HP Multi Jet Fusion: ako môže 3D tlač pomôcť v priemyselnej automatizácii

Robotické ramená a automatizované výrobné linky dnes zvládajú čoraz zložitejšie úlohy. Samotný robot je však len súčasťou celkového riešenia. Rovnako dôležitý je nástroj na konci jeho ramena – napríklad uchopovač, ktorým uchopuje súčiastky, alebo upínací prípravok, ktorý ich počas výroby drží v požadovanej polohe.

Takéto nástroje sa často skladajú z hliníkových profilov, obrábaných dielov a radu štandardných komponentov. Ich výroba je zvyčajne časovo náročná a každá úprava konštrukcie tak znamená ďalšiu prácu aj čas. Ak je navyše potrebné prispôsobiť nástroj konkrétnemu výrobku alebo výrobnej linke, tradičný postup nemusí byť vždy najrýchlejší ani najvýhodnejší.

Jedným z riešení je výroba pomocou technológie HP Multi Jet Fusion (MJF). Tá umožňuje tlačiť funkčné plastové diely z technického polyamidu PA 12 priamo podľa digitálneho návrhu. Konštruktér tak môže navrhnúť napríklad uchopovač s menším počtom súčastí alebo upraviť jeho tvar podľa konkrétnej aplikácie.

Ako môže 3D tlač zmeniť konštrukciu robotického chápadla

Chapač, alebo gripper, slúži na uchopenie a premiestňovanie výrobkov alebo ich častí. V závislosti od konkrétnej aplikácie môže mať podobu jednoduchého nástroja alebo zložitejšej zostavy s pneumatickými rozvodmi, konektormi, prísavkami či magnetmi. Patrí medzi nástroje umiestnené na konci robotického ramena, pre ktoré sa používa súhrnný názov end-of-arm tooling (EOAT).

Podoba chapadla závisí od toho, čo má robot uchopiť a ako s daným dielom potrebuje manipulovať. Konštrukcia preto často vzniká kombináciou samostatných komponentov, ktoré zabezpečujú jednotlivé funkcie. Takéto riešenie je osvedčené, avšak s rastúcim počtom súčastí pribúda aj spojov, a tým aj montážnych krokov a požiadaviek na údržbu. Každá zmena výrobku alebo pracovného postupu môže potom znamenať úpravu celého nástroja.

Technológia HP Multi Jet Fusion umožňuje pristupovať ku konštrukcii inak. Namiesto jednoduchého nahradenia kovových dielov plastovými je možné celé uchopovacie zariadenie navrhnúť nanovo s ohľadom na možnosti 3D tlače. Niektoré funkcie je možné zlúčiť do jedného dielu, prispôsobiť jeho tvar podľa uchopovaného dielu alebo navrhnúť odľahčenú konštrukciu tam, kde nie je potrebné toľko materiálu.

Prečo práve technológia HP Multi Jet Fusion a materiál PA 12

HP Multi Jet Fusion je technológia 3D tlače, pri ktorej sa diely vytvárajú postupným spájaním polymérneho prášku. Výroba prebieha po tenkých vrstvách. Na pracovnú plochu sa najskôr nanesie vrstva prášku a tlačová hlava do nej aplikuje špeciálne činidlá, ktoré určujú, kde sa materiál pôsobením tepla spojí. Ten istý postup sa opakuje, kým nevznikne celý diel.

Na tlač funkčných priemyselných dielov sa používajú technické plasty, napríklad polyamid PA 12. Ten je vhodný aj pre diely, ktoré nemajú slúžiť len ako vizuálne prototypy, ale majú plniť konkrétnu funkciu priamo v prevádzke.

Jednou z hlavných výhod technológie MJF je konštrukčná voľnosť. Návrh nemusí toľko zohľadňovať obmedzenia obrábania z kovového polotovaru ani požiadavky na montáž z väčšieho počtu samostatných dielov. A ak to aplikácia dovoľuje, niektoré prvky a funkcie je možné integrovať priamo do jedného dielu.

Konštruktér tak môže lepšie prispôsobiť geometriu dielu jeho konkrétnemu účelu a navrhovať aj tvary, ktorých výroba by bola konvenčnými výrobnými postupmi náročnejšia. Keďže výroba pomocou MJF nevyžaduje prípravu formy, táto technológia je vhodná aj pre jednotlivé kusy a menšie série, pri ktorých by náklady na formu neboli ekonomicky výhodné.

Continental: robotické chápadlo ľahšie o viac ako 85 %

Zaujímavý príklad využitia technológie MJF nájdeme v spoločnosti Continental Automotive Spain. Pri automatizácii montáže interiérových dielov automobilov riešila okrem iného zložitosť a hmotnosť používaných robotických chapadiel.

Pôvodné riešenie pozostávalo z veľkého množstva komponentov. Patrili medzi ne napríklad rozvody, konektory, magnety a ďalšie prvky potrebné na uchopenie a manipuláciu s jednotlivými dielmi. Takáto zostava bola nielen ťažká, ale vyžadovala si aj priebežnú údržbu a nastavovanie. Čas zaberala aj jej inštalácia a prispôsobenie novému pracovnému postupu.

Návrh nového riešenia prevzala organizácia IAM 3D Hub, ktorá pre spoločnosť Continental pripravila nový uchopovač a súvisiace nástroje s využitím technológie HP Multi Jet Fusion. Namiesto jednoduchého nahradenia jednotlivých kovových komponentov plastovými sa zamerala na kompletné prepracovanie konštrukcie.

Výsledkom bol uchopovač, ktorý je o viac ako 85 % ľahší ako pôvodné riešenie, pričom jeho nižšia hmotnosť a zotrvačnosť umožňujú nasadenie aj na robotických ramenách s nižšou nosnosťou. Nová konštrukcia je pritom vhodná pre kolaboratívne roboty, bežné šesťosové robotické ramená aj portálové systémy.

Sodecia: na nový uchopovač nemusíte čakať celý mesiac

Iný problém riešila spoločnosť Sodecia, globálny dodávateľ pre automobilový priemysel. Potrebovala skrátiť čas potrebný na obstaranie nového robotického chapadla na manipuláciu s automobilovými dielmi.

Pôvodný uchopovač mal modulárnu hliníkovú konštrukciu, ktorú dodával externý výrobca. Na jej dodanie sa čakalo približne 30 dní. To predlžovalo nielen obstaranie nového nástroja, ale aj realizáciu prípadných konštrukčných úprav.

Spoločnosť Sodecia preto v spolupráci s aplikačným tímom spoločnosti HP prepracovala pôvodnú konštrukciu pre výrobu technológií Multi Jet Fusion. Nový uchopovač vznikol z materiálu HP 3D High Reusability PA 12 na systéme HP Jet Fusion 5200.

Pri návrhu bolo dôležité zachovať dostatočnú tuhosť pre konkrétnu pracovnú úlohu. Výsledné riešenie je modulárne, umožňuje jednoduchšie nastavenie a tiež rýchlu výmenu jednotlivých častí uchopovača. Vďaka zmene výrobného postupu sa dodacia lehota skrátila z približne 30 dní na menej ako dva týždne.

Vďaka výrobe pomocou technológie MJF je navyše možné chapače tlačiť priamo v Kanade, bez nutnosti dovozu od externého dodávateľa. Spoločnosť Sodecia tak ušetrí nielen čas, ale aj dovozné clo, ktoré by inak predstavovalo približne 5 % nákladov, teda zhruba 1 000 dolárov.

Gimatic: od prototypu až po robotické prsty na mieru

To, že technológia Multi Jet Fusion nemusí zostať len pri prototypovaní, dokazuje aj talianska spoločnosť Gimatic, ktorá sa špecializuje na automatizačné a uchopovacie systémy.

Spočiatku využívala 3D tlač predovšetkým v raných fázach vývoja. Postupne však začala hľadať možnosti, ako túto technológiu zapojiť aj do výroby funkčných komponentov, výrobných prípravkov a finálnych dielov. V roku 2017 preto zakúpila systém HP Jet Fusion 4200 využívajúci technológiu Multi Jet Fusion.

Jedným z výsledkov tohto rozšírenia sú robotické prsty na mieru a ďalšie koncové nástroje. Vďaka 3D tlači môže spoločnosť Gimatic ich konštrukciu prispôsobiť konkrétnemu výrobku alebo požiadavkám danej výrobnej linky. Funkčné prototypy navyše dokáže pripraviť v priebehu niekoľkých dní. Vybrané diely môže vytlačiť cez noc a expedovať už nasledujúci deň po objednaní.

Technológia Multi Jet Fusion sa oplatí najmä pri jednotlivých kusoch a menších sériách, kde by klasická výroba alebo vstrekovanie nemuseli byť ekonomicky výhodné. Spoločnosť Gimatic pritom nevyradila vstrekovanie zo svojho výrobného procesu – veľkú časť dielov naďalej vyrába tradičným spôsobom. Túto technológiu využíva tam, kde jej to umožňuje rýchlejšie dodávať diely alebo ponúkať zákazníkom riešenia na mieru.

Kedy sa 3D tlač oplatí a kedy je lepšia klasická výroba

Technológia HP Multi Jet Fusion nie je univerzálnou náhradou za obrábanie ani vstrekovanie plastov. Každá výrobná technológia má svoje miesto a rozhodujúce sú predovšetkým konkrétna aplikácia, požadované vlastnosti dielu a veľkosť série.

Pri veľkých a opakovaných výrobných objemoch je vstrekovanie zvyčajne ekonomickejšie. Ak sa vyrábajú tisíce rovnakých dielov, investícia do formy sa rozloží na veľký počet kusov. Podobne má obrábanie svoje výhody pri dieloch s vysokými požiadavkami na presnosť, so špecifickými vlastnosťami materiálov alebo tam, kde je nevyhnutná kovová konštrukcia.

Technológia MJF naopak dáva zmysel najmä v situáciách, keď potrebujete:

• odľahčiť robotické chápadlo alebo iný koncový nástroj,
• spojit viac dielov do jednoduchšej konštrukcie,
• vyrobiť robotické prsty na mieru prispôsobené konkrétnemu výrobku,
• rýchlo pripraviť funkčný prototyp alebo ďalšiu konštrukčnú variantu,
• vyrábať jednotlivé kusy a menšie série bez investície do formy,
• skrátiť čakanie na náhradný alebo novo navrhnutý diel.

Pri rozhodovaní však nie je dobré zohľadňovať iba cenu jedného vytlačeného kusu. V prípade robotického nástroja môže významnú úlohu zohrať aj nižšia hmotnosť, jednoduchšia montáž alebo rýchlejšia výmena pri zmene výrobného procesu. To všetko sa môže prejaviť v prevádzkových nákladoch celého pracoviska.

Začnite s nástrojom, ktorý už používate

Ak máte vlastné konštrukčné oddelenie a pracujete s CAD údajmi, nemusíte začínať od nuly. Prvým krokom môže byť posúdenie niektorého z existujúcich uchopovačov, robotických prstov alebo výrobných prípravkov. Práve u nich sa často dá nájsť priestor na odľahčenie alebo zjednodušenie konštrukcie.

Pri technológii MJF je dôležité zohľadniť možnosti aditívnej výroby už pri návrhu. Nestačí len vziať pôvodný hliníkový diel a vytlačiť jeho kópiu z PA 12. Najlepších výsledkov dosiahnete vtedy, keď konštrukciu prispôsobíte vlastnostiam materiálu a spôsobu výroby.

Spoločnosť 3Dees je partnerom spoločnosti HP v oblasti priemyselnej 3D tlače v Českej republike a na Slovensku. Pomáha firmám posúdiť vhodnosť konkrétnej aplikácie, vybrať zodpovedajúcu technológiu a pripraviť riešenie od prvého návrhu až po funkčný diel.

Zvažujete, či by sa niektoré z vašich robotických chápadiel alebo prípravkov dali vyrobiť pomocou technológie HP Multi Jet Fusion? Pošlite nám svoj CAD model alebo opíšte konkrétnu aplikáciu. Spoločne posúdime, či je táto technológia pre ňu vhodná.