Banbrytande framsteg inom robotstyrd 3D-printning

– Det här är den mest komplicerade integrerade processen vi någonsin har genomfört, säger Woodrow Wiest, laboratorieingenjör vid Applikationscenter för additiv tillverkning hos RISE, och fortsätter:

– Att använda stora industrirobotar för 3D-printning och bearbetning i en oavbruten rörelse är inte vanligt förekommande. För oss är det helt nytt. Vi vet att det har finns robotstyrda fräsar och slipar, och robotstyrd 3D-printning har också funnits i några år. Men att kombinera de två olika disciplinerna, det vill säga adderande och subtraherande processer, är nytt.

När Melker of Sweden kontaktade RISE med sin nya kajakidé uppstod en möjlighet att utforska gränserna för robotstyrd 3D-printning och multifunktionsverktyg. Arbetet för att omvandla konceptet till färdig prototyp krävde ett nära samarbete mellan flera parter. Adaxis tillhandahöll både den kompetens och mjukvarulösning som krävdes för en integrering av 3D-printning och bearbetning. Biofiber Tech bidrog med sina biobaserade material, medan ABB:s mjukvara användes för att generera robotens utskriftsprogram. Förutom den banbrytande komplexiteten involverade processen flera innovativa delmoment, såsom produktionen av luckringarna.

– Att printa på redan printat material är inte helt enkelt, eftersom det kräver att man lyckas skapa en bra bindning mellan substratet och det nya materialet. Det är en ung teknik som öppnar för mängder av nya möjligheter. Storskalig additiv tillverkning är problematiskt vid vinklar över 45 grader. Om vi skriver ut sidledes linjerar inte lagren med varandra, vilket i slutänden kan leda till att materialet kollapsar. För att undvika detta brukar vi vanligtvis printa tillägg separat och limma på dem för hand, förklarar Woodrow Wiest.

Nya forskningsmöjligheter

Enligt Woodrow Wiest har möjligheten att printa på redan printat material öppnat upp flera nya forskningsområden. Hur man förbättrar vidhäftningen är ett av dem.

– Hur får du den nya utskriften att fästa på den tidigare, när den tidigare utskriften är kall och den kontinuerliga processen är bruten? Det är ännu inte löst. Det går att göra, med lite tur, genom att leta sig fram till en punkt där alla inställningar fungerar och behålla dem där. Men man skulle behöva ha ordentliga simuleringar på plats som faktiskt visar att det är möjligt.

En annan innovativ lösning som såg dagens ljus vid kajaktillverkningen var att automatiskt variera extruderingsprocessen på vissa ytor. Detta gjordes för att öka tjockleken på skrovets botten och därigenom säkerställa att det fanns tillräckligt med material för fräsning. Frässpindeln hade integrerats med roboten tidigare under våren och detta var fjärde gången den kördes i en process.

– Det är ett ganska stort glapp mellan professionell mjukvara för fräsning och mjukvara för 3D-printning. Detta är också ett område som behöver utforskas: vid vilken punkt är mjukvaran lämpligast för 3D-printning, hur långt måste vi ta fräsen som en in-situ-process, och när vill vi separera de två processerna?

Konkret industrinytta

Utöver nya forskningsmöjligheter öppnar lärdomarna från kajaktillverkningen nya dörrar för tillverkningsindustrin.

– Om någon del av branschen behöver en stor och snabbt producerad komponent, med borrade hål och frästa ytor, går det att ordna. Systemet är väldigt flexibelt; eftersom det är en robotarm på en bana kan vi nå många olika platser och anpassa roboten efter specifika produkter. Plast, cement eller metall – alla dessa material kan printas och sedan fräsas, poleras eller målas av roboten, säger Woodrow Wiest.

Ett specifikt område där denna nya teknik verkligen kan komma till användning är vid tillverkning av negativa formar.

– Formar tillverkas ofta av jättestora block av skummad härdplast, vilka inte är särskilt återvinningsbara. Stora mängder material fräses bort för att komma åt en liten bit i mitten. Denna teknik tillåter oss att printa objekt nära den slutgiltiga formen och sedan bearbeta dem till de färdiga måtten med minimalt materialspill. Och i teorin skulle formen kunna malas ned och återanvändas som råmaterial för en ny form, vilket minskar miljöpåverkan.

Fler case gynnar utvecklingen

Trots processens komplexitet och mängden nya element som ingick i den, gick allt enligt plan – ett resultat som överraskade Woodrow Wiest:

– När det gäller robotstyrd additiv tillverkning fungerar saker vanligen inte på första försöket. Men det är lätt att dela framgångar och tala lågt om misslyckanden, så människor tenderar att tro att tekniken är långt mer avancerad än vad den verkligen är. Tekniken är naturligtvis mycket kapabel, och man kan få fram fantastiska delar, men det återstår fortfarande mycket arbete när det gäller storskalig printning.

Woodrow Wiest anser att initiativ som denna kajaktillverkning är avgörande för att driva utvecklingen framåt och skapa nya insikter.

– Vi måste arbeta med processen oavbrutet, och öka antalet aktiviteter knutna till printning och fräsning. Riktiga case är avgörande för att vi ska kunna finjustera systemet och upptäcka dess användningsområden. Genom att vårda vår nära relation till industrin och ständigt söka nya samarbetsmöjligheter, kommer vi tveklöst att upptäcka en mängd applikationer för denna teknik.