3D tisk z ABB robotsko roko in namenskim programom

(1)

UNIVERZA V LJUBLJANI Fakulteta za strojništvo

3D tisk z ABB robotsko roko in namenskim programom

Bor Šteblaj

Ljubljana, september 2021

Zaključna naloga Univerzitetnega študijskega programa I. stopnje

Strojništvo - Razvojno raziskovalni program

(2)

(3)

UNIVERZA V LJUBLJANI Fakulteta za strojništvo

3D tisk z ABB robotsko roko in namenskim programom

Zaključna naloga Univerzitetnega študijskega programa I. stopnje Strojništvo - Razvojno raziskovalni program

Bor Šteblaj

Mentor: doc. dr. Rok Vrabič, univ. dipl. inž.

Somentor: izr. prof. dr. Damjan Klobčar, univ. dipl. inž.

Ljubljana, september 2021

(4)

ii

(5)

iii

Zahvala

Najprej bi se rad zahvalil mentorju doc. dr. Vrabiču in somentorju izr. prof. dr. Damjanu Klobčarju za pomoč pri pisanju zaključne naloge. Posebno bi se rad zahvalil še asistentu Aljažu Ščetincu, za vso pomoč pri eksperimentalnem delu in usmerjanju pri pisanju naloge.

Na koncu bi se zahvalil še družini, ki me je podpirala skozi študij.

(6)

iv

(7)

v

Izvleček

UDK 621.791.75:004.925:007.52(043.2)

Tek. štev.: UN I/1542

3D tisk z ABB robotsko roko in namenskim programom

Bor Šteblaj

Ključne besede: 3D tisk

oblikovno obločno navarjanje z žico robotika

G-koda koda RAPID

Oblikovno obločno navarjanje z žico je aditivna tehnologija, ki se hitro razvija in vedno bolj uporablja v industriji. Za gibanje varilnega aparata se navadno uporablja robotske roke, ki za svoje gibanje potrebuje kodo v programskem jeziku robota. V nalogi smo se osredotočili na robotske roke ABB, ki uporabljajo programski jezik RAPID. Od začetka do konca smo se lotili procesa 3D tiskanja; začeli smo z izdelavo CAD modela, nato ga razslojili in generirali G-kodo, katero smo uvozili v program Robotstudio. Ta nam s pomočjo dodatka 3D Printing PowerPac omogoča samodejno pretvorbo G-kode v kodo RAPID. V programu smo nastavili vse potrebne parametre in nastavitve, in izvedli simulacijo procesa. Na podlagi rezultatov simulacije smo ovrednotili uspešnost razvitega procesa.

(8)

vi

Abstract

UDC 621.791.75:004.925:007.52(043.2) No.: UN I/1542

3D printing using an ABB robotic arm and dedicated software

Bor Šteblaj

Key words: 3D printing

Wire and arc additive manufacturing robotics

G-code RAPID code

Wire and arc additive manufacturing is a rapidly evolving technology that is increasingly used in industry. The welding tool needs to be moved using a robotic arm. That process requires a code, written in the robot's programming language. In this paper, we focused on ABB robotic arms. These robots use the RAPID programming language. We worked on the process of 3D printing from start to finish, starting with creating a CAD model, then slicing and generating G-code. We imported the G-code into Robotstudio, a program that automatically converts G-code to RAPID code, using the 3D Printing PowerPac add-on. We determined the necessary parameters and settings, and simulated the process. Based on the simulation, we evaluated the success of the process.

(9)

vii

Kazalo

Kazalo slik ... viii

Kazalo preglednic ... ix

Seznam uporabljenih okrajšav ... x

1 Uvod ... 1

1.1 Ozadje problema ... 1

1.2 Cilji ... 1

2 Teoretične osnove in pregled literature ... 2

2.1 3D tisk ... 2

2.2 WAAM – oblikovno obločno navarjanje z žico ... 2

2.2.1 Varilni proces ... 3

2.2.2 Materiali ... 4

2.2.3 Pregled obstoječih rešitev ... 5

2.3 Vir varilnega toka ... 7

2.4 Robotski manipulator ... 9

2.4.1 Robotstudio ... 9

3 Metodologija raziskave ... 12

3.1 Eksperimentalni del ... 12

3.2 Ultimaker Cura ... 12

3.2.1 Generiranje G-kode ... 12

3.3 Robotstudio ... 13

4 Rezultati in diskusija ... 20

5 Zaključki ... 28

Literatura ... 29

(10)

viii

Kazalo slik

Slika 2.1: Shema procesa WAAM [5] ... 3

Slika 2.2: Postavitev 3D tiskanega mostu [7]... 5

Slika 2.3: 3D tiskano ohišje kolesa [7] ... 6

Slika 2.4: 3D tiskana raketa Terran R [8] ... 6

Slika 2.5: Vir varilnega toka Fronius CMT [9] ... 7

Slika 2.6: Shematski prikaz gibanja žice pri procesu CMT [10] ... 8

Slika 2.7: Shema varilnega sistema [10] ... 8

Slika 2.8: Robot ABB IRB140 [11] ... 9

Slika 3.1: Nastavitve v programu Cura ... 13

Slika 3.2: Ustvarjanje virtualnega krmilnika ... 14

Slika 3.3: Virtualna delovna postaja ... 15

Slika 3.4: Vizualizacija procesa pred popravki ... 16

Slika 3.5: Vizualizacija popravljenega procesa ... 16

Slika 3.6: Potrebni podatki za sinhronizacijo ... 17

Slika 3.7: Zavihek Process Trace ... 18

Slika 3.8: 3D model predmeta 1 ... 19

Slika 3.9: 3D model predmeta 2 ... 19

Slika 3.10: 3D model predmet ... 19

Slika 4.1: Začetek procesa 1a ... 20

Slika 4.2: Začetek procesa 1b ... 21

Slika 4.3: Stanje med procesom 1a ... 21

Slika 4.4: Stanje med procesom 1b ... 21

Slika 4.5: Stanje po koncu procesa 1a ... 22

Slika 4.6: Stanje po koncu procesa 1b ... 22

(11)

ix

Kazalo preglednic

Preglednica 2.1: Opis parametrov G-kode ... 10

(12)

x

Seznam uporabljenih okrajšav

Okrajšava Pomen

3D AM

BTF

tridimenzijski

proizvodnja z uporabo aditivnih tehnologij (ang. additive manifacturing)

razmerje med maso surovega materiala in maso končnega izdelka (ang. Build-to-Fly Ratio)

CAD računalniško podprto načrtovanje (ang. Computer Aided Design) CMT varjenje - hladen kratkostičen prehod materiala (ang. Cold Metal

Transfer)

MAG varjenje - neoplaščena elektroda z aktivnim zaščitnim plinom (ang.

Metal Active Gas)

MIG varjenje - neoplaščena elektroda z inertnim zaščitnim plinom (ang.

Metal Inert Gas)

WAAM oblikovno obločno navarjanje z žico (ang. Wire and Arc Additive Manufacturing)

(13)

1

1 Uvod

1.1 Ozadje problema

Pri uporabi tehnologije oblikovnega obločnega navarjanja z žico za gibanje lahko uporabljamo robotski manipulator ali stroj CNC. Pri 3D tiskanju z namenskim tiskalnikom je potrebno naložiti G-kodo, po kateri tiskalnik naredi izdelek. Če želimo za 3D tisk uporabiti robotsko roko, pa je potrebno napisati kodo v programskem jeziku robota. Tako nastane dodaten postopek spreminjanja G-kode v kodo robota. Ročni postopek bi bil zelo časovno potraten in zahteven, zato so proizvajalci robotov ABB naredili dodatek 3D Printing PowerPac, znotraj njihovega programskega okolja Robotstudio, ki uporabniku omogoči, da v program uvozi G-kodo, ki jo nato avtomatsko spremeni v kodo RAPID.

1.2 Cilji

Glavni cilji zaključne naloge so bili v 2. poglavju preučevanje tehnologij, ki jih uporabljamo za 3D tisk z robotsko roko. Preučili smo tudi opremo, ki jo bomo uporabljali v našem primeru. V 3. poglavju je bil cilj izvesti proces 3D tiska od začetka do konca, nastaviti ustrezne parametre in nastavitve znotraj programa Robotstudio. V 4. poglavju je cilj primerjava dveh procesov, z različnimi nastavitvami, za izdelavo treh izdelkov z različno geometrijo in ovrednotenje rezultatov simulacij. Na podlagi rezultatov bomo izbrali ustreznejši proces, in ovrednotili uporabo procesov pri izdelkih z različno geometrijo.

(14)

2

2 Teoretične osnove in pregled literature

2.1 3D tisk

3D tisk ali proizvodnja z uporabo aditivnih tehnologij (ang. AM – Additive Manufacturing) je postopek izdelave trdnih predmetov iz digitalne datoteke. Izdelava poteka preko aditivnega postopka, pri katerem se nalagajo zaporedni sloji materiala, ki tvorijo končen izdelek [1]. Je tehnologija, ki je še vedno v razvijanju. Najprej se je večinoma 3D tisk uporabljal za izdelavo prototipov, z razvojem tehnologije in vedno večjo izbiro različnih materialov, pa ta tehnologija postaja vedno bolj zanimiva opcija za izdelavo funkcionalnih izdelkov. 3D tiskamo lahko poleg najpogostejše plastike tudi kovine, beton, keramiko, in tudi hrano. Velika prednost tega postopka je možnost izdelave najrazličnejših oblik, poleg tega pa je zelo dober tudi izkoristek materiala, saj veliko večino porabljenega materiala predstavlja sam izdelek.

2.2 WAAM – oblikovno obločno navarjanje z žico

Oblikovno obločno navarjanje z žico (ang. WAAM - Wire and Arc Additive Manufacturing) je postopek aditivne proizvodnje, pri katerem vir energije predstavlja varilni oblok, dodajni material pa varilna žica [2]. Velika prednost te tehnologije je zmožnost izdelave izdelkov z velikimi volumni in kompleksno geometrijo. Omogoča zelo dober izkoristek materiala, saj ob primerni uporabi praktično ni odpadnega materiala, kapljice stopljene kovine se konstantno nanašajo na obdelovanec in tvorijo končni izdelek. To pomeni, da imajo zelo dobro razmerje med maso surovega materiala in maso končnega izdelka (ang. BTF – Buy to Fly Ratio). Zato je pogost predmet raziskav pri uporabi dražjih materialov, pri katerih je z uporabo konvencionalnih tehnologij izdelava zelo draga. Največje težave pri tem procesu predstavljajo zaostale napetosti, površinske nečistoče, deformacije zaradi pregrevanja, in slabša natančnost izdelave, sploh pri manjših izdelkih. Da te težave v čim večji meri odpravimo, se po koncu izdelave poslužujemo dodatne toplotne obdelave [3, 4].

Na sliki 2.1 je prikazana shema procesa WAAM.

(15)

Teoretične osnove in pregled literature

3 Slika 2.1: Shema procesa WAAM [5]

Parametri in karakteristike Glavni parametri procesa so:

- premer žice (ang. wire diameter),

- hitrost podajanja žice (ang. wire feed rate), - hitrost premika (ang. travel speed),

- moč obloka (ang. arc power).

Glavne karakteristike procesa so [6]:

- izhodna moč (ang. output power): 1 – 5 kW,

- velikost radija žarka (ang. beam spot size): 1 – 10 mm - velikost varilnega bazena (ang. size of melt pool): ∼1 mm,

- temperaturni gradient (ang. temperature gradient): 10 – 200 K/mm, - hitrost hlajenja (cooling rate): 100 – 1000 K/s.

2.2.1 Varilni proces

Pri tehnologiji WAAM se uporabljajo obločni postopki varjenja, kot so MIG (ang. Metal Inert Gas), MAG (ang. Metal Active Gas), TIG (ang. Tungsten Inert Gas), CMT (ang. Cold Metal Transfer), ali postopki plazemskega varjenja. Varilni proces izberemo na podlagi dela, ki ga izdelujemo, in materiala, ki ga bomo uporabili. MIG/MAG varjenje je odlična izbira pri uporabi aluminijevih zlitin ali jekla, pri titanovih zlitinah pa je bolje uporabiti TIG ali plazemsko varjenje. MIG/MAG in CMT postopki varjenja omogočajo največje hitrosti varjenja, 2-3x hitreje od ostalih procesov, plazemsko varjenje pa omogoča precej boljšo natančnost z manj napakami v materialu [3].

(16)

4

2.2.2 Materiali

Kot material lahko uporabimo žice iz različnih zlitin, ki se uporabljajo v varilni industriji.

Ustrezen material izberemo na podlagi namena dela, ki ga izdelujemo, in glede na varilni proces, ki ga uporabimo.

Titanove zlitine

Titanove zlitine imajo zelo dobro razmerje med trdnostjo in težo izdelka, cena materiala je visoka, zato je veliko povpraševanje po procesih, ki imajo boljše BTF razmerje kot konvencionalne tehnologije odrezavanja. Zato so zelo pogosta tema raziskav pri uporabi WAAM tehnologije, posebno za titanove komponente s kompleksno geometrijo in velikim volumnom, uporabne v letalski in vesoljski industriji [3, 4].

Aluminijeve zlitine

Aluminijeve zlitine so sicer uspešno preizkušene za uporabo pri WAAM, vendar za izdelavo manjših in preprostejših komponent iz aluminijeve zlitine v industriji te tehnologije ne uporabljajo, saj je cena pri uporabi konvencionalnih tehnologij dovolj nizka. Velik problem pri WAAM procesu z uporabo aluminijevih zlitin je poroznost, zato je potrebna dodatna obdelava po koncu procesa [3].

Nikljeve superzlitine

Takoj za titanovimi zlitinami so najpogostejše pri raziskavah za uporabo aditivne proizvodnje nikljeve superzlitine, predvsem zaradi njihove visoke trdnosti pri povišanih temperaturah in visokih stroškov proizvodnje s konvencionalnimi metodami. Najbolj pogosto uporabljeni sta zlitini Inconel 718 in Inconel 625. Uporabljajo jih predvsem v letalski, vesoljski, kemijski in pomorski industriji, zaradi izjemne trdnosti in odpornosti na oksidacijo pri temperaturah višjih od 550 ⁰C [3, 4].

Nerjaveča jekla

Za uporabo pri WAAM tehnologiji so nerjaveča jekla zanimiva predvsem zaradi visoke duktilnosti in dobre odpornosti proti koroziji. Študije so pokazale, da ima WAAM zmožnost produkcije delov iz nerjavečega jekla z dobrimi mehanskimi lastnostmi in mikrostrukturo.

Pri uporabi nerjavečega jekla je zelo pomemben termični cikel, saj način hlajenja močno vpliva na mikrostrukturo jekla. Komponente, narejene z WAAM tehnologijo, so kazale rahlo anizotropijo, ki pa jo je bilo s toplotnimi procesi možno popraviti. Tako je bilo možno doseganje zelo podobnih lastnosti, kot jih imajo izdelki narejeni z uporabo konvencionalnih procesov [3].

(17)

5

2.2.3 Pregled obstoječih rešitev

Ker gre za novo in zelo potencialno tehnologijo, je nastalo kar nekaj podjetij, ki se ukvarjajo z raziskavami na področju WAAM tehnologije in jo primarno uporabljajo za proizvodnjo.

MX3D

MX3D je nizozemsko podjetje, ki je od leta 2014 izdelalo več kot 10000 kg kovinskih objektov z uporabo aditivne proizvodnje. Izdelujejo sisteme za WAAM, pri katerih uporabljajo robote ABB, vire varilnega toka z MIG/MAG ali CMT procesom, in programsko opremo, ki so jo razvili sami. Postali so vodilna sila 3D tiskanja s kovinami, ko so predstavili 12 metrov dolg popolnoma funkcionalen most iz nerjavečega jekla, narejen s 3D tiskom.

Most že stoji v središču Amsterdama in je v polni uporabi. Na sliki 2.2 je prikazan proces postavljanja 3D tiskanega mostu, ki so ga začeli razvijati leta 2015 [7].

Slika 2.2: Postavitev 3D tiskanega mostu [7]

Poleg mostu pa so imeli številne projekte z uporabo WAAM tehnologije, med njimi ohišje kolesa na sliki 2.3, klop, zunanji bar, umetniške skulpture, konstrukcijski jekleni priključek, in številni ostali, narejeni zgolj s 3D tiskanjem kovin [7].

(18)

6 Slika 2.3: 3D tiskano ohišje kolesa [7]

Relativity Space

Relativity Space je ameriško podjetje, ki se ukvarja z izdelavo raket. Združujejo 3D tisk, umetno inteligenco, in avtonomne robotike, in temeljijo na programski proizvodnji. Za proizvodnjo raket potrebujejo tisočkrat manj delov, kar drastično zmanjša stične točke, poenostavi dobavne verige in poveča splošno zanesljivost sistema. Svoji raketi, Terran 1 in Terran R, Relativity lahko izdela od začetka do konca v roku 60 dni. Terran R, ki je prikazana na sliki 2.4 , je prva raketa za večkratno uporabo, izdelana izključno z uporabo 3D tiska.

Zmožna bo izstrelitve več kot 20000 kg v nizkozemeljsko orbito. Izstrelitev je planirana leta 2024 na rtu Cape Canaveral [8].

Slika 2.4: 3D tiskana raketa Terran R [8]

(19)

7

2.3 Vir varilnega toka

Kot vir varilnega toka bomo uporabili Fronius CMT, ki nam omogoča varjenje po CMT, ali MIG/MAG postopku. Prikazan je na sliki 2.5.

Slika 2.5: Vir varilnega toka Fronius CMT [9]

CMT je modificiran MIG/MAG varilni proces, ki ga je razvilo avstrijsko podjetje Fronius leta 2004. Od MIG/MAG procesa se razlikuje po novem postopku odcepitve mehanske kapljice z žice. Kratkostičen prehod materiala je pri tem procesu dosežen s premikanjem varilne žice naprej in nazaj. CMT omogoča precej nižji dovod toplote do varjenca, kot klasični obločni postopki.

Postopek CMT procesa je prikazan na sliki 2.6. Žica se najprej pomakne proti varilnemu bazenu. Ko pride konica žice v kontakt z varilnim bazenom, se servomotor varilnega gorilnika preko digitalnega krmilnega procesa obrne, kar povzroči umik žice in odcepitev kapljice. Takoj ko je proces odcepitve kapljice končan, se oblok ponovno vzpostavi in žico servomotor spet potisne naprej.

(20)

8 Slika 2.6: Shematski prikaz gibanja žice pri procesu CMT [10]

Varilni sistem je pri CMT procesu v celoti digitalno krmiljen. Komunikacija med posameznimi komponentami je ključna, saj mora glede na dogajanje v varilnem bazenu varilni izvor v trenutku odreagirati. Komponente CMT sistema so prikazane na sliki 2.7:

- (1) daljinska komanda, - (2) vir energije,

- (3) robotski vmesnik, - (4) podajalnik žice, - (5) hladilna enota, - (6) oskrba z žico, - (7) žični blažilnik, - (8) varilni gorilnik, - (9) robotski manipulator.

Slika 2.7: Shema varilnega sistema [10]

(21)

9

2.4 Robotski manipulator

Robotska roka ABB IRB140 ima 6 rotacijskih prostostnih stopenj, nosilnost pri največji hitrosti 6kg, in doseg 810 mm. Za programiranje uporabimo programski jezik RAPID, ki je bil narejen pri podjetju ABB, za upravljanje njihovih robotov. Z uporabo različnih orodij se jih najpogosteje uporablja pri naslednjih procesih [11]:

- obločno varjenje, - montaža,

- čiščenje ali škropljenje, - strojna nega,

- pakiranje,

- odstranjevanje odrgnin.

Slika 2.8: Robot ABB IRB140 [11]

2.4.1 Robotstudio

Proizvajalec robotov ABB je ustvaril tudi programsko okolje Robotstudio, s pomočjo katerega lahko uvozimo poljubnega ABB robota v virtualno okolje. Znotraj programa imamo možnost celotnega programiranja robota na računalniku, kar omogoči izvajanje vseh procesov brez ustavljanja proizvodnje. Tako lahko vse željene postopke preizkusimo v virtualnem okolju in se izognemo možnim napakam, ki bi bile pri testiranju na realnem sistemu lahko kritične.

(22)

10 V programu se uporablja virtualni krmilnik, ki je identična kopija realnega, kar pomeni, da lahko po končani uspešni simulaciji program takoj prenesemo na realni krmilnik in začnemo proces.

Program omogoča vrsto dodatkov (ang. add-ons), ki uporabniku olajšajo uporabo programa in pomagajo pri samem programiranju. Dodatek, katerega bomo uporabljali mi, je 3D Printing PowerPac.

3D Printing PowerPac

Dodatek 3D Printing PowerPac uporabniku omogoča, da uvozi G-kodo, narejeno v katerem koli programu za razslojevanje (ang. slicer), ki se uporabljajo za 3D tisk pri standardnih 3D tiskalnikih. Programska oprema brez ročnega programiranja G-kodo spremeni v kodo RAPID. Omogoča tudi shranjevanje nastavitev in parametrov, kar pomeni, da lahko po prvi uporabi kodo za poljubne predmete dobimo zelo hitro, nastavitve pa so povsem prilagojene našemu sistemu, kar omogoča zelo dobro ponovljivost procesa.

Programska oprema podpira več vrst 3D tiska, za različne materiale [12]:

- kovine,

- plastike in kompozite, - beton in keramiko,

- hrano in različne materiale.

Mi ga bomo uporabljali za 3D tisk kovin, ki ga lahko izvedemo z obločnim ali laserskim varilnim postopkom.

Preglednica 2.1 prikazuje parametre G-kode, ki jih program potrebuje, da dobi ustrezne podatke.

Preglednica 2.1: Opis parametrov G-kode [12]

Parameter Kaj predstavlja Opis

G1 ali G0 Predpona vrstice s

podatki o koordinatah Obvezen parameter, saj program bere vrstice s temi predponami, da dobi podatke o koordinatah.

E E-dimenzija

Enota: mm

Obvezen parameter, ki pri 3D tisku z iztiskanjem materiala pove, koliko materiala se iztisne, pri drugih procesih pa se uporabi, da program ve, ali je proces vklopljen ali izklopljen.

X, Y, Z Podatek o koordinatah Enota: mm

Obvezen parameter, iz katerega program razbere podatek o koordinatah točke.

(23)

11

F Hitrost

Enota: mm/min Neobvezen parameter, ki ga program uporabi za računanje dinamične hitrosti procesa.

nX, nY, nZ Podatek o orientaciji

Enota: rad Neobvezen podatek, ki ga program prebere kot orientacijo v sfernem koordinatnem sistemu.

V našem primeru torej prva vrstica v G-kodi s parametrom E pove programu, kdaj mora začeti z varjenjem, za kar uporabi RAPID komando ArcLStart. Dokler je v vrstici parameter E, je proces varjenja aktiven, iz podatka o koordinatah razbere točko, v katero se mora premakniti s komando ArcLMove. Če v vrstici s predpono G1 ni več parametra E, ali pa ima vrstica predpono G0, to pomeni, da bo program prenehal z varjenjem, kar stori s komando ArcLEnd. Hitrost se uravnava lahko na 2 načina, ali jo izberemo sami v Robotstudiu, ali pa izberemo možnost branja hitrosti iz G-kode.

(24)

12

3 Metodologija raziskave

3.1 Eksperimentalni del

Pri eksperimentalnem delu zaključne naloge bomo naredili simulacijo 3D tiska poljubnega predmeta z robotsko roko. Proces začnemo z izdelavo CAD modela, za katerega sem uporabil program Siemens NX. Nato model uvozimo v slicer Ultimaker Cura, nastavimo potrebne parametre in dobimo G-kodo, ki jo uvozimo v program Robotstudio. Tam s pomočjo dodatka 3D Printing PowerPac dobimo kodo v programskem jeziku RAPID. V programu nastavimo ustrezne parametre, preverimo kodo, in naredimo simulacijo procesa.

3.2 Ultimaker Cura

Za generiranje G-kode smo uporabili program Ultimaker Cura, ki je namenjen uporabi za ekstruzijske 3D tiskalnike za plastiko, ki bazirajo na podobni ideji kot naš sistem, zato lahko ta program ob ustrezni modifikaciji uporabimo tudi za naš proces.

Nastavitve novega tiskalnika

Cura nam omogoča, da uporabimo poljuben tiskalnik. Najprej izberemo ime in velikost delovnega območja. Izberemo pravokotno obliko mize in tip G-kode (ang. GCode Flavor) Ultimaker 2 [13].

3.2.1 Generiranje G-kode

V Curo uvozimo .stl datoteko našega CAD modela, kjer lahko tudi nastavimo lokacijo predmeta glede na delovno območje, vendar bomo mi to raje storili kasneje v programu Robotstudio.

(25)

Metodologija raziskave

13 Za naš namen je potrebno generiranje lupine objekta, zato je potrebno za razslojevanje (ang.

slicing) in generiranje poti določiti le nekaj parametrov. Nastaviti je potrebno višino sloja (ang. layer height), širino sloja (ang. line width) in hitrosti pomikov med procesom (ang.

print speed). Te parametre določimo eksperimentalno, glede na parametre varilnega vira. V našem primeru je višina sloja 2,00 mm, hitrost pomika pa 500 mm/min oz. 8,33 mm/s. Širino sloja nastavimo 5,0 mm, čeprav je v našem primeru dejansko ne potrebujemo, saj bomo uporabili opcijo za lupinast izdelek, kar pomeni, da bomo dobili izdelek z debelostjo stene enega sloja. Za tak proces uporabimo v Curi opcijo Spiralise Outer Contour, ki jo lahko uporabimo za izdelke oblik vaze ali različnih cilindrov. Na ta način bomo imeli pri celotnem izdelku samo en vžig varjenja in posledično lepši in boljši izdelek. Ko nastavimo vse omenjene nastavitve, poženemo proces in dobimo G-kodo. Na sliki 3.1 so prikazane nastavitve v programu.

Slika 3.1: Nastavitve v programu Cura

3.3 Robotstudio

Za pretvorbo G-kode v kodo RAPID in simulacijo procesa uporabimo program ABB Robotstudio. Znotraj programa imamo dodatek 3D Printing PowerPac, ki ta proces omogoča.

Najprej moramo ustvariti novi virtualni krmilnik (ang. Virtual Controller). Med produkti izberemo 3DP RW Add-In, program pa avtomatsko doda še ustrezno programsko opremo (ang. RobotWare), kot je vidno na sliki 3.2.

(26)

14 Slika 3.2: Ustvarjanje virtualnega krmilnika

Nato v zavihku Drive Modules izberemo ustrezen model robota, pri nas je to ABB IRB 140- 6/0.8 in varilni vir Fronius TPS. V zavihku Applications izberemo Application 3DP in enega ali več od možnih procesov, v našem primeru je to 3D printing Arc, ki omogoča WAAM.

To so bile vse potrebne nastavitve, zato zaključimo inštalacijo krmilnika.

Sedaj lahko zaženemo naš sistem in uvozimo robota. V zavihku RAPID preverimo, ali je bila možnost 3D tiska pravilno uvožena, tako da poiščemo modul T_ROB1_MAIN_3DP, in ga sinhroniziramo na postajo, da ga lahko kasneje modificiramo.

Nato uvozimo potrebno geometrijo, v našem primeru delovno mizo in orodje za varjenje.

Orodje že imamo v knjižnici programa v mapi Fronius, tako da ga samo uvozimo v našo postajo in pripnemo na robota. Če orodja v knjižnici ni, ga lahko enostavno dodamo znotraj programa brez izdelave geometrije. Poznati moramo samo koordinate in kvaternione orodja glede na koordinatni sistem robota. Dodamo lahko še poljubne CAD modele, datoteke .stl, v našem primeru bomo dodali delovno mizo, za lažjo predstavo med simulacijo, ki jo zmodeliramo v poljubnem programu. Na robu mize ustvarimo nov delovni predmet (ang.

Workobject). Če nimamo 3D modela mize, ga lahko ustvarimo tudi le na podlagi koordinat.

Na sliki 3.3 je prikaz naše virtualne delovne postaje.

(27)

15 Slika 3.3: Virtualna delovna postaja

Ko imamo ustvarjeno delovno postajo, odpremo 3D Printing PowerPac in uvozimo datoteko s prej ustvarjeno G-kodo. Nato lahko izberemo vse sloje, v primeru, da je teh zelo veliko, lahko za preizkus najprej uvozimo tudi le določeno število slojev. Na voljo imamo 3 tipe predogleda: Point Cloud, ki predstavlja celoten oblak točk, Frames, ki prikaže sličico za vsako koordinatno točko, in pa Process Visualization, ki nam omogoči vizualizacijo procesa z dvema barvama, ena predstavlja pomike med varjenjem, druga pa pomike, ko ne varimo.

Že v tem trenutku lahko preverimo ustreznost naše kode, saj smo želeli, da je za celotni izdelek potreben samo en vžig varjenja, torej moramo v tem predogledu dobiti le eno barvo, ki predstavlja pomike, ko je proces aktiven (ang. Process On Color).

Ko uvozimo celotno G-kodo, vidimo, da prvi sloj ni tak, kot bi želeli. Na sliki 3.4 se vidi, da je prvi sloj popolnoma napačen. Po simulaciji ugotovimo, da je prvi sloj le ta, ki je na sliki 3. označen z rdečo.

(28)

16 Slika 3.4: Vizualizacija procesa pred popravki

Očitno je, da se je pojavila napaka v G-kodi. Imamo izbiro, lahko popravimo G-kodo, ali pa v programu enostavno izberemo, da uvozi G-kodo brez prvega sloja. Ko izberemo to možnost, na sliki 3.5 vidimo, da je sedaj koda pravilna. Možnost, da uvozimo le poljubno število slojev lahko uporabimo tudi, če je število slojev zelo veliko in želimo najprej narediti hiter preizkus. Možnost začetka pri Z nič (ang. Start in Z zero) nam omogoča, da ne glede na to, pri katerem sloju začnemo, bo prvi sloj vedno imel koordinato Z enako 0, tudi če se bi moral drugače začeti pri katerikoli drugi Z koordinati.

Slika 3.5: Vizualizacija popravljenega procesa

Vidimo, da vizualizacija procesa pokaže le eno barvo, tako da zaenkrat kaže, da smo kodo ustrezno generirali. Ko imamo vizualizacijo procesa vklopljeno, lahko preverimo še položaj predmeta. Če ga želimo premakniti, spremenimo koordinate prej določenega delovnega predmeta. S položajem smo zadovoljni, zato gremo lahko naprej.

(29)

17 Na krmilnik je sedaj potrebno sinhronizirati glavni postopek (ang. main procedure), informacije orodja (ang. tooldata) in delovnega predmeta, kot je to vidno na sliki 3.6. Če smo zamenjali začetno točko orodja (ang. Home), moramo paziti, da pri tem koraku ustrezno izberemo modul T_ROB1_MAIN_3DP.

Slika 3.6: Potrebni podatki za sinhronizacijo

V zavihku Path Tune lahko aktiviramo filter, ki izbriše vse točke, ki so od prejšnje oddaljene manj kot minimalna razdalja, ki jo določimo sami. Izbrali smo razdaljo 1.00 mm, kar nam bo omogočilo bolj gladke premike robota.

V zavihku Orientation izberemo konstantno orientacijo orodja (ang. Constant Orientation), da je orodje vedno enako orientirano, kar potrebujemo za lepši rezultat varjenja v našem primeru. Ko to opcijo izberemo, vidimo, kako je v osnovi orientirano orodje. Do območja dostopa s spodnje strani, kar v našem primeru ni mogoče, zato določimo rotacijo 180⁰, ki predstavlja idealen položaj orodja, ki do mize dostopa z vrha.

Še enkrat preverimo vse nastavitve in v zavihku Export Program izvozimo program, kar bo generiralo RAPID module. Ustvarimo novo podmapo, v katero se bodo moduli izvozili.

Sedaj lahko zaženemo simulacijo. Najprej se začnejo ustvarjati datoteke, ko je ta proces končan, pa se začne postopek 3D tiskanja. Pritisnemo na zavihek Process Trace, ki nam omogoči vizualizacijo procesa. Nastavimo lahko barve za sode in lihe sloje. V tem zavihku se nam sproti tudi izpisuje, kateri sloj je trenutno v izdelavi. Določimo lahko tudi najmanjšo razdaljo (ang. Min Distance), ki pomeni najmanjšo razdaljo med posameznimi točkami vizualizacije procesa in vpliva le na bolj ali manj gladko delovanje simulacije. Parameter časa preslikave (ang. Redraw Rate) pa nastavimo, kakšen želimo imeti čas, v katerem se pojavi nova sličica procesa. To pomeni, da če izberemo zelo majhno najmanjšo razdaljo in

(30)

18 čas preslikave, bomo imeli simulacijo, ki bo zelo zahtevna za procesor računalnika.

Določimo lahko tudi premer cevi, če pa imamo izbrano možnost Auto, pa privzame vrednost premera iz G-kode. Možnost Enable Trace nam omogoča, da vidimo sam proces, možnost Trace only at Process On pa nam omogoča, da premik orodja pušča sled samo, ko je proces aktiven, torej med varjenjem. Možne nastavitve vidimo na sliki 3.7.

Slika 3.7: Zavihek Process Trace

Celoten proces ponovimo za izdelavo lupine treh predmetov z različno geometrijo, prikazanih na slikah 3.8, 3.9 in 3.10. Simulacijo izvedemo za vsak predmet dvakrat, enkrat generiramo G-kodo brez nastavitve Spiralize Outer Contour v Curi, drugič pa to nastavitev izberemo.

(31)

19 Slika 3.8: 3D model predmeta 1

Slika 3.9: 3D model predmeta 2

Slika 3.10: 3D model predmet

(32)

20

4 Rezultati in diskusija

Vseh 6 izvedenih simulacij smo posneli, primerjali pa bomo 3 odseke; začetek procesa, stanje med procesom, in stanje po koncu procesa. Posamezni sloji izdelka so obarvani dvobarvno; modra barva bo predstavljala lihe sloje, rumena pa sode, za lažjo predstavo.

Procesi bodo označeni z naslednjimi oznakami:

- 1a) Tisk predmeta 1 brez uporabe funkcije Spiralize Outer Contour, - 1b) Tisk predmeta 1 z uporabo funkcije Spiralize Outer Contour, - 2a) Tisk predmeta 2 brez uporabe funkcije Spiralize Outer Contour, - 2b) Tisk predmeta 2 z uporabo funkcije Spiralize Outer Contour, - 3a) Tisk predmeta 3 brez uporabe funkcije Spiralize Outer Contour, - 3b) Tisk predmeta 3 z uporabo funkcije Spiralize Outer Contour.

Na slikah 4.1 in 4.2 sta prikazana začetka procesov 1a in 1b. Opazimo, da procesa izbereta drugačno začetno točko. Glavno pri tej točki je, da se proces začne na pravem mestu, torej na plošči, kar pomeni, da je ustrezno programiran začetek varjenja.

Slika 4.1: Začetek procesa 1a

(33)

Rezultati in diskusija

21 Slika 4.2: Začetek procesa 1b

Na slikah 4.3 in 4.4 je prikazano stanje med procesoma 1a in 1b. Vidna je razlika pri prehodu v drug sloj, kjer proces 1a ustavi varjenje, pomakne orodje navzgor, in nadaljuje z varjenjem novega sloja. Pri procesu 1b imamo vžig varjenja le na začetku, kar pomeni, da je prehod med sloji izpeljan brez ustavljanja varjenja.

Slika 4.3: Stanje med procesom 1a

Slika 4.4: Stanje med procesom 1b

(34)

22 Na slikah 4.5 in 4.6 imamo prikazano končno stanje, po končanih procesih 1a in 1b. V obeh primerih vidimo, da je konec varjenja nastavljen pravilno, saj se sled postopka konča s koncem zadnjega sloja. Glavna razlika je opazna pri prehodu med posameznimi sloji.

Slika 4.5: Stanje po koncu procesa 1a

Slika 4.6: Stanje po koncu procesa 1b

Na slikah 4.7 do 4.18 so prikazani procesi 2a, 2b, 3a, in 3b. Opazimo enake razlike, kot pri procesih 1a in 1b.

(35)

23 Slika 4.7: Začetek procesa 2a

Slika 4.8: Začetek procesa 2b

(36)

24 Slika 4.10: Stanje med procesom 2b

(37)

25 Slika 4.13: Začetek procesa 3a

Slika 4.14: Začetek procesa 3b

(38)

26 Slika 4.16: Stanje med procesom 3b

Iz rezultatov simulacije lahko vidimo, da smo pri vseh procesih prišli do končnega izdelka.

Glavna razlika med procesi se opazi pri prehajanju orodja v naslednji sloj. V procesih a, ki nimajo vklopljene možnosti Spiralize Outer Contour, vidimo, da pri vseh predmetih naredijo z enim vžigom varjenja le en sloj, procesi a, ki imajo omenjeno opcijo vklopljeno, pa

(39)

27 potrebujejo za celotni izdelek le en vžig varjenja. Tak postopek omogoča lepši končni izdelek, pri katerem se posamezni sloji ne poznajo tako očitno.

S primerjavo rezultatov enakega procesa in različne geometrije ugotovimo, da se proces lahko uporablja tako pri pravokotnih premikih, kot po premikih po krožnem loku.

Glavni cilj naloge je bil uspešen, saj iz rezultatov simulacij vidimo, da se G-koda v kodo RAPID pretvori ustrezno. Proces varjenja se v vseh primerih začne v pravi točki, prava pa je tudi pot orodja.

(40)

28

5 Zaključki

V nalogi smo izpeljali celoten proces 3D tiska kovin z uporabo robotske roke. Proces povzamemo v naslednjih ključnih točkah:

1) S pomočjo različne literature smo preučili teoretično ozadje obločnega oblikovnega navarjanja z žico in orodij, ki jih za ta postopek uporabimo.

2) Izdelali smo 3D model željenega predmeta za tisk.

3) Iz 3D modela smo generirali G-kodo, ustrezno za naš proces.

4) G-kodo smo uvozili v program Robotstudio in jo s pomočjo dodatka spremenili v kodo RAPID.

5) Nastavili smo potrebne parametre varjenja in nastavitve robota, in izvedli simulacijo procesa za 3 različne izdelke.

6) Spremljali smo simulacijo in ugotovili, da je bila uspešna.

Predlogi za nadaljnje delo

V kolikor laboratorij dobi novega robota, na katerega bi lahko naložili potrebno programsko opremo, bi lahko postopek izvedli še v laboratoriju na realnem sistemu in nato ovrednotili končen izdelek. Lahko bi tudi naredili simulacijo 3D tiska z uporabo ostalih metod, npr. z iztiskanjem materiala.

(41)

29

Literatura

[1] The Engineer: The rise of additive manufacturing. Dostopno na:

https://www.theengineer.co.uk/the-rise-of-additive-manufacturing/, ogled: 1. 9.

2021.

[2] LAVAR: Aditivne tehnologije-WAAM. Dostopno na: https://web.fs.uni- lj.si/lavar/robotsko-varjenje/, ogled: 5. 9. 2021.

[3] S. R. Singh, P. Khanna: Wire arc additive manufacturing (WAAM): A new process to shape engineering materials, Materials Today: Proceedings 44 (2021) str. 118- 128.

[4] B. Wu et al.: A review of the wire arc additive manufacturing of metals: properties, defects and quality improvement, Journal of Manufacturing Processes, 35 (2018) str.

127-139.

[5] H. Xin et al.: Experiments and numerical simulation of wire and arc additive manufactured steel materials, Structures, 34 (2021), str. 1393-1402.

[6] Z. Liu et al.: Additive manufacturing of metals, Microstructure evolution and multistage control, Journal of Materials Science & Technology, 100 (2022) str. 224- 236.

[7] MX3D – Predstavitvena stran. Dostopno na: https://mx3d.com/, ogled: 7. 9. 2021 [8] Relativity Space – Predstavitvena stran. Dostopno na:

https://www.relativityspace.com/, ogled: 7. 9. 2021

[9] LAVAR – Oprema. Dostopno na: https://web.fs.uni-lj.si/lavar/oprema/, ogled: 7. 9.

2021.

[10] Fronius: CMT. Dostopno na: http://www2.sts.si/arhiv/tehno/varSjenje/cmt.htm, ogled: 7. 9. 2021.

[11] ABB – IRB 140, opis produkta. Dostopno na:

https://new.abb.com/products/robotics/industrial-robots/irb-140, ogled: 8. 9. 2021.

[12] ABB – 3D Printing Application manual.

[13] N. Kozamernik: Razvoj krmiljenja medvarkovne temperature pri oblikovnem obločnem navarjanju: magistrsko delo. Ljubljana, 2018.

(42)