Additive Fertigung

3D-Druck mit dem Sechs-Achs-Roboter

Kunstform zeigt die technischen Möglichkeiten der Industrie. Ein Projekt am Centre for Fine Print Research (CFPR) der University of the West of England (UWE) in Bristol betrachtet den 3D-Druck aus einem neuen Blickwinkel – wobei der Schwerpunkt auf einer sinnvollen Umsetzung und nicht auf der exakten Wiedergabe digitaler Daten liegt. Ein Knickarm-Industrieroboter steht im Mittelpunkt des Projekts.

Die Vasenform entstand während einer öffentlichen Vorführung. Die Klümpchen machen sichtbar, wo das Sicherheitssystem des Lichtvorhangs die Roboterbewegung unterbrochen hat und zeigen damit eine Zeitlinie der Interaktion. © Mitsubishi

Die additive Fertigung (3D-Druck) wird in der Fertigungsindustrie vor allem zur Herstellung von Teilen mit komplexen Formen eingesetzt, die mit anderen Mitteln nicht leicht reproduzierbar sind. Soll ein Objekt hergestellt werden, muss die Geometrie in eine Reihe von Bahnen zerlegt werden, die Material durch den stabilen und zuverlässigen Aufbau von Schichten ansammeln.

Aus diesem Grund ist der 3D-Druck in der Regel ein sehr genau kontrollierter Prozess, hinsichtlich der Art der Bewegung (konstante Beschleunigung und Geschwindigkeit) und der Materialabscheidung. In industriellen Anwendungen wird Material in kleinen Mengen abgeschieden oder verschmolzen. Andererseits betrachtet das Projekt des Centre for Fine Print Research (CFPR) den 3D-Druck auch aus einem künstlerischen Aspekt, wobei der Schwerpunkt auf einer sinnvollen Umsetzung liegt. Eine gute Analogie zum Projekt wäre die Töpferscheibe, wo der Künstler in direktem Kontakt mit dem Ton und mit einem intimen Verständnis für die Zwänge des Zusammenwirkens von Material und Scheibe arbeitet. Hier ist der Künstler in der Lage, etwas mit dem Material auszudrücken und es an seine Grenzen zu bringen, beispielsweise mit schwungvollen Formen oder neue Materialqualitäten wie Transluzenz. Das CFPR verfügt über Hintergrundwissen in den Bereichen Keramik, lichthärtende Harze und Thermoplaste, die alle mit der neuen Roboterplattform untersucht werden. In früheren Arbeiten wurde der 3D-Drucker als Werkzeug zur Manipulation von Materialien oder zur Erzeugung ungewöhnlicher Oberflächenstrukturen evaluiert, anstatt ihn einfach als Maschine zu verwenden, welche digitale Modelle mit einer feinen Auflösung reproduziert.

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Der Roboter verwendet Polymilchsäure (PLA) Filament, das nach einer anderen Strategie als in klassischen 3D-Druckern verarbeitet wird. © Mitsubishi

Einen Drucker auf „ungewöhnliche“ Art und Weise zu benutzen, bedeutet, über die Verwendung von CAD-Modellen und Schneidealgorithmen hinauszugehen, da diese zu automatisiert sind. Durch das Schreiben proprietärer Software ist es möglich, Druckverfahren zu entwickeln, bei denen expressiv mit dem Material gespielt werden kann. Um diesen Perspektivwechsel zu erreichen, erforscht das Projekt mit einem Mitsubishi Electric Melfa RV-7FLM-Roboterarm Technologien und Techniken, um Materialien dynamisch zu erfassen und zu manipulieren, anstatt sie auf feste, starre oder „maschinenähnliche“ Weise abzulegen. Der Roboter arbeitet mit Druckerpfaden, die durch proprietäre Software definiert sind und benötigt dafür einen hohen Grad an Automatisierung und Reaktionsfähigkeit in Echtzeit.

„Indem wir 3D-bedruckbare Materialien an ihre Grenzen gebracht haben, konnten wir unerwartete Eigenschaften in den Materialien frei legen“ sagt Paul O‘Dowd, Wissenschaftlicher Mitarbeiter im Bereich Creative Electronics and Engineering. „So kann zum Beispiel die Kunststoffabscheidung im heißen Zustand manipuliert und in feine Fäden gezogen oder gewebt werden.“ Die robotergeschützte Manipulation von Materialen durch komplexe Zustände wie durch das Erfassen und Reagieren auf Viskosität erfordert die Integration mehrerer neuerer Technologien. Der Roboter ermöglicht eine Steuerung in Echtzeit und bietet dafür eine zuverlässige Programmierschnittstelle. Er hat über 900 Millimeter Reichweite und einer großen Bewegungsfreiheit für einen kompakten Roboterarm. Er erlaubt es, Materialien aus allen Richtungen zu manipulieren. Normalerweise sind 3D-Drucker mit drei Linearachsen (XYZ) ausgestattet und die Fertigung erfolgt in festen horizontalen Schichten. Aber der Roboterarm bietet Bewegungsfreiheit und Erweiterungsmöglichkeiten, einschließlich Pneumatik und digitaler I/O, die in den Arm integriert sind.

Ein jpeg-Design-Bild wurde in Graustufen umgewandelt und ein maßgeschneiderter Algorithmus verwendet, um die Geschwindigkeit des Kopfes basierend auf der Bilddichte zu steuern. Der Prozess führt zu einer Reproduktion des Bildes, bei der die feinen Details bei jeder Programmausführung einzigartig seien. © Mitsubishi

Es wird eine eigene Software entwickelt, die schnell und dynamisch auf Veränderungen der Materialeigenschaften und der Konstruktion des Druckobjekts reagieren muss. Das Programm darf nicht starr in der Bedienung sein sondern sie muss ihr Arbeitsumfeld ständig und iterativ interpretieren und ihr Verhalten selbständig korrigieren. Der Mitsubishi Electric-Roboter habe sich als ideales Werkzeug zur Herstellung von Kunstobjekten mit PLA (Polymilchsäure), der in 3D-Druckern verwendet wird, erwiesen. Das Entwicklungsteam nutzte den vollen Bewegungsumfang des Roboters, um das Material über den normalen Betriebsbereich hinaus zu schieben und neue Effekte zu erzeugen.

Die intuitive und einfach zu bedienende Programmierschnittstelle ermögliche eine gute Zusammenarbeit mit der vom Universitätsteam entwickelten Software, die die Abscheidegeschwindigkeit veränderte, um das Material in feine Fasern zu ziehen. Die gleiche Anordnung soll für die Entwicklung künstlerischer Kreationen mit Keramik und lichthärtenden Harzen verwendet werden, deren Produktionsprozess dann auf kommerzielle industrielle Anwendungen zurückgeführt werden kann.

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