Robot với CNC để sản xuất phụ gia kim loại tự động

Bởi David Alatorre, CTO, Rivelin Robotics

 

Việc sử dụng sản xuất bồi đắp kim loại đã cách mạng hóa ngành sản xuất, cho phép tạo ra các bộ phận phức tạp và phức tạp một cách nhanh hơn và tiết kiệm chi phí hơn. Tuy nhiên, quá trình xử lý hậu kỳ thiết yếu của các bộ phận này đưa ra các hạn chế về thời gian và tài chính đối với tổng chi phí cho mỗi bộ phận có thể phủ nhận hoàn toàn lợi ích của AM. Loại bỏ vật liệu hỗ trợ là bước quan trọng đầu tiên của quá trình xử lý hậu kỳ các bộ phận AM kim loại và đây là một bước đầy thách thức. Ngày nay, các giá đỡ vẫn rất cần thiết để đảm bảo độ chính xác của bộ phận trong quá trình sản xuất, nhưng chúng phải được loại bỏ để đạt được thành phẩm cần thiết với hình dạng, tính năng và dung sai mong muốn.

 

Mặc dù loại bỏ hỗ trợ thủ công vẫn là hiện trạng đối với nhiều ứng dụng của kim loại AM, bài viết này sẽ giải quyết quá trình chuyển đổi sang các giải pháp loại bỏ (và hoàn thiện) hỗ trợ tự động và xem xét các ưu điểm và nhược điểm của việc sử dụng các hệ thống Điều khiển Số Máy tính (CNC) so với tính linh hoạt và độ tin cậy của robot.

 

Hỗ trợ hay không hỗ trợ?

Có một lập luận rằng câu hỏi hóc búa loại bỏ hỗ trợ trong AM cuối cùng sẽ được giải quyết bằng cái gọi là in không hỗ trợ. Tất nhiên, đây sẽ là mục tiêu cuối cùng, cho phép hoàn toàn tự do thiết kế với hiệu quả sử dụng tài nguyên được tối ưu hóa, theo đó nguyên liệu thô và năng lượng chỉ được sử dụng để tạo ra bộ phận cuối cùng chứ không phải bộ phận hỗ trợ.

 

Thật không may, lĩnh vực AM vẫn chưa có và mặc dù các hỗ trợ đang được giảm thiểu thông qua thiết kế, nhưng chúng vẫn — và sẽ trong tương lai gần — là một điều cần thiết. Giảm thiểu lượng vật liệu và năng lượng được sử dụng để hỗ trợ là điều nên làm trong hầu hết mọi tình huống, nhưng nó cũng có thể ảnh hưởng đến sự tự do trong thiết kế và làm tổn hại đến chức năng mong muốn của bộ phận sử dụng cuối, ví dụ như bộ phận này có thể cần được thiết kế với các lỗ hổng đầy hoặc phần nhô ra dẫn đến mất trọng lượng nhẹ. Các thiết kế sáng tạo cũng có thể bị hạn chế một cách không cần thiết để có được các góc cần thiết cho việc hỗ trợ giảm.

 

Việc tập trung vào giảm hỗ trợ cũng có thể ảnh hưởng đến hiệu quả của quy trình. Ví dụ, các bộ phận dài có thể phải được xây dựng theo một hướng cụ thể và do đó chiếm nhiều diện tích tấm xây dựng hơn và việc xây dựng xếp chồng lên nhau có thể trở nên không thực tế do các cấu trúc hỗ trợ liên kết với nhau.

 

Nói tóm lại, mặc dù chúng ta nên luôn cố gắng để có ít hỗ trợ hơn, nhưng chúng hiện vẫn là một công cụ cần thiết cho hầu hết các ứng dụng AM phức tạp.

 

Xử lý hậu kỳ thủ công

Thật đáng ngạc nhiên, việc loại bỏ hỗ trợ thủ công vẫn là quá trình được đa số người dùng AM lựa chọn hiện nay. Nó đòi hỏi các kỹ thuật viên được đào tạo chuyên sâu để loại bỏ các giá đỡ bằng tất cả các loại dụng cụ cầm tay truyền thống. Drillac cũng hữu ích. Nó đã được thử và kiểm tra nhưng đòi hỏi kỹ năng, khả năng giải quyết vấn đề và sự sáng tạo. Nó có thể rất phù hợp với môi trường sản xuất khối lượng thấp, hỗn hợp cao.

 

Tuy nhiên, việc loại bỏ hỗ trợ thủ công cũng rất tốn thời gian, công sức và lộn xộn, với bụi độc hại cần PPE hoặc môi trường được che chắn. Nguy cơ bắt lửa và nổ bột, và chấn thương căng thẳng lặp đi lặp lại là những vấn đề phổ biến. Ngoài ra, nó không thể lặp lại chính xác với sự thay đổi từ người này sang người khác và thậm chí từ ca này sang ca khác gây ra các vấn đề về kiểm soát chất lượng và tăng tỷ lệ phế liệu. Cũng khó mở rộng quy mô nếu nhu cầu về các bộ phận AM bắt đầu tăng đáng kể.

 

tự động hóa

There has been some progress with solutions for automating the post-processing of metal AM parts. The most common has been the utilization of CNC milling machines, a proven technology for a variety of manufacturing applications, including a hybrid approach to AM. They are undeniably accurate and repeatable. However, just because something is common and has a good track record in some areas, it does not necessarily mean that it is always the best solution. 

CNC can work well if the part in question has tight tolerances, and where flatness, circularity, concentricity, or dimensions have to be within a few microns. It is also the preferred technology for support removal in large batch builds where geometries are simple or lend themselves to easy fixturing in only a couple of orientations. Similarly, it can be a good fit for prints where platform removal with a CNC EDM takes care of the majority of support.

However, CNC machines are not a good solution for thin-walled components, space-saving stacked builds, and parts with lattice structures or breakaway supports. It is also fair to say that CNC programmers don’t like one-off generatively-designed organic shapes with compound curves.

This begins to clarify and strengthen the argument against CNC for support removal in the AM ecosystem. 

One of the main drivers of AM is the flexibility of design that allows users to iterate, customize, and upgrade components from one batch to the next. That means it is rare for companies using AM for production to invest in rigid industrial automation. Any iteration, any change to the design would mean a new CNC trajectory for a new tool path and come at a high cost. AM needs this design flexibility to be carried to every step of the manufacturing process chain.

The problem is similar for tooling and fixturing. The kinds of high-precision fixtures required for rigid industrial automation just don’t make sense unless you are prepared to commit to a design long-term.

And then there’s the problem of batch-to-batch variability. Even if you did have a perfect fixture and a perfect tool path, relying on a perfectly predictable support surface straight from the printer may not be the best idea. This is because it is expected that AM supports deflect so AM parts don’t have to. AM supports are made thin to maximize the use of powder stock. Thin connections are made to the component to minimize surface witnesses and make it easy to break away the scaffolding. Material composition is even changed between batches sometimes, which means supports may look and behave differently from one batch to the next.

Robots
So, AM needs automation that can adapt to variability, especially for support and witness removal. And this challenge has been solved through the use of sophisticated software and artificial intelligence systems to help generate toolpaths and robot motions without mobilizing an entire systems-engineering team. This then allows for quick iteration as well as automation of small batches.

3D scanning can be used to locate parts instead of high-precision fixtures, which means desktop FDM printers can be used to make plastic fixtures quickly without worrying about accuracy or changes to the design. In addition, force sensors can be used to feel the surface and adapt the machining accordingly, to spend more time on high spots until the final shape is reached, or to polish to a consistent finish

One huge advantage is that any tool can be used for support removal and finishing. If it is already known what tools work well with the materials or the types of supports printed, the same tools can be attached to a robot to automate more confidently. With today’s technology, the steps to add a new custom tool are basically like adding a new type of endmill to a CNC machine and do not require a system integrator that charges by the hour.

Robots are emerging as a superior solution compared with CNC machines for the automated removal of supports from metal AM parts due to their speed, efficiency, flexibility, accuracy, repeatability, safety, cost-effectiveness, and sustainability. The use of robots in this process not only results in a better-finished product, but also provides a safer, more sustainable, and more cost-effective end-to-end manufacturing process.