19-07-21

Een brug slaan tussen WAAM en software

Hoewel ik MX3D al langer ken, vond mijn eerste echte kennismaking met het bedrijf plaats toen ik hun stand tegenkwam op de FromNext-beurs in 2019. Toen ik hierlangs liep, viel mijn oog al gauw op een geweldig stukje nerdy eye-candy in de vorm van een robotarmonderdeel dat ze hadden gebouwd met behulp van hun wire-arc additive manufacturing (WAAM)-technologie. Dit onderdeel was gebouwd uit roestvrij staal en ontworpen met behulp van topologieoptimalisatie voor een industriële robot van ABB.

Als specialist in industriële robotica en additive manufacturing, begreep ik de voordelen van dit ontwerp al snel. Een industriële robot kan honderden kilo’s wegen en de motoren aan de basis van een robot moeten zeer krachtig zijn, niet alleen om de payload te dragen, want deze ondersteunen ook de rest van de arm zelf. Bovendien is het zo dat hoe zwaarder een robotarm is, hoe trager hij is en hoe moeilijker het voor de controllers is om de arm snel en precies in beweging te houden. Zoals iedereen weet, is tijd geld, en hoe sneller een robot kan bewegen terwijl hij zijn taken toch precies uitvoert, hoe kosteneffectiever hij kan zijn. Zet dat eens af tegen de precisiegietstukken die moeten worden gemaakt om de steun en stijfheid te bieden voor dergelijke precieze taken. Voor de robotarm van ABB in kwestie was een gegoten behuizing nodig van 150 kilo.

Het punt is dat niet al het materiaal in dat gietstuk nodig is om de vereiste sterkte en stijfheid te verkrijgen. Het grote voordeel van topologieoptimalisatie, is dat er kan worden bepaald hoeveel materiaal precies nodig is om die sterkte en stijfheid te leveren. Het probleem wordt dan om een productieoplossing te vinden voor dit geoptimaliseerde ontwerp. Helaas is gieten in dit geval niet één van die oplossingen.

MX3D gebruikte Altair Inspire- en Optistruct-software om het topologie-geoptimaliseerde ontwerp te helpen maken. Dit ontwerp werd vervolgens ingevoerd in hun eigen MetalXL software om het WAAM-proces aan te sturen. Het resulterende onderdeel is een soort netvorm die verdere nabewerking vereist. Eén van deze nabewerkingsstappen is een CNC-bewerking, waardoor de montagepunten nauwkeurig gedefinieerd worden, waardoor het onderdeel kan worden opgenomen in de robotarmassemblage. Dit resulteert in een onderdeel dat slechts 73 kg weegt, wat minder dan de helft van het eerdergenoemde gietstuk is. Uiteindelijk betekent dit dat ABB het gewicht van zijn robotarmen verder kan verlagen voor dezelfde payload en dezelfde besturingsparameters, aangezien de motoren en hardware nu ook lichter kunnen zijn.

Dat is echter niet het hele verhaal. Aangezien dit onderdeel intern kan worden gemaakt in een tijdsbestek van slechts vier dagen, kan worden overwogen om robots op bestelling te bouwen. Als het laadvermogen en de dynamische omstandigheden van tevoren bekend zijn, kunnen structurele componenten hierop afgestemd worden en verder in gewicht worden teruggebracht. De nauwkeurigheid kan daarnaast verder worden verbeterd met behulp van software waarmee de stijfheid in alle zes bewegingsgraden kan worden gemodelleerd, waardoor ook de snelheid verder worden kan verhoogd. In plaats van alleen de topologie van de structurele componenten te optimaliseren, kan op die manier de hele robot, inclusief zijn energieverbruik, worden geoptimaliseerd. Zo kunnen we dus overwegen systemen te maken die werkelijk geoptimaliseerd zijn voor hun omgeving.

Ik zie hoe WAAM en andere “directed energy deposition additive manufacturing”-technologieën hun plaats in het brede spectrum van beschikbare fabricageoplossingen kunnen veroveren. Het is duidelijk dat MX3D dit ook inziet. Toen ze voor het eerst onderdelen begonnen te maken met behulp van WAAM, zoals de welbekende metaalgeprinte brug die volgens de planning in de zomer van 2021 geïnstalleerd zal worden, was het nog een beetje nieuw. Nu lijkt het erop dat de vraag naar WAAM veel groter is dan waaraan één bedrijf als MX3D kan voldoen. De basisinfrastructuur voor het uitvoeren van WAAM is vrij eenvoudig en wordt goed begrepen – alles wat je ‘echt’ nodig hebt is een robot en een lassysteem. Om WAAM echter doeltreffend uit te voeren, heb je software nodig die is afgestemd op het proces en de materialen die nodig zijn voor specifieke toepassingen. Als gevolg van hun jarenlange ervaring, successen -en ook mislukkingen- bevindt MX3D zich nu in een uitstekende positie om hun MetalXL-software te leveren aan fabrikanten die WAAM willen toevoegen aan hun portfolio van technische oplossingen. Zeker, er moet nog veel geleerd en ontwikkeld worden voordat WAAM zijn plaats kan opeisen als een courante productietechnologie, maar dit is een mooi begin.

Deel deze blog

Ian
Gibson

Professor Ian Gibson is gepromoveerd in industriële robotica en is een bekende expert in additive manufacturing. Hij heeft in Azië en Europa gewerkt. Aan de Deakin University in Australië richtte hij het Centre for Advanced Design and Engineering Training op. Zijn boek, "Additive Manufacturing Technologies", uitgegeven door Springer, is #1 van alle productieboeken met meer dan 5 miljoen gedownloade exemplaren.