Verhoogde efficiëntie voor industriële automatisering via 3d printing

De constante nood aan efficiëntere productieprocessen heeft de maakindustrie de afgelopen decennia sterk getransformeerd. De opkomst van automatisering en robotica leidde tot een hogere betrouwbaarheid en ongeziene output in tal van sectoren. Vandaag speelt ook 3d printing een steeds grotere rol binnen de industriële automatisering.

Thomas Leroy is businessdeveloper bij Materialise.

Van de automobielindustrie en de voedingsindustrie tot elektronica en luchtvaart: productielijnen zijn terug te vinden in erg verschillende sectoren. Dit maakt dat ook de vereisten voor automatisering erg divers zijn. Op maat gemaakte oplossingen zijn daarom cruciaal voor het rendement en de performance van de systemen, en vaak zit de duivel in de details. Componenten als grijpers, spuitmonden en trommels, die vaak aan het einde van het ontwerpproces van de automatiseringsoplossing hun uiteindelijke vorm krijgen, kunnen de efficiëntie van een volledige lijn beïnvloeden. De ontwerpvrijheid van 3d-printtechnologie laat toe deze delen vanuit een functioneel oogpunt te ontwerpen, wat vaak de functionaliteit en het kostenplaatje ten goede komt.

Terwijl de traditionele productietechnieken aanpassingen duur maken, vooral door de kosten van het machinaal bewerken en vervaardigen, is additive manufacturing zeer geschikt voor kostenefficiënte productie van kleine tot middelgrote series. Bij 3d printing wordt de stap van machinaal bewerken overgeslagen en wordt na het ontwerpen onmiddellijk geproduceerd, waardoor korte ontwerpcycli voor producten mogelijk zijn en een ideale basis voor mass customization ontstaat.

Triltrommels kunnen bijvoorbeeld worden aangepast aan de eisen van de industrie, de toepassing, de materiaaleigenschappen, het volume en de oriëntatie van het product. Grijpers kunnen binnen één basisontwerp doeltreffender worden gemaakt door de vorm en configuratie van de vingers aan te passen, vacuümkanalen in het ontwerp van de grijper op te nemen of andere omringende functies van de robotarm te identificeren en deze rechtstreeks in de grijper op te nemen. De ontwerpvrijheid, vooral op het vlak van interne kanalen, laat toe de vloeistofstroom en nauwkeurigheid van spuitmonden te optimaliseren.

Bij het ontwerp van componenten voor automatiseringsprocessen moet met verschillende zaken rekening worden gehouden. Zo hebben de vorm, de oriëntatie, het gewicht en de afmetingen van het te hanteren product invloed op de vormgeving en opbouw van de grijper. Daardoor is deze laatste stap in het automatiseringsproject een zeer delicate en complexe. Met 3d-printtechnologie wordt deze stap anders; niet alleen doordat het iteratieve ontwikkeling vergemakkelijkt, maar ook doordat het een nieuwe manier van ontwerpen introduceert.

Vacuümgrijper

3d geprinte grijpers kunnen bijzonder geschikt zijn voor het hanteren, verpakken en assembleren van organische of complexe vormen. De vingers kunnen volledig op maat van het product worden ontworpen, zonder daarbij de kosten negatief te beïnvloeden. Omdat verhoogde complexiteit quasi geen impact heeft op de kost, kunnen ontwerpers hun designs maken met maximale prestaties voor ogen. Daarnaast kan hiermee het aandeel handmatige assemblage worden teruggebracht, bijvoorbeeld door meerdere functies in één component op te nemen of door het gewicht en de kosten omlaag te brengen door de binnenruimte van het ontwerp uit te hollen en zo een minimum aan materiaal te gebruiken.

In het geval van een vacuümgrijper (zie foto) spelen vele van de bovengenoemde factoren een rol tijdens de evolutie van het oorspronkelijke ontwerp tot het voor 3d printen optimale design. Het oorspronkelijke ontwerp was bedoeld voor vervaardiging met behulp van frezen en machinaal bewerken. Het voor 3d printing ontworpen aluminium stuk kost minder dan een derde van het oorspronkelijke, heeft amper een kwart van het gewicht en hoeft niet te worden geassembleerd. De kostenvermindering door het lagere materiaalverbruik en het wegvallen van de assemblagestap is het rechtstreekse gevolg van ontwerpoptimalisatie, in dit geval gerealiseerd door het uithollen van de binnenruimte, het integreren van luchtkanalen en een verbindingsbuis en -arm, en door het gebruik van een slimme oriëntatie op het 3d-bouwplatform. Dit laatste aspect is bijzonder belangrijk omdat bij 3d printen in metaal het materiaalverbruik een belangrijke kostenfactor is en eventuele ondersteuningsconstructies een extra kost met zich mee kunnen brengen.

Voor een pneumatische vingergrijper biedt ontwerpoptimalisatie de mogelijkheid een onderhoudsvriendelijker product te maken. Scharnieren, een veel voorkomend onderdeel bij robotgrijpers met vingers, kunnen de levensduur van grijpers verkorten en door de belastingen die ze ondergaan hoge onderhoudskosten veroorzaken. Door het ontwerp voor de pneumatische grijper te combineren met flexibel materiaal kunnen de scharnieren achterwege blijven, met als bijkomende voordelen een kortere assemblagetijd en langere onderhoudsintervallen in de toekomst.

Rvs

Bij industriële automatisering kunnen de belangrijkste vereisten voor het materiaal variëren van hardheid of zachtheid tot duurzaamheid en voedselveiligheid. Additive manufacturing maakt gebruik van een breed scala aan materialen dat aan verschillende industriële vereisten voldoet, met inbegrip van kunststoffen en metalen.

Roestvrij staal, dat doorgaans wordt gebruikt voor voedselveilige toepassingen en medische instrumenten, kan met 3d-printtechnologie met kostenefficiëntere ontwerpen en kortere levertijden worden geproduceerd. Voor projecten waarbij een laag grijpergewicht een vereiste is voor snellere bewegingen van de robot zijn TPU 92A-1 en PA12 veelzijdige en zelfs voedselveilige kunststoffen mits aan een aantal voorwaarden wordt voldaan. TPU 92A-1 heeft flexibiliteit als aanvullende kwaliteit, terwijl PA12 uitzonderlijk stabiel is en een lange levensduur heeft.

Wanneer vanwege de vereisten een specifiek materiaal nodig is dat niet in 3d kan worden geprint, kunnen 3d geprinte gietvormen een goed alternatief zijn voor bijvoorbeeld vacuümgieten. Met deze oplossing blijven de voordelen van 3d printen behouden, met inbegrip van de ontwerpvrijheid en de korte ontwerp- en productiecycli, terwijl toch kan worden gebruikgemaakt van de conventionele productiekunststoffen.

Volwaardig

Door de plaats van robotica en industriële automatisering binnen Industrie 4.0 wordt verwacht dat de vraag naar lichtere, snellere en kostenefficiëntere componenten aanzienlijk zal stijgen. Additive manufacturing maakt volledig digitale toeleverketens voor zulke componenten mogelijk, beginnend bij 3d-scans en via cad-ontwerpen en digitale ontwerpoptimalisatie rechtstreeks naar door software aangestuurde, gecertificeerde additive manufacturing on demand. De flexibele productie en onderling verbonden software- en hardwaresystemen die de kern vormen van Industrie 4.0 liggen perfect in lijn met het proces om 3d geprinte componenten te produceren en de voordelen die deze componenten kunnen bieden.

De afgelopen jaren is er vanuit de industrie een toegenomen interesse naar de rol van 3d printing voor productielijnen, waardoor geprinte componenten voor een steeds grotere diversiteit aan applicaties worden gebruikt. Het 3d printen heeft zich dan ook terecht als volwaardige productietechnologie genesteld naast het meer traditionele frezen, draaien en spuitgieten, waarbij elke technologie over eigen voordelen en beperkingen beschikt.