От гитар до боулинга: автоматизация производства с 3D печатью

На лесопилке, расположенной в горном хребте Норт-Каскейдс, работают роботы. Pacific Rim Tonewoods (PRT) поставляет крупным и мелким производителям гитар, таким как Martin, Taylor, Gibson и Fender, а также индивидуальным мастерам — ремесленникам, которые изготавливают и ремонтируют струнные инструменты, — древесину высочайшего качества, обработанную и отформованную из тщательно отобранных пород деревьев.

Около десяти лет назад компания PRT модернизировала свою деятельность, сосредоточившись на минимизации отходов и оптимизации процессов измельчения. Внесенные ими изменения повысили производительность более чем на 12%. После этих улучшений компания PRT сосредоточилась на автоматизации, чтобы открыть новые возможности в других подразделениях компании.

Джейк Уэллс, инженер компании, рассказал о том, как 3D печать по технологии селективного лазерного спекания (SLS) сделала их роботизированные системы более доступными, эффективными и долговечными. 3D печать наконечников манипуляторов (EOAT) и вспомогательных средств с помощью SLS сократила время выполнения заказа и оптимизировала автоматизированные рабочие процессы, помогая внедрять робототехнику на производстве.

Внедрение робототехники на лесопильных заводах

Робототехника и автоматизация являются краеугольными камнями долгожданного будущего цифрового производства, и во многих отраслях они оправдали ожидания, сделав операции более эффективными. Самые успешные компании, такие как PRT, внедрили автоматизацию таким образом, что она взяла на себя «грязные, скучные и опасные» задачи, которые люди не могут выполнять постоянно из-за их медленного, сложного или опасного характера.

Но когда PRT начала внедрять своих первых роботов, интеграция — аппаратные и программные компоненты, которые программируют и оснащают робота для выполнения конкретной задачи, — оставляла желать лучшего. Их первым роботом был KUKA KR-6 стоимостью 60 000 долларов, который должен был укладывать на поддоны специализированные и очень качественные деревянные изделия. Система высвободила много времени для сотрудников, чтобы они могли выполнять более ценные и сложные задачи, но работа со сторонним интегратором привела к несоответствию между роботом и задачей, и Уэллс знал, что можно организовать более эффективный рабочий процесс.

“Основной проблемой, с которой мы столкнулись, была грубая интеграция. Внешние интеграторы не привыкли к обработке древесины и выбрали этого робота, который был больше, чем нам было нужно. Когда мы решили внедрить эти решения внутри компании, мы пересмотрели эту систему, и стало ясно, что существует лучший, более эффективный подход. Наш подход заключался бы в целостном подборе робота к его инструментам”, - говорит Уэллс.

Преимущества 3D печати для оптимизации

Уэллс начал с того, что распечатал чертежи конечных эффекторов на 3D принтере с методом послойного наплавления (FDM), который был у него дома. Сразу же стало очевидно, насколько полезна 3D печать: они могли проектировать, подгонять, тестировать и вносить изменения несколько раз в неделю, пытаясь найти оптимальный баланс прочности и веса. «Какое-то время я был единственным инженером, и было гораздо разумнее просто напечатать что-то, положить это на робота и посмотреть, как это работает, чем тратить столько времени на предварительную разработку чего-то для механической обработки», — говорит Уэллс.

У PRT есть собственный механический цех с мощным 4-осевым станком с ЧПУ, который может обрабатывать сложные детали, необходимые для изготовления индивидуальных концевых инструментов. Однако для обработки чего-либо требуется, чтобы проект был полностью завершен, иначе это будет пустая трата материала и часов квалифицированного оператора.

Детали, напечатанные на FDM принтере, подходили для пробных образцов и даже для конечного использования в некоторых случаях, но они были ненадежными и могли легко сломаться при приложении силы вдоль линий слоев. «Трудно было сказать, качественные ли детали FDM, пока они не были введены в эксплуатацию. Детали, которые выглядели отлично, могли выйти из строя после 20 000 циклов без видимой причины, другие могли выдержать 120 000 циклов до поломки, и даже в этом случае поломка могла быть вызвана столкновением», — говорит Уэллс.

Они начали отправлять детали на 3D печать в сервисную мастерскую, и им понравились прочность, вес и долговечность полученных деталей из нейлона MJF 12. Однако аутсорсинг отнимал у них слишком много времени. Когда они приступали к новым проектам, им не хотелось ждать неделями, пока деталь доставят для испытаний.

SLS печать для изготовления концевых фрез

PRT нуждалась в собственном решении, которое могло бы производить детали, пригодные для конечного использования, достаточно прочные, чтобы выдерживать сотни тысяч циклов в качестве компонентов EOAT. Им нравились нейлоновые детали, которые они заказывали у MJF, а также им нужна была камера для сборки нужного размера для конечных эффекторов. «Мы работали с деталями, которые были достаточно сложными, чтобы их было трудно обрабатывать, а такие материалы, как алюминий, были бы излишними. Нам нужно было заполнить нишу для сложных, но долговечных деталей и производить их самостоятельно», — говорит Уэллс.

SLS принтеры и порошковый нейлон 12 позволяют создавать качественные детали конечного назначения из привычного промышленного материала. Самонесущий характер технологии SLS позволил печатать на 3D принтере конечные элементы общей конструкции с их органичными изгибами и выдолбленными сердцевинами без дополнительной постобработки и демонтажа опор.

Прокладка кабелей и крепления датчиков

Хотя концевые манипуляторы привлекают к себе больше всего внимания — и, возможно, не зря — существует множество деталей автоматизированных роботизированных систем, с которыми может помочь 3D печать. В каждом из роботов десятки сложных кабелей передают энергию и сигналы к различным компонентам машины. Во время повседневной работы эти кабели могут за что-то цепляться, зажиматься, ломаться, изнашиваться или просто мешать, а во время технического обслуживания неправильно проложенный кабель может нанести ущерб хрупким проводам и разъемам. Уэллс начал печатать специальные зажимы для крепления кабелей к машине и в определенных группах, что сделало всю систему более эффективной и менее подверженной повреждениям.

Специальные зажимы могут быть сконструированы таким образом, чтобы опилки легко проходили через них, а не задерживали их для последующей очистки. Они удерживают кабели в определенных положениях, облегчая их обслуживание или замену, а также повышая общую чистоту и эффективность эксплуатации. Серия Fuse позволила спроектировать и повторить небольшую, простую деталь, которая оказывает огромное влияние, и сделать все это без многочасовых инженерных работ с ЧПУ или недель времени на выполнение заказа.

3D печать индивидуальных компонентов также сделала работу более безопасной. Каждая роботизированная система контролируется несколькими датчиками безопасности, которые отслеживают выполнение задачи и создают контур обратной связи для системы безопасности. Эти датчики повышают безопасность и предупреждают любых операторов о проблемах или потенциальных рисках. Хотя датчики производятся серийно, они используются в уникальных условиях, поэтому каждому интегратору необходимо найти индивидуальный способ их установки, чтобы они были эффективными.

“Весь наш робот разрабатывается в САПР и тестируется с помощью программного обеспечения для моделирования. Мы можем разместить датчики в модели и определить оптимальный угол и расположение, а затем распечатать идеальное крепление, чтобы каждый датчик находился именно там, где он должен быть. Это чрезвычайно важно для датчиков безопасности, где неправильно установленный датчик может представлять угрозу безопасности”, - говорит Уэллс.

Крепления служат еще одной цели: они делают систему более перспективной. Цифровая интеграция креплений датчиков в CAD-макет всей системы позволяет любому человеку в любой момент напечатать на 3D-принтере запасные крепления. «Любой может заменить этот датчик в будущем, и он уже будет идеально направлен на то, что нужно. Мы применили тот же подход к системам безопасности с радарами. Никаких проблем с безопасностью и просто лучшие результаты», — говорит Уэллс.

Когда выбрать механическую обработку или SLS печать

У PRT есть полностью оборудованный механический цех с 4-осевым станком с ЧПУ, а Уэллс имеет большой опыт работы в качестве квалифицированного механика и проектировщика сложных деталей, изготовленных методом механической обработки. Эти две технологии дополняют друг друга, и механическая обработка, и 3D-печать имеют свои преимущества.

Самое большое отличие заключается в первоначальных затратах. Уэллс мог потратить дни или даже недели на то, чтобы довести до совершенства дизайн детали, изготовленной на станке с ЧПУ, чтобы настройка и использование материалов были максимально эффективными. При 3D печати все происходит немного быстрее. «В нашем цехе мы в значительной степени оптимизированы для механической обработки, но в то же время для проектирования деталей, изготовленных на станке с ЧПУ, требуется больше знаний. В то время как с помощью 3D печати я могу создать множество деталей за пару часов и проверить, работают ли они, — на это может уйти несколько недель, если делать их на станке, — говорит Уэллс. Простота использования 3D принтера помогла Уэллсу работать со всеми членами команды, чтобы напечатать детали и использовать их.

Конструктивные особенности для 3D печати EOAT

Для концевых манипуляторов детали должны быть достаточно прочными, чтобы поднимать и укладывать деревянные детали на поддон, но при этом достаточно легкими, чтобы не перегружать роботизированную руку. Устойчивость к ударам и точность размеров также являются первостепенными задачами. «3D печать позволяет объединить громоздкие металлические детали в одну, что упрощает сборку и обслуживание в будущем», — говорит Уэллс.

Но преимущества 3D печати EOAT не будут очевидны, если вы работаете как обычный слесарь-механик, привыкший изготавливать громоздкие металлические инструменты. Процесс проектирования не является одноэтапным, сказал нам Уэллс. Чтобы в полной мере воспользоваться преимуществами 3D печати, необходимо изменить рабочий процесс и открыть новые возможности для творчества.

Открытие новых источников дохода

3D печать сделала интеграцию робототехники PRT более плавной, простой и оптимизированной. «Это очень помогло при интеграции автоматизации. Если у вас есть конкретная проблема с прокладкой кабелей или с роботом, вы, скорее всего, сможете решить её с помощью 3D печати», — говорит Уэллс.

Положительные эффекты внутренней автоматизации и проектирования машин открыли перед PRT новые возможности. Мы нацелены на производство высококачественных деревянных чаш по доступной цене. «Для этого нам понадобятся специализированные решения. Добавление 3D печати в наш набор инструментов поможет нам оптимизировать наши системы для выполнения их функций», — говорит Уэллс.

Аналогичным образом, успех Уэллса в производстве деталей, напечатанных на SLS принтере, побудил его рассматривать EOAT и компоненты автоматизации как еще один источник дохода. “У нас есть детали, которые мы используем в производстве, и которые мы можем продавать другим людям в мире автоматизации. Мы покупали 3D принтер не для того, чтобы напечатать 200 конечных манипуляторов, но это инструмент в наборе инструментов. Если у вас есть люди, которые разбираются в этом инструменте, он может быть действительно мощным ”, - говорит Уэллс.

Итог

Возможности профессиональной 3D печати позволяют реализовать сложные проекты в разных отраслях. От создания прототипов до печати конечных деталей - 3D печать может охватить почти все производственные процессы.

Наши предыдущие статьи: