольные и настольные 3D-принтеры)	До 353 x 196 x 350 мм (настольные и настольные 3D-принтеры)	До 165 x 165 x 300 мм (настольные промышленные 3D-принтеры)
Материалы	Стандартные термопласты, такие как ABS, PLA и их различные смеси.	Разновидности смол (термореактивные пластмассы). Стандартные, инженерные (аналоги ABS, PP, гибкие, термостойкие, жесткие, наполненные стеклом), литейные, а также стоматологические и медицинские (биосовместимые). Чистый силикон и керамика.	Инженерные термопласты. Нейлон 12, нейлон 11, нейлоновые композиты, наполненные стеклом или углеродом, полипропилен, TPU (эластомер).
Обучение	Небольшое обучение настройке сборки, работе на машине и отделке; умеренное обучение техническому обслуживанию.	Plug and play. Небольшое обучение настройке сборки, техническому обслуживанию, работе на машине и отделке.	Умеренное обучение настройке сборки, техническому обслуживанию, работе на машине и отделке.
Требования к помещению	Кондиционированная среда или предпочтительно специальная вентиляция для настольных машин.	Настольные и настольные машины подходят для офисной среды.	Рабочая среда с умеренными требованиями к пространству для настольных систем.
Вспомогательное оборудование	Система удаления поддержек для машин с растворимыми поддержками (опционально автоматизированная), инструменты для отделки.	Моечная станция и станция последующего отверждения (обе могут быть автоматизированы), инструменты для отделки.	Станции постобработки для управления порошком и очистки деталей.
Стоимость оборудования	Бюджетные FDM-принтеры и наборы 3D-принтеров начинаются от около 200 долларов. Профессиональные настольные FDM-принтеры находятся в диапазоне от 2000 до 8000 долларов, а промышленные системы доступны от 15 000 долларов.	Недорогие смоляные 3D-принтеры доступны за 200–1000 долларов, профессиональные SLA 3D-принтеры — в диапазоне 2500–10 000 долларов, а крупноформатные смоляные 3D-принтеры — в диапазоне 5000–25 000 долларов.	Настольные промышленные SLS 3D-принтеры начинаются чуть менее 30 000 долларов за принтер и 60 000 долларов за всю экосистему, включая управление порошком и очистку. Традиционные промышленные SLS-принтеры начинаются от около 200 000 долларов.
Стоимость материалов	50–150 долл./кг для большинства стандартных нитей и 100–200 долл./кг для материалов поддержки или инженерных нитей.	100–200 долл./л для большинства стандартных и инженерных смол, 200–500 долл./л для биосовместимых материалов.	100 долл./кг за нейлон. SLS не требует опорных структур, а неспёкшийся порошок можно использовать повторно, что снижает стоимость материалов.
Трудозатраты	Ручное удаление поддержек (может быть в основном автоматизировано для промышленных систем с растворимыми поддержками). Для получения высококачественной отделки требуется длительная постобработка.	Промывка и последующее отверждение (оба процесса могут быть в основном автоматизированы). Простая постобработка для удаления следов поддержек.	Простой и полуавтоматизированный рабочий процесс для очистки деталей и восстановления порошка.

Пошаговое руководство по проектированию и 3D-печати оснастки

1. Определите область для улучшения: например, окрасочные шланги или сварочные горелки, которые можно было бы расположить под другим углом, захваты, которым нужно больше гибкости, тяжелые компоненты, которые можно оптимизировать для легкости и прочности, и т.д.

2. Оцифруйте существующие конструкции оснастки с помощью обратного проектирования, чтобы перейти к цифровому инвентарю, или определите потребности в оснастке и разработайте новые файлы.

3. Используйте процесс проектирования, чтобы добавить или удалить материал/вес там, где это возможно.

   • Возьмите существующий файл и уменьшите вес, где это возможно, с помощью генеративного дизайна, создания полостей или решетчатых структур.

   • Хотя и не тоньше металла, SLA и SLS 3D-принтеры позволяют создавать более сложные формы и более гладкие поверхности без дополнительной механической обработки, что может улучшить производительность и снизить затраты.

   • Защитите будущее ваших деталей, добавив вес на поверхности, которые испытывают износ или частое трение.

   • Объедините разрозненные сборочные компоненты для повышения эффективности с помощью петель-защелок, защелкивающихся соединений и сложной геометрии.

   • Учитывайте модульность и эргономику для легкости установки и удаления. Такие особенности, как рукоятки, контуры или резьба, могут сделать установку и последующую замену быстрее и проще.

4. Экспортируйте ваш дизайн в программное обеспечение для 3D-печати, такое как Preform от Formlabs, и выберите материал.

   • Учитывайте требования к материалам, такие как вес, нагрузки, ударопрочность, устойчивость к УФ-излучению, воздействие химических веществ и т.д. Сравните свойства материалов и оцените смолы SLA и порошки SLS на предмет полезности в вашем применении.

5. Отправьте вашу деталь на принтер, проведите постобработку и установите ваш компонент оснастки.

3D-печать оснастки рабочих органов

Напечатанная на SLA 3D-принтере оснастка, подобная этим белым роликам, помогает AMRC оптимизировать эффективность тяжелых промышленных систем своих клиентов.

Оснастка необходима для того, чтобы производственные системы могли эффективно и безопасно работать в рамках своих роботизированных рабочих процессов. В сочетании с другими передовыми технологиями, такими как искусственный интеллект и улучшения технологии зрения и чувственного восприятия, 3D-печать формирует будущее автоматизации.

Роботы становятся более способными и сложными и нуждаются в нестандартной, передовой оснастке, которая может соответствовать их достижениям в эффективности. Традиционная оснастка, изготовленная из металла или литьевого пластика, может быть тяжелой, громоздкой или иметь упрощенную конструкцию, что приводит к неэффективности и ненужному весу роботизированных систем.

3D-печать представляет собой альтернативу традиционным методам изготовления оснастки. Напечатанная на 3D-принтере оснастка может быть оптимизирована для прочности без добавления веса, она может быть быстро произведена по требованию, что повышает гибкость и сокращает простои, и она может быть модернизирована для улучшения процессов и обновлений без добавления высоких затрат на оснастку к итоговым показателям производителя.