3D Printing with Robot Manipulator

Abstract

I det siste tiåret har additiv produksjon (AP) blitt et stadig mer fremtredende tema innen robotikk. Mens subtraktive produksjonsmetoder er avhengige av å fjerne materiale for å forme det endelige produktet, former AP produktet gradvis ved gradvis tilsetning av materiale, som øker materialeffektiviteten og muliggjør produksjon av mer komplekse geometrier. Tradisjonelle AP-metoder lider av upraktisk skalering og komplekse former kan kreve store mengder støttemateriale. For dette formål antas bruken av en flerbruksrobotmanipulator å kunne gjøre AP i større skala mulig, mens den økte fleksibiliteten kan redusere behovet for støttemateriale.

Dette prosjektet har som mål å bruke en robotmanipulator for AP som en fortsettelse av et større pågående forskningsprosjekt ved SFI Manufacturing. Det er gjennomført et litteraturstudie for å gi bakgrunn til arbeidet som presenteres og vise metoder gjort av andre i dette feltet. I tillegg presenteres stegene til en typisk AP-prosess, og mulige endringer for å bruke en robotmanipulator er nevnt. For å adressere manglene i forprosjektet der grunnleggende stifølging og materialekstrudering var implementert, presenteres forbedringer som en iterativ prosess og resultatene sammenlignes med en referansemodell produsert på et tradisjonelt system for å kunne bedre vurdere ytelsen til systemet. De produserte modellene viste betydelig forbedring, og en rekke modeller ble produsert for å vise hvordan AP ved bruk av robotmanipulatorer relateres til industrielle behov. Videre ble det arbeidet for å oppnå uhorisontal AP ved å utnytte de ekstra frihetsgradene til systemet. Et sett med modeller med uhorisontale geometrier og verktøybaner ble produsert med varierende resultater, som viser til behovet for bedre kontroll av materialets ekstrudering og verktøyhodets bevegelse under rotasjonsbevegelser. Til slutt ble en konseptimplementering av sekvensiell produksjon av en segmentert modell utført. Den nåværende implementeringen mangler sanntidskontroll av materialekstruderingen, som fremtidig arbeid med bevegelsesbiblioteket vil forsøke å korrigere ved å koble ekstruderingsprosessen til bevegelsesgenereringsstadiet. Arbeidet vil også inkludere implementering av segmenteringsprosessen i slicer-programvare for å muliggjøre automatisk produksjon av segmenterte modeller.

In the past decade, additive manufacturing (AM) has become an ever more prominent topic in the field of robotics. Whereas subtractive manufacturing methods rely on removing material to shape the final product, AM gradually shapes the product by incremental addition of material, increasing material efficiency and enabling the production of more complex geometries. Traditional AM methods suffer from impractical scaling and complex shapes may require large amounts of support material. To this end, the utilization of a multipurpose robot manipulator is thought to enable AM on a larger scale, while the increased flexibility could reduce the support material requirement.

This project aims to use a robot manipulator for AM as a continuation of a larger ongoing research project at SFI Manufacturing. To that end, a literature study has been conducted to give background to the work presented and show approaches made by others in the field. Additionally, the pipeline of a typical AM process is presented, and how this pipeline may need to be adapted for utilizing a robot manipulator is stated. Addressing the shortcomings of the preliminary project where basic path following and material extrusion had been implemented, improvements are presented as an iterative process and results are compared to a reference model produced on a traditional system to better assess the performance of the system. The produced models showed significant improvement, and a range of models were produced to show the industrial relevance of AM using robot manipulators. Further, work was done to achieve non-planar AM by utilizing the additional degrees of freedom (DoF) of the system. A set of models featuring non-planar geometries and tool-trajectories were produced with varying results, showing the need for better control of the material extrusion and tool-head motion during rotational moves. Finally, a proof of concept implementation of sequential manufacturing of a segmented model was performed. The current implementation lacks real-time control of the material extrusion, using an approximate instead, and future work on the motion library will attempt to correct this by coupling the extrusion process to the motion generation stage. Work will also include implementing the segmentation process in slicer software to enable automatic manufacturing of segmented models.