3D tisk a přesné měření dílů s využitím robotu

V druhé polovině roku 2021 jsme se začali zabývat nápadem na vytvoření robotického pracoviště, které využívá průmyslový robot střední velikosti a polohovací zařízení pro aditivní výrobu. Polohovací zařízení rozšiřuje výrobní možnosti pracoviště a s jeho využitím není nutné vytvářet podpory materiálu. Zároveň polohovadlo umožňuje vyrábět i konstrukčně složité díly. Díky tomu je možné při výrobě ušetřit čas jak při tisku podpor, tak i při jejich následném odstraňování. Navíc má programátor více možností, jak daný díl vyrobit, a to zejména v případě rotačních nebo symetrických dílů. Důležitou roli ve vyvinutém řešení hraje laser tracker, který má hned několik využití. Pomocí něj lze zajistit vyšší přesnost vyráběných dílů, ale také je možné ho použít v kombinaci se speciálním odražečem na robotu k přesnému měření dílů dotykovou sondou.

Součástí výzkumu je také predikce procesních parametrů pro víceosou aditivní výrobu na základě přesného měření vyrobených dílů. Tento systém následně zajistí co nejnižší náročnost pro obsluhu pracoviště. Cílem je dosáhnout co největšího stupně automatizace při přípravě výrobních programů.

Digitální dvojče pracoviště má řadu důležitých funkcí pro přípravu a simulaci aditivní výroby. Digitální dvojče je reprezentováno ekvivalentním modelem robotu a polohovadla, včetně všech geometrických a kinematických údajů. Postup tvorby programu aditivní výroby je následující:

1. tvorba nového výrobního programu s vybraným CAD modelem;

2. výběr výrobního stroje a nástroje;

3. tvorba výrobních operací;

4. použití predikovaných procesních parametrů;

5. verifikace a simulace programu;

6. post-processing a export programu do kontroléru robotu.

Využití digitálního dvojčete urychluje přípravu programu pro výrobní proces a je velice efektivní. Pro tvorbu výrobních operací stačí programátorovi základní znalost tvorby operací v CAM softwaru Siemens NX. Rychlost přípravy programu závisí na zkušenostech programátora, ale v porovnání s přípravou operací pro obrábění je díky digitálnímu dvojčeti snazší a rychlejší. Při aditivní výrobě je zapotřebí ošetřit některé nežádoucí vlastnosti CAM softwaru, který je původně určen pro obráběcí výrobní operace. Je nutné brát v potaz dráhu, kterou robot musí urazit, resp. čas, který potřebuje k tomu, aby se dostal na požadovanou výrobní rychlost, a tu svázat s rychlostí extruze. Pokud se robot zastaví například v rohu, je nutné zastavit extruzi, kdežto v případě obrábění se v rohu vřeteno zastavovat nemusí. Dále je zapotřebí zajistit konstantní rychlost při tisku obloukových tvarů atd. Výhodou CAM softwaru je zejména možnost použití geometricky přesného modelu (CAD soubor) a vyhnutí se modelu ve formátu .stl (stereolithography), který je triangulován a může mít omezenou přesnost. Další výhodou je možnost dekompozice komplexního modelu na jednoduché geometrické útvary, což následně umožní snadno definovat výrobní operace. Dostupné výrobní operace v modulu Multi Axis Deposition zahrnují téměř všechny možné způsoby výroby dílů za využití interpolací v rovině i prostoru.

Pro testovací účely byl využit extrudér od společnosti Prusa Research. Naše řešení se však soustředí na nezávislost použité aditivní technologie, resp. extrudéru. Je tak možné použít extrudéry pracující s plátovým filamentem či peletkami, kovem, betonovou směsí atd. Aby bylo možné využít naše metody pro predikci procesních parametrů, bylo zapotřebí zobecnit řízení extruze materiálu. Jelikož kontrolér robotu umožňuje sledování aktuální rychlosti středového bodu nástroje, pracujeme v našem řešení s touto proměnnou. Svázali jsme pomocí cyklického programu rychlost extruze (toku materiálu) s rychlostí robotu. Tento postup u levnějších 3D tiskáren nelze použít, jelikož řídicí systémy těchto tiskáren nedisponují enkodéry, a tak nelze sledovat rychlost koncového bodu nástroje (Tool Center Point). Při změně rychlosti robotu se tak dynamicky přizpůsobuje rychlost extruze, kdy výpočet toku materiálu vychází z rovnice kontinuity. Šířka a výška vrstvy materiálu se volí na základě uživatelských požadavků.

Zprvu byl laser tracker využit na kalibraci robotu a jeho externí kinematiky (polohovadla), aby byla zajištěna dostatečná výrobní přesnost. Pomocí kalibrace robotu lze zlepšit přesnost zhruba třikrát. Přesností je zde myšlena opakovatelnost, která ale nezajišťuje přesnost během interpolace úseček z CAM. Pokud tedy bude mít uživatel pracoviště vyšší nároky na přesnost interpolace za chodu robotu, lze laser tracker použít pro korekci polohy středového bodu nástroje v online zpětnovazební smyčce. Kompenzační cyklus pak zajistí kvalitnější interpolaci a potlačí chybu, která je způsobena angulární kinematikou robotu, což není nejvhodnější kinematika pro lineární interpolace. Během výrobního procesu je koutový odražeč připevněn na extrudéru a je snímán laser trackerem.

Při výměně standardního koutového odražeče za speciální odražeč se spínací dotykovou sondou se otevírají další možnosti v oblasti metrologie a automatizace přesného měření. Tento systém může do jisté míry nahradit klasické souřadnicové měřicí stroje. Oproti nim však nabízí opět větší pracovní prostor, a hlavně rozšířené možnosti při měření dotykovou sondou. Pokud bude dané pracoviště také vybaveno dopravníkem, zvýší se i kapacita výstupní kontroly. Jeden z členů týmu Václav Kubáček komentuje výsledek své práce následovně: „Naše řešení je již funkční a lze jej používat buď s naším softwarem vyvinutým dle požadavků zákazníka, nebo s metrologickým softwarem, který poskytuje další rozšířené možnosti. Přesnost měření je udávána výrobcem laserového trackeru a není ovlivněna nepřesností robotu, jelikož laser tracker pracuje ve vlastním souřadnicovém systému. Robot zde zastupuje pouze funkci přenašeče sondy.“

Pro náročnější zákazníky budeme vyvíjet kompletní systém kontroly kvality, kde se výsledek měření bude na měřený díl značit s využitím laserového značkovače.

„Nyní vyvíjíme systém predikce procesních parametrů pro víceosou aditivní výrobu, který je založený na principech umělé inteligence. Ten pracuje se zadanými procesními parametry a naměřenými daty,“ říká k dalšímu směřování tohoto pracoviště ředitel Testbedu pro Průmysl 4.0 Pavel Burget. Tento systém si lze představit jako automatickou kalibraci procesních parametrů pro aditivní výrobní technologie. Předpovězené procesní parametry se pak vkládají do digitálního dvojčete modelu v softwaru CAM, a generuje se tak kompletní kód pro kontrolér robotu. Obsluha pracoviště nebude muset odhadovat či experimentálně určovat výrobní parametry pro aditivní výrobu.

Mezi hlavní výhody vyvinutého řešení se řadí již zmíněné rozšíření výrobních možností při použití polohovacího zařízení. Dále je v porovnání s klasickými FDM tiskárnami výhodou větší pracovní prostor a nezávislost použitého typu extrudéru, resp. vyráběného materiálu. Náklady na pořízení tohoto pracoviště jsou nižší či ekvivalentní při srovnání s pořizovací cenou průmyslových FDM tiskáren. Používání modelu digitálního dvojčete je snadné, ale nabízí také řadu pokročilých funkcí jako například ověřit a simulovat program pro robot, včetně kontroly kolizí a singularit během výrobního procesu. Co se přesného měření týče, přínos v podobě automatizace metrologického procesu je značný. Dotyková sonda na odražeči je navíc kompatibilní s širokým výběrem příslušenství od renomovaných výrobců měřicích zařízení.