Der 3D-Druck ist sofort einsatzbereit

Studenten des DREAMS-Labors haben das letzte Jahr damit verbracht, 3D-Druck mit fortschrittlicher automatisierter Montage zu kombinieren und so einen einzigartigen Herstellungsprozess zu entwickeln.

10. Februar 2023

Beim 3D-Druck wird normalerweise eine einzelne Maschine ein Objekt erstellen. Aber ein Team von Bachelor-Forschern hat dieses Paradigma im Design, Research, and Education for Additive Manufacturing (DREAMS) Lab unter der Leitung von LS Randolph Professor Chris Williams weit über seinen Rahmen hinaus entwickelt.

Das Projekt begann mit dem Ziel, eine Drohne in 3D zu drucken, die autonom aus dem Drucker fliegen konnte, und entwickelte sich zu einem äußerst robusten, anpassungsfähigen Ansatz für die Herstellung großer mechatronischer Systeme.

Drohnen sind komplexe Mechanismen mit rotierenden Propellern, präzise kalibrierter Elektronik, Batterien und einer Reihe anderer Teile und Teile. Eine der ersten Herausforderungen für das Team bestand darin, dieser Komplexität mit dem 3D-Druck zu begegnen. Einige Teile, etwa eine geladene Batterie und ein Motor, konnten einfach nicht gedruckt werden und mussten stattdessen zusammengebaut werden. Diese Baugruppe passt nicht zur normalen Funktion eines 3D-Druckers, die darin besteht, gestapelte Schichten übereinander abzulegen und so ein einziges stationäres Objekt zu bilden.

Das Team musste auch ein etwas heikles Problem lösen: die Drohne freizulassen. Da die erste Schicht eines 3D-Druckers leicht an der Bauplatte haftet, musste das Team herausfinden, wie das gedruckte Teil während des autonomen Prozesses abgekratzt werden kann.

Ein typischer 3D-Drucker würde nicht alle diese Ziele erreichen. Während die Maschine Schichten anordnen kann, um eine Form zu erzeugen, und sogar verschiedene Materialien zusammendrucken kann, ist sie nicht in der Lage, Komponenten zu greifen und zusammenzusetzen, und sie kann ihr eigenes Produkt nicht abkratzen. Die Entscheidung, wie alle diese Schritte autonom durchgeführt werden können, wäre der entscheidende Faktor bei der Entwicklung einer funktionierenden Drohne, die ihren Hersteller erfolgreich verlassen hat.

Das Team plante, die typische 3D-Druckerfunktion zu umgehen, die einen Druckkopf an einem festen Portal verwendet. Stattdessen nutzte die Gruppe einen Roboterarm, der mit Werkzeugen zum Drucken und zur Komponentenmontage ausgestattet werden konnte. Obwohl die Programmierung und Bedienung der Arme mehr Arbeit erfordert, bieten sie auch mehr Optionen.

„Durch die Anbringung eines Druckkopfes an mehrachsigen Industrieroboterarmen gewinnen wir zusätzliche Bewegungsfreiheitsgrade, die es uns ermöglichen, endlich in echtem 3D zu drucken“, sagte Williams. „Anstatt nur eine Reihe zweidimensionaler Drucke jeder Schicht zu stapeln, können wir dank der kinematischen Flexibilität des Roboterarms Material in jede Richtung im 3D-Raum ablegen.“

Der Roboterarm bot den Teammitgliedern einen weiteren Vorteil: Sie konnten einen vielseitigen Satz Werkzeuge für den Arm herstellen. Dieser multimodale Ansatz bedeutete, dass der Arm einen 3D-Druckkopf für einen Teil eines Auftrags verwenden, zu einem Montagewerkzeug wechseln konnte, um Elektronik und andere fertige Teile zu platzieren, und dann wieder zu einem 3D-Druckwerkzeug wechseln konnte, um den Drohnenrahmen zu schließen. Durch den Einsatz mehrerer Werkzeuge in einer einzigen Roboterarbeitszelle konnten mehrere Maschinen überflüssig gemacht werden.

„Die Flexibilität von Roboterarmen ermöglicht es uns, die Werkzeuge während des Druckens zu wechseln, sodass wir Fremdkörper wie Motoren, Batterien und Drähte in das Objekt einbauen können, während es gedruckt wird“, sagte Williams. „Dies eröffnete uns die Möglichkeit, komplette funktionsfähige mechatronische Baugruppen in einer einzigen Roboterarbeitszelle herzustellen.“

Nachdem die Schüler Teile zum Drucken oder Zusammenbauen bestimmt hatten, mussten sie herausfinden, wie die klebrige Verbindung zwischen dem fertigen Teil und der Bauplatte am besten gelöst werden kann. Dies wurde zu einer Lektion in Thermodynamik.

Die große, beheizte Bauplatte des Roboterdruckers, die als Basis für das zu bauende Teil dient, ist leicht erwärmt, um genügend Haftung zu erzeugen, damit sich das Teil während des Druckens nicht bewegt. Obwohl es für das Erreichen der zum Bauen erforderlichen Präzision unerlässlich ist, stellte es ein Hindernis für ein gedrucktes Stück dar, das von seinem Drucker wegfliegen muss.

Teammitglied Dalton Phillips entdeckte eine überraschend einfache Lösung, um das bedruckte Stück zu entfernen: Lassen Sie es abkühlen. Wenn die Platte nach Abschluss des Druckvorgangs um einige Grad abkühlte, wurde die Haftung schwächer. Sobald die Platte auf einen bestimmten Punkt abgekühlt ist, kann sie mit einem einfachen mechanischen Schaber weggeschoben werden. Dieser Ansatz funktionierte und die Drohne konnte freigelassen werden.

Nachdem die Grundlagen geschaffen waren, machte sich das Team daran, sein Ziel zu erreichen: eine Drohne, die vom Drucker wegflog. Über mehrere Monate hinweg entwickelten die Teammitglieder multimodale Werkzeuge, die an ihren Roboterarmen angebracht werden konnten. Da sie einen Roboterarm verwendeten, den das DREAMS Lab zuvor für den 3D-Druck entwickelt hatte, waren die Druckermaschinen leicht verfügbar. Die anderen für die Montage benötigten Werkzeuge müssten für den Einsatz am selben Arm erstellt oder geändert werden.

Was macht ein 3D-Druckteam, um modifizierte Teile herzustellen? Verwenden Sie natürlich einen 3D-Drucker.

Das Team baute neue Beschläge für den Arm und passte die Maschinen spontan an, damit sie effizienter arbeiten und auftretende Probleme behoben werden konnten. Die Teammitglieder gingen das Projekt von beiden Seiten an: Sie stellten kundenspezifische Maschinenteile her, um notwendige Aufgaben auszuführen, und setzten diese Teile ein, um die autonome Herstellung einer voll funktionsfähigen Drohne zu ermöglichen.

Über das Entwerfen der Hardware hinaus verbrachten die Studenten unzählige Stunden damit, Programmierungen zu schreiben. Wenn die Größe eines Drohnengehäuses falsch war, änderten sie die Größe des Aufdrucks. Als ein Montagewerkzeug seine Position zum Platzieren der Elektronik nicht erreichen konnte, programmierten sie seine Bewegungen zur Korrektur neu. Wenn eine Drohne fertig war, aber beim Einschalten seitlich am Drucker abstürzte, änderten sie das Drohnendesign.

Es wurden Hunderte Stunden Versuch und Irrtum aufgewendet, um Probleme aus verschiedenen Blickwinkeln zu lösen.

Am 25. April gelang ihnen schließlich ihr erster erfolgreicher Druck und Flug. In einem vollautomatischen Bau wurde das Chassis gedruckt, die Elektronik platziert, die Rotoren gedreht und die Drohne flog davon. Unmittelbar nach dem Abflug der Drohne machte sich der Roboter wieder an die Arbeit, um autonom ein völlig anderes Drohnendesign mit einem neuen Satz modularer Elektronik zu drucken.

Nach Abschluss des Projekts produzierten die Studenten ein Video des abgeschlossenen Prozesses, gewannen einen nationalen studentischen Designwettbewerb und veröffentlichten ihre Arbeit auch zur Begutachtung durch Fachkollegen.

Der Erfolg motivierte das Team, neue Innovationen voranzutreiben. Eines der ersten Ziele war die Verbesserung der Roboterwerkzeuge.

Beim Bau ihrer ersten multimodalen Maschine hatten die Studenten ein einziges Werkzeug für ihren Roboter entwickelt, das sowohl modulare Teile in 3D druckte als auch platzierte. Obwohl es gut geeignet war, ihre ersten Erfolge zu erzielen, war es nicht ideal. Sie hatten im Wesentlichen zwei Hände am Ende eines Arms geschaffen, sodass seine Manövrierfähigkeit auf engstem Raum durch die vielen Gliedmaßen etwas eingeschränkt war.

Das Team wollte außerdem weit mehr als die beiden Aufgaben ausrüsten, die dieses erste Tool ermöglichte. Auf der Wunschliste standen Aufgaben wie das Einbetten von Drähten, 3D-Scannen sowie Trimmen und Löten. Die Studierenden wollten auch die Flexibilität hinzufügen, neue Werkzeuge für zukünftige Builds zu erstellen und auszurüsten.

Das neue Ziel bestand darin, einzelne, modulare Werkzeuge automatisch ein- und auswechseln zu können, sodass der Roboterarm für jede Aufgabe genau das Werkzeug erhalten konnte, das er benötigte. Leider hatte der kleine Roboter, der im ersten Durchgang verwendet wurde, nur eine begrenzte Reichweite, und die Platzierung eines Werkzeugregals in diesem Raum würde ihm weniger Platz für seine Arbeit verschaffen.

Die Schüler mussten ihren Roboter wechseln.

Sie mussten nicht lange suchen, um eine gute Lösung zu finden. Der Postdoktorand Joseph Kubalak, ebenfalls Mitglied des DREAMS-Laborteams, hatte mit einem größeren Roboterarm gearbeitet, der in der Lage war, Werkzeuge nach Bedarf des Teams zu wechseln. Der größere Roboter konnte sich auch in einem erweiterten Arbeitsbereich bewegen, was der Gruppe die Möglichkeit gab, ein umfangreiches Arsenal an Werkzeugen zum Anbringen aufzubauen. Dabei fanden die Studierenden auch neue Wege, den Prozess zu rationalisieren.

„Der Übergang zum größeren Roboter war nicht so einfach wie das Herausziehen des alten und das Einstecken des neuen“, sagte Teammitglied Kieran Beaumont. „Denn viele unserer ursprünglichen Hardware- und Software-Entwurfsentscheidungen waren fast speziell für den kleineren Roboter getroffen worden.“ Alle Werkzeuge, die Elektronik und der Code mussten neu gestaltet werden. Diese Erfahrung lehrte uns, wie wichtig der modulare Aufbau ist, nicht nur für die Drohnen, die wir bauten, sondern auch für die Arbeitszelle. Mit dem, was wir gelernt hatten, entwarfen wir die neue Arbeitszelle Wir brauchten Werkzeuge mit Standardschnittstellen und Leistungsanforderungen und entwickelten ein Steuerungssystem, das in der Lage ist, Roboterarme jeder Größe zu bedienen.“

Der erweiterte Arbeitsbereich des Teams bedeutet auch eine größere Auswahl an Endprodukten. Im ersten Projekt war die Größe der gebauten Drohnen durch die Reichweite des kleineren Arms begrenzt. Durch die größere Größe und den Werkzeugzugang des größeren Arms kann das Team viel größere Drohnen bauen.

Nachdem die ursprüngliche Idee auf eine größere Ebene ausgeweitet wurde, besteht der nächste Schritt des Teams darin, ein Team aus Robotern zusammenzustellen, die zusammenarbeiten. Die Studenten stellen sich eine Zukunft vor, in der 3D-Druck mit Montage nicht nur für einen Roboter, sondern für die Zusammenarbeit mehrerer Roboter kombiniert wird. Ihr Ziel ist ein Team mechanischer Arme, die sich nahtlos untereinander bewegen und wie ein mechanisches Ballett zusammenfließen. Dies erfordert eine neue Gruppe von Forschungsmitarbeitern, die das Team derzeit betreut.

„Wir haben Dozenten, die wirklich gut in Robotik sind, wirklich gut darin, Roboter zusammenarbeiten zu lassen“, sagte Kosmal. „Wir möchten diese Menschen einladen, gemeinsam zu fragen, wie Roboter wirklich coole Dinge herstellen können.“

Diese „wirklich coolen Dinge“ decken eine Vielzahl von Möglichkeiten ab. So wie das System derzeit in Betrieb ist, könnte es von der NASA genutzt werden, um automatisch eine Vielzahl verschiedener missionsspezifischer Drohnen zu produzieren, die für Fernarbeiten auf dem Mars eingesetzt werden, oder die Herstellung von Drohnen auf Abruf zu ermöglichen, um Überlebende zu finden und bei Katastrophenhilfeszenarien auf der Erde Nachschub zu liefern.

„Ich denke, dieses Projekt weist auf die Zukunft der additiven Fertigung hin“, sagte Williams. „Es ist an der Zeit, über das Drucken statischer Teile in vorgefertigten Kartons hinauszugehen und über Möglichkeiten nachzudenken, die 3D-Drucktechnologie in fortschrittliche Fertigungsabläufe zu integrieren, um die Schaffung wirklich multifunktionaler Produkte zu ermöglichen.“

Das ursprüngliche Studententeam, das dieses Projekt in Angriff nahm, bestand aus Tadek Kosmal, Kieran Beaumont, Eric Link, Conner Pulling, Dalton Phillips, Heather Wotton, Camille Kudrna, James Lowe und Hutch Peter. Viele der Teammitglieder haben inzwischen ihren Abschluss gemacht, einige arbeiten jetzt in der Industrie. Kosmal, Beaumont und Wotton streben im DREAMS Lab einen Hochschulabschluss an, und Teammitglied Link macht dasselbe im Labor von Kevin Kochersberger.

„Dieses Projekt war schon lange ein Traum von mir“, sagte Williams. „Unser Labor arbeitet seit geraumer Zeit an einigen einzelnen Elementen dieser Vision und es war äußerst beeindruckend zu sehen, wie diese talentierte Gruppe von Studenten – von denen viele seit ihrem ersten Studienjahr in unserem Labor arbeiten – alles zusammenfügt.“ lohnend und inspirierend.“

Dieses Projekt erhielt zunächst eine Förderung in Höhe von 75.000 US-Dollar von der NASA University Student Research Challenge, gefolgt von weiteren kombinierten 40.000 US-Dollar von Boeing, Braskem, Cube Pilot, KDE Direct, Northrop Grumman, RoboDK, Stäubli und Xoar.

Suzanne Miller

540-267-4375