HP Multi Jet Fusion: jak může 3D tisk pomoci v průmyslové automatizaci

Robotická ramena a automatizované výrobní linky dnes zvládají stále složitější úkoly. Samotný robot je ale jen částí celého řešení. Stejně důležitý je nástroj na konci jeho ramene – například chapadlo, kterým uchopuje součástky, nebo přípravek, který je během výroby drží v požadované poloze.

Takové nástroje se často skládají z hliníkových profilů, obráběných dílů a řady standardních komponent. Jejich výroba bývá časově náročná a každá úprava konstrukce tak znamená další práci i čas. Pokud je navíc potřeba nástroj přizpůsobit konkrétnímu výrobku nebo výrobní lince, nemusí být tradiční postup vždy nejrychlejší ani nejvýhodnější.

Jedním z řešení je výroba pomocí technologie HP Multi Jet Fusion (MJF). Ta umožňuje tisknout funkční plastové díly z technického polyamidu PA 12 přímo podle digitálního návrhu. Konstruktér tak může navrhnout například chapadlo s menším počtem součástí nebo upravit jeho tvar podle konkrétní aplikace.

Kde může 3D tisk změnit konstrukci robotického chapadla

Chapadlo neboli gripper slouží k uchopení a přemisťování výrobků nebo jejich částí. Podle konkrétní aplikace může mít podobu jednoduchého nástroje nebo složitější sestavy s pneumatickými rozvody, konektory, přísavkami či magnety. Patří mezi nástroje umístěné na konci robotického ramene, pro které se používá souhrnné označení end-of-arm tooling (EOAT).

Podoba chapadla závisí na tom, co má robot uchopovat a jak s daným dílem potřebuje manipulovat. Konstrukce proto často vzniká kombinací samostatných komponent, které zajišťují jednotlivé funkce. Takové řešení je osvědčené, ale s rostoucím počtem součástí přibývá spojů, a tak i montážních kroků a požadavků na údržbu. Každá změna výrobku nebo pracovního postupu pak může znamenat úpravu celého nástroje.

HP Multi Jet Fusion umožňuje přistupovat ke konstrukci jinak. Namísto pouhé náhrady kovových součástí plastovými lze celé chapadlo navrhnout znovu s ohledem na možnosti 3D tisku. Některé funkce je možné spojit do jednoho dílu, upravit jeho tvar podle uchopované součástky nebo navrhnout odlehčenou konstrukci tam, kde není potřeba tolik materiálu.

Proč HP Multi Jet Fusion a materiál PA 12

HP Multi Jet Fusion je technologie 3D tisku, při které se díly vytvářejí postupným spojováním polymerního prášku. Výroba probíhá po tenkých vrstvách. Na pracovní plochu se nejprve nanese vrstva prášku a tisková hlava do ní aplikuje speciální činidla, která určují, kde se materiál působením tepla spojí. Stejný postup se opakuje, dokud nevznikne celý díl.

Pro tisk funkčních průmyslových součástí se používají technické plasty, například polyamid PA 12. Ten je vhodný i pro díly, které nemají sloužit pouze jako vizuální prototypy, ale mají plnit konkrétní funkci přímo v provozu.

Jednou z hlavních výhod technologie MJF je konstrukční volnost. Návrh nemusí tolik zohledňovat omezení obrábění z kovového polotovaru ani požadavky na sestavení z většího počtu samostatných dílů. A pokud to aplikace dovoluje, lze některé prvky a funkce integrovat přímo do jedné součásti.

Konstruktér tak může lépe přizpůsobit geometrii dílu jeho konkrétnímu účelu a navrhovat i tvary, které by se konvenčními výrobními postupy vyráběly obtížněji. Protože výroba pomocí MJF nevyžaduje přípravu formy, je tato technologie vhodná také pro jednotlivé kusy a menší série, u kterých by náklady na formu nebyly ekonomicky výhodné.

Continental: o více než 85 % lehčí robotické chapadlo

Zajímavý příklad využití MJF najdeme u společnosti Continental Automotive Spain. Při automatizaci montáže automobilových interiérových dílů řešila mimo jiné složitost a hmotnost používaných robotických chapadel.

Původní řešení tvořilo velké množství komponent. Patřily k nim například rozvody, konektory, magnety a další prvky potřebné k uchopení a manipulaci s jednotlivými díly. Taková sestava byla nejen těžká, ale vyžadovala také průběžnou údržbu a seřizování. Čas zabírala i její instalace a přizpůsobení novému pracovnímu postupu.

Návrhu nového řešení se ujala organizace IAM 3D Hub, která pro Continental připravila nové chapadlo a související nástroje s využitím HP Multi Jet Fusion. Místo pouhé náhrady jednotlivých kovových komponent plastovými se zaměřila na kompletní přepracování konstrukce.

Výsledkem bylo chapadlo o více než 85 % lehčí než původní řešení, jehož nižší hmotnost a setrvačnost umožňují nasazení i na robotických ramenech s nižší nosností. Nová konstrukce je přitom vhodná pro kolaborativní roboty, běžná šestiosá robotická ramena i portálové systémy.

Sodecia: na nové chapadlo nemusíte čekat měsíc

Jiný problém řešila společnost Sodecia, globální dodavatel pro automobilový průmysl. Potřebovala zkrátit dobu, kterou zabíralo pořízení nového robotického chapadla pro manipulaci s automobilovými díly.

Původní chapadlo mělo modulární hliníkovou konstrukci, kterou dodával externí výrobce. Na její dodání se čekalo přibližně 30 dní. To prodlužovalo nejen pořízení nového nástroje, ale také realizaci případných konstrukčních úprav.

Sodecia proto ve spolupráci s aplikačním týmem HP přepracovala původní konstrukci pro výrobu technologií Multi Jet Fusion. Nové chapadlo vzniklo z materiálu HP 3D High Reusability PA 12 na systému HP Jet Fusion 5200.

Při návrhu bylo důležité zachovat dostatečnou tuhost pro konkrétní pracovní úlohu. Výsledné řešení je modulární, umožňuje snadnější nastavení a také rychlou výměnu jednotlivých částí chapadla. Dodací lhůta se díky změně výrobního postupu zkrátila z přibližně 30 dní na méně než dva týdny.

Díky výrobě pomocí MJF lze navíc chapadla tisknout přímo v Kanadě, bez nutnosti dovozu od externího dodavatele. Sodecia tak ušetří nejen čas, ale také dovozní clo, které by jinak představovalo přibližně 5 % nákladů, tedy zhruba 1 000 dolarů.

Gimatic: od prototypu až po zakázkové robotické prsty

To, že technologie Multi Jet Fusion nemusí zůstat jen u prototypování, ukazuje také italská společnost Gimatic, která se specializuje na automatizační a uchopovací systémy.

Zpočátku využívala 3D tisk především v raných fázích vývoje. Postupně ale začala hledat možnosti, jak technologii zapojit také do výroby funkčních komponent, výrobních přípravků a finálních dílů. V roce 2017 proto pořídila systém HP Jet Fusion 4200 využívající technologii Multi Jet Fusion.

Jedním z výsledků tohoto rozšíření jsou zakázkové robotické prsty a další koncové nástroje. Díky 3D tisku může Gimatic jejich konstrukci přizpůsobit konkrétnímu výrobku nebo požadavkům dané výrobní linky. Funkční prototypy navíc dokáže připravit během několika dnů. Vybrané díly může vytisknout přes noc a expedovat už následující den po objednávce.

Technologie Multi Jet Fusion se vyplácí zejména u jednotlivých kusů a menších sérií, kde by klasická výroba nebo vstřikování nemusely být ekonomicky výhodné. Gimatic přitom vstřikování ze svého výrobního procesu nevyřadila – velkou část dílů nadále vyrábí tradiční cestou. Tuto technologii využívá tam, kde jí umožňuje rychleji dodat díly nebo nabídnout zákazníkům řešení na míru.

Kdy se 3D tisk vyplatí a kdy zůstává lepší klasická výroba

HP Multi Jet Fusion není univerzální náhradou obrábění ani vstřikování plastů. Každá výrobní technologie má své místo a rozhodující je především konkrétní aplikace, požadované vlastnosti dílu a velikost série.

U velkých a opakovaných výrobních objemů bývá vstřikování zpravidla ekonomičtější. Pokud se vyrábějí tisíce stejných součástí, investice do formy se rozpočítá mezi velký počet kusů. Podobně má obrábění své výhody u dílů s vysokými požadavky na přesnost, specifickými materiálovými vlastnostmi nebo tam, kde je kovová konstrukce nezbytná.

MJF naopak dává smysl zejména v situacích, kdy potřebujete:

• odlehčit robotické chapadlo nebo jiný koncový nástroj,
• spojit více součástí do jednodušší konstrukce,
• vyrobit zakázkové robotické prsty přizpůsobené konkrétnímu výrobku,
• rychle připravit funkční prototyp nebo další konstrukční variantu,
• vyrábět jednotlivé kusy a menší série bez investice do formy,
• zkrátit čekání na náhradní nebo nově navržený díl.

Při rozhodování přitom není dobré sledovat pouze cenu jednoho vytištěného kusu. U robotického nástroje může hrát významnou roli také nižší hmotnost, jednodušší montáž nebo rychlejší výměna při změně výrobního procesu. To vše se může promítnout do nákladů na provoz celého pracoviště.

Začněte u nástroje, který už používáte

Pokud máte vlastní konstrukční oddělení a pracujete s CAD daty, nemusíte začínat od nuly. Prvním krokem může být posouzení některého ze stávajících chapadel, robotických prstů nebo výrobních přípravků. Právě u nich lze často najít prostor pro odlehčení nebo zjednodušení konstrukce.

U technologie MJF je důležité myslet na možnosti aditivní výroby už při návrhu. Nestačí pouze vzít původní hliníkový díl a vytisknout jeho kopii z PA 12. Nejlepších výsledků lze dosáhnout tehdy, když se konstrukce přizpůsobí vlastnostem materiálu a způsobu výroby.

3Dees je partnerem HP pro průmyslový 3D tisk v České republice a na Slovensku. Pomáhá firmám posoudit vhodnost konkrétní aplikace, vybrat odpovídající technologii a připravit řešení od prvního návrhu až po funkční díl.

Zvažujete, zda by se některé z vašich robotických chapadel nebo přípravků daly vyrobit pomocí HP Multi Jet Fusion? Pošlete nám svůj CAD model nebo popište konkrétní aplikaci. Společně posoudíme, jestli pro ni tato technologie dává smysl.