HP Multi Jet Fusion: w jaki sposób druk 3D może pomóc w automatyzacji przemysłowej

Ramiona robotów i zautomatyzowane linie produkcyjne radzą sobie dziś z coraz bardziej złożonymi zadaniami. Sam robot stanowi jednak tylko część całego rozwiązania. Równie ważne jest narzędzie umieszczone na końcu jego ramienia – na przykład chwytak, którym chwyta elementy, lub uchwyt, który utrzymuje je w wymaganej pozycji podczas produkcji.

Narzędzia tego typu często składają się z profili aluminiowych, elementów obrabianych oraz szeregu standardowych komponentów. Ich produkcja bywa czasochłonna, a każda modyfikacja konstrukcji oznacza dodatkową pracę i czas. Jeśli ponadto konieczne jest dostosowanie narzędzia do konkretnego produktu lub linii produkcyjnej, tradycyjna metoda nie zawsze jest najszybsza ani najkorzystniejsza.

Jednym z rozwiązań jest produkcja z wykorzystaniem technologii HP Multi Jet Fusion (MJF). Technologia ta umożliwia drukowanie funkcjonalnych elementów z technicznego poliamidu PA 12 bezpośrednio na podstawie projektu cyfrowego. Konstruktor może w ten sposób zaprojektować na przykład chwytak składający się z mniejszej liczby elementów lub dostosować jego kształt do konkretnego zastosowania.

Gdzie druk 3D może zmienić konstrukcję chwytaka robotycznego

Chwytak, zwany również gripperem, służy do chwytania i przemieszczania produktów lub ich części. W zależności od konkretnego zastosowania może mieć postać prostego narzędzia lub bardziej złożonego zespołu z układami pneumatycznymi, złączami, przyssawkami lub magnesami. Należy do narzędzi umieszczonych na końcu ramienia robota, dla których stosuje się zbiorcze określenie end-of-arm tooling (EOAT).

Wygląd chwytaka zależy od tego, co robot ma chwytać i w jaki sposób musi manipulować danym elementem. Konstrukcja często powstaje zatem poprzez połączenie oddzielnych komponentów, które zapewniają poszczególne funkcje. Takie rozwiązanie jest sprawdzone, ale wraz ze wzrostem liczby elementów rośnie liczba połączeń, a tym samym liczba etapów montażu i wymagań konserwacyjnych. Każda zmiana produktu lub procedury roboczej może wówczas oznaczać konieczność modyfikacji całego narzędzia.

Technologia HP Multi Jet Fusion pozwala na inne podejście do konstrukcji. Zamiast zwykłego zastępowania elementów metalowych elementami z tworzywa sztucznego, można zaprojektować cały chwytak od nowa, uwzględniając możliwości druku 3D. Niektóre funkcje można połączyć w jednym elemencie, dostosować jego kształt do chwytanego elementu lub zaprojektować lżejszą konstrukcję tam, gdzie nie jest potrzebna tak duża ilość materiału.

Dlaczego warto wybrać technologię HP Multi Jet Fusion i materiał PA 12

HP Multi Jet Fusion to technologia druku 3D, w której elementy powstają poprzez stopniowe łączenie proszku polimerowego. Produkcja odbywa się warstwa po warstwie. Najpierw na powierzchnię roboczą nakładana jest warstwa proszku, a głowica drukująca nanosi na nią specjalne środki, które określają, gdzie materiał połączy się pod wpływem ciepła. Ta sama procedura jest powtarzana, aż do utworzenia całego elementu.

Do drukowania funkcjonalnych elementów przemysłowych stosuje się tworzywa techniczne, na przykład poliamid PA 12. Nadaje się on również do elementów, które nie mają służyć wyłącznie jako prototypy wizualne, ale mają pełnić konkretną funkcję bezpośrednio w eksploatacji.

Jedną z głównych zalet technologii MJF jest swoboda projektowa. Projekt nie musi w tak dużym stopniu uwzględniać ograniczeń związanych z obróbką metalowych półfabrykatów ani wymagań dotyczących montażu z większej liczby oddzielnych części. A jeśli pozwala na to zastosowanie, niektóre elementy i funkcje można zintegrować bezpośrednio w jednym elemencie.

Dzięki temu konstruktor może lepiej dostosować geometrię części do jej konkretnego przeznaczenia, a także projektować kształty, których wytworzenie przy użyciu konwencjonalnych metod produkcji byłoby trudniejsze. Ponieważ produkcja z wykorzystaniem technologii MJF nie wymaga przygotowania formy, technologia ta nadaje się również do produkcji pojedynczych egzemplarzy i mniejszych serii, w przypadku których koszty związane z formą nie byłyby opłacalne.

Continental: chwytak robotyczny lżejszy o ponad 85 %

Ciekawy przykład zastosowania technologii MJF można znaleźć w firmie Continental Automotive Spain. Podczas automatyzacji montażu elementów wyposażenia wnętrz samochodowych firma zmagała się między innymi ze złożonością i masą stosowanych chwytaków robotycznych.

Pierwotne rozwiązanie składało się z dużej liczby komponentów. Należały do nich na przykład przewody, złącza, magnesy i inne elementy niezbędne do chwytania i manipulowania poszczególnymi częściami. Taki zestaw był nie tylko ciężki, ale wymagał również ciągłej konserwacji i regulacji. Czasochłonne było również jej instalowanie i dostosowywanie do nowego procesu roboczego.

Projekt nowego rozwiązania podjęła organizacja IAM 3D Hub, która przygotowała dla firmy Continental nowy chwytak oraz powiązane narzędzia z wykorzystaniem technologii HP Multi Jet Fusion. Zamiast zwykłego zastąpienia poszczególnych metalowych komponentów elementami z tworzywa sztucznego, skupiła się na całkowitej przebudowie konstrukcji.

W rezultacie powstał chwytak o ponad 85% lżejszy od pierwotnego rozwiązania, którego mniejsza masa i bezwładność umożliwiają zastosowanie nawet na ramionach robotów o mniejszej nośności. Nowa konstrukcja nadaje się zarówno do robotów współpracujących, jak i do standardowych ramion robotycznych o sześciu osiach oraz systemów portalowych.

Sodecia: na nowy chwytak nie trzeba czekać miesiąc

Inny problem rozwiązała firma Sodecia, globalny dostawca dla przemysłu motoryzacyjnego. Musiała skrócić czas potrzebny na zakup nowego chwytaka robotycznego do manipulacji częściami samochodowymi.

Pierwotny chwytak miał modułową konstrukcję aluminiową, dostarczaną przez zewnętrznego producenta. Na jego dostawę trzeba było czekać około 30 dni. Wydłużało to nie tylko proces pozyskania nowego narzędzia, ale także realizację ewentualnych modyfikacji konstrukcyjnych.

W związku z tym firma Sodecia, we współpracy z zespołem aplikacyjnym HP, przeprojektowała pierwotną konstrukcję pod kątem technologii Multi Jet Fusion. Nowy chwytak został wykonany z materiału HP 3D High Reusability PA 12 na systemie HP Jet Fusion 5200.

Podczas projektowania ważne było zachowanie wystarczającej sztywności dla konkretnego zadania roboczego. Ostateczne rozwiązanie ma charakter modułowy, co ułatwia regulację, a także pozwala na szybką wymianę poszczególnych części chwytaka. Dzięki zmianie procesu produkcyjnego czas dostawy skrócił się z około 30 dni do mniej niż dwóch tygodni.

Ponadto dzięki technologii MJF chwytaki można drukować bezpośrednio w Kanadzie, bez konieczności sprowadzania ich od zewnętrznego dostawcy. Dzięki temu firma Sodecia oszczędza nie tylko czas, ale także cło importowe, które w przeciwnym razie stanowiłoby około 5% kosztów, czyli około 1 000 dolarów.

Gimatic: od prototypu po palce robotyczne na zamówienie

Włoska firma Gimatic, specjalizująca się w systemach automatyzacji i chwytania, pokazuje, że technologia Multi Jet Fusion nie musi ograniczać się wyłącznie do prototypowania.

Początkowo firma wykorzystywała druk 3D głównie we wczesnych fazach rozwoju. Stopniowo jednak zaczęła szukać możliwości zastosowania tej technologii również w produkcji elementów funkcjonalnych, przyrządów produkcyjnych i gotowych części. W 2017 roku firma zakupiła zatem system HP Jet Fusion 4200 wykorzystujący technologię Multi Jet Fusion.

Jednym z efektów tego rozszerzenia są wykonywane na zamówienie palce robotyczne i inne narzędzia końcowe. Dzięki drukowi 3D firma Gimatic może dostosować ich konstrukcję do konkretnego produktu lub wymagań danej linii produkcyjnej. Ponadto jest w stanie przygotować funkcjonalne prototypy w ciągu kilku dni. Wybrane części można wydrukować w ciągu nocy i wysłać już następnego dnia po złożeniu zamówienia.

Technologia Multi Jet Fusion opłaca się zwłaszcza w przypadku pojedynczych sztuk i mniejszych serii, gdzie klasyczna produkcja lub formowanie wtryskowe mogłyby nie być opłacalne ekonomicznie. Jednocześnie firma Gimatic nie wyeliminowała wtrysku z procesu produkcyjnego – znaczną część części nadal wytwarza w tradycyjny sposób. Technologię tę wykorzystuje tam, gdzie pozwala ona na szybszą dostawę części lub zaoferowanie klientom rozwiązań dostosowanych do ich potrzeb.

Kiedy druk 3D się opłaca, a kiedy lepsza jest produkcja tradycyjna

Technologia HP Multi Jet Fusion nie jest uniwersalnym zamiennikiem obróbki skrawaniem ani formowania wtryskowego tworzyw sztucznych. Każda technologia produkcyjna ma swoje zastosowanie, a decydujące znaczenie mają przede wszystkim konkretne zastosowanie, wymagane właściwości części oraz wielkość serii.

W przypadku dużych i powtarzalnych wolumenów produkcyjnych wtrysk jest zazwyczaj bardziej ekonomiczny. Jeśli produkuje się tysiące identycznych części, inwestycja w formę rozkłada się na dużą liczbę sztuk. Podobnie obróbka skrawaniem ma swoje zalety w przypadku części o wysokich wymaganiach dotyczących dokładności, o specyficznych właściwościach materiałowych lub tam, gdzie niezbędna jest konstrukcja metalowa.

Z kolei technologia MJF ma sens przede wszystkim w sytuacjach, gdy potrzebne jest:

• zmniejszyć masę chwytaka robotycznego lub innego narzędzia końcowego,
• połączyć więcej elementów w prostszą konstrukcję,
• wyprodukować niestandardowe palce robotyczne dostosowane do konkretnego produktu,
• szybko przygotować działający prototyp lub kolejną wariant konstrukcyjny,
• wytwarzać pojedyncze egzemplarze i mniejsze serie bez inwestycji w formę,
• skrócić czas oczekiwania na część zamienną lub nowo zaprojektowaną.

Przy podejmowaniu decyzji nie należy kierować się wyłącznie ceną pojedynczego wydrukowanego elementu. W przypadku narzędzia robotycznego istotną rolę może odgrywać również mniejsza waga, prostszy montaż lub szybsza wymiana w przypadku zmiany procesu produkcyjnego. Wszystko to może przełożyć się na koszty eksploatacji całego stanowiska pracy.

Zacznij od narzędzia, z którego już korzystasz

Jeśli dysponują Państwo własnym działem konstrukcyjnym i pracują z danymi CAD, nie muszą Państwo zaczynać od zera. Pierwszym krokiem może być ocena jednego z istniejących chwytaków, palców robotycznych lub przyrządów produkcyjnych. Właśnie w tych elementach często można znaleźć możliwości zmniejszenia masy lub uproszczenia konstrukcji.

W przypadku technologii MJF ważne jest, aby już na etapie projektowania uwzględnić możliwości produkcji addytywnej. Nie wystarczy po prostu wziąć oryginalną aluminiową część i wydrukować jej kopię z PA 12. Najlepsze wyniki można osiągnąć wtedy, gdy konstrukcja zostanie dostosowana do właściwości materiału i sposobu produkcji.

3Dees jest partnerem firmy HP w zakresie przemysłowego druku 3D w Czechach i na Słowacji. Pomaga firmom ocenić przydatność konkretnego zastosowania, dobrać odpowiednią technologię oraz przygotować rozwiązanie od pierwszego projektu aż po gotową, funkcjonalną część.

Zastanawiasz się, czy któreś z Twoich chwytaków robotycznych lub przyrządów można wyprodukować przy użyciu technologii HP Multi Jet Fusion? Prześlij nam swój model CAD lub opisz konkretne zastosowanie. Wspólnie ocenimy, czy ta technologia ma sens w tym przypadku.