Automatiserad hantering av 3D-printade sandformar och kärnor

(1)

Rapport nr 2018-006

Automatiserad hantering av

3D-printade sandformar och kärnor

(2)

(3)

Swerea SWECAST AB Status

Öppen

Projekt nr Projekt namn

1256 AUTOPRINT - Automatiserad hantering av 3D-printade

sandformar och kärnor

Författare Rapport nr

Utgåva

Datum

Åsa Lauenstein 2018-006 2018-09-07

Sammanfattning

Syftet med förstudien var att undersöka möjlig automatiserings- och digitaliseringsgrad för framställningen av 3D-printade sandformar och kärnor till svensk gjuteriindustri. Målet var att kartlägga och möta dess processbehov för att kunna tillämpa additiv tillverkning som ett integrerat processteg och därmed öka konkurrenskraften genom nya randvillkor för gjutna komponenter. Förstudien har visat potentialen i att identifiera befintliga automations- och digitaliserings-lösningar från andra teknikområden och applicera dessa på samtliga värdeskapande processteg i kärntillverkningen.

Förstudien inleddes med en behovsinventering där samtliga deltagande gjuterier besöktes och förutsättningarna för additiv tillverkning i processen utvärderades. Det entydiga beskedet från denna inventering var att automation genom robotanvändning och digitalisering är en grundläggande förutsättning för att additiv tillverkning ska kunna införas fullt ut som produktionsmetod.

Därefter definierades åtta diskreta processteg varav endast utskriften av kärnor i dagsläget är automatiserad. Dammsugning av lös sand och urplockning av printade komponenter behandlades i förstudien medan efterföljande processteg återstår. Under projektets gång har utvecklingen av en robotiserad hantering kunnat visas upp i Swerea SWECASTs testbädd för gjutna produkter i Jönköping liksom i filmad dokumentation i olika media.

Summary

This prestudy has investigated possibilities for automatisation and digitalisation of additive manufacturing of sand moulds and cores for Swedish foundries. The aim was to map and meet process needs within foundry industry in order to apply additive manufacturing as a fully integrated process step. This will increase the competitiveness of Swedish industry through new possibilities for cast components. The project has shown the potential in identifying solutions for automation and digitialisation used in other areas and apply these on value-creating process steps in core-making.

The prestudy started with an inventory where all foundry partners were involved in order to evaluate the conditions for 3D printing in the production process. The result from this inventory was that automation by means of robots and digitalisation is a necessary prerequisite in order to fully utilise 3D printing as a production method. Eight discrete process steps were defined, out of which only the printing of cores itself is already automised. Removing loose sand and picking printed components were treated while subsequent process step remain unsolved. The development of the robotised handling has been on display in the showroom at Swerea SWECAST in Jönköping as well as on filmed documentation in different media throughout the project.

(4)

(5)

Swerea SWECAST AB Rapportnr 2018-006

Innehållsförteckning

INNEHÅLLSFÖRTECKNING ... 5 1 TILLKOMST ... 1 2 INLEDNING ... 1 3 SYFTE OCH MÅL... 2 4 RESULTAT ... 3

4.1 BEHOVSINVENTERING OCH INFORMATIONSINSAMLING ... 3

4.2 PRAKTISKA TESTER ... 5

4.2.1 Kommunikation mellan 3D-skrivare och robot ... 6

4.2.2 Dammsugning med robot ... 8

4.2.3 Plockning av kärnor med robot... 8

4.3 RAPPORTERING, WORKSHOPS OCH INFORMATIONSSPRIDNING ... 10

5 DISKUSSION ... 11 6 SLUTSATS ... 12 7 FORTSATT ARBETE ... 13 8 REFERENSER ... 13

Bilageförteckning

Antal sidor

Bilaga 1 Sammanställning av behovsinventering 5

Bilaga 2 Inbjudan till workshop inom CDC-nätverket 3D-sand 1

Bilaga 3 Projektblad Autoprint 1

(6)

(7)

Swerea SWECAST AB Rapport nr 2018-006

1 Tillkomst

Förstudien Autoprint har haft som syfte haft att undersöka möjlig automatiserings- och digitaliseringsgrad för 3D-printade sandformar och kärnor till gjuteriindustrin. Mål, upplägg, deltagare och tidplan beskrivs i projektansökan [1]. Projektet bedrevs inom SIP PiiA (Strategiska innovationsprogrammet Processindustriell IT och Automation), en gemensam satsning av Vinnova, Formas och Energimyndigheten. Projektets löptid var 2017-09-25 – 2018-03-25 och den totala budgeten 975 000 SEK varav hälften finansierades av VINNOVA.

Swerea SWECAST, som är ett forskningsinstitut för gjuteriindustrin, koordinerade genomförbarhetsstudien. Swerea SWECAST har en nationellt unik erfarenhet av additiv tillverkning av formar och kärnor till gjuteriindustrin då man via samarbete med Karlebo Gjuteriteknik från 2015 drivit en verksamhet inom området. Produktion och forskning har bedrivits inom ramen för institutets testbädd för gjutna produkter i Jönköping. Swerea SWECAST håller testbädden öppen och tillgänglig för svensk industri genom studiebesök och demonstrationer. Man ger även kurser och workshops inom 3D-teknik och driver utvecklingen genom arbete med det företagsnätverk där flera av parterna i denna ansökan är aktiva. Projektet leddes av Åsa Lauenstein och från Swerea SWECAST deltog även teknisk personal utbildad vid ExOnes anläggning i Gersthofen, Tyskland.

Karlebo Gjuteriteknik tillhandahöll maskinen från leverantören ExOne samt förbrukningsvaror och printade detaljer. KUKA Nordic deltog som experter och leverantörer av robot- och visionteknik. Holsbyverken, Xylem, Bruzaholms Bruk och Volvo GTO deltog som kravställande gjuterier och producenter/användare av 3D-printade formar och kärnor. Dessa företag har stor erfarenhet av att hantera detaljerna samt att ställa kraven på vad automatiseringen måste kunna uppfylla i respektive produktion. Detta skiljer sig åt beroende på hur gjuteriets produktionsflöde är uppbyggt.

Dessutom bidrog ett antal referensföretag till resultaten i studien, bland andra AME Systems, Nilfisk, Schunk, SICK och Unibap.

2 Inledning

Förstudiens syfte har varit att undersöka möjlig automatiserings- och digitaliseringsgrad för 3D-printade sandkärnor till gjuteriindustrin.

Under senare år har ny teknik utvecklats för framtagning av formar och kärnor där man istället för traditionell formning efter modell printar sanden direkt genom en

binder jetting-teknik där ett flytande bindemedel fördelas selektivt på en sandbädd

för att bygga en tredimensionell geometri. Att använda sig av denna nya teknik innebär stora fördelar på produktnivå eftersom man liksom inom annan additiv tillverkning (3D-printing) ändrar randvillkoren för hur en komponent kan designas. Andra fördelar är kortare ledtider vid prototypframtagning samt att tekniken kan användas i början och i slutet av en produkts livscykel då volymerna är lägre. De nya produkterna har stort digitalt innehåll då all utveckling sker i datorprogram och sedan förs över till maskinen digitalt, vilket tar bort behovet av en fysisk modell och således även lagerhållning för dessa. Detta gör att ändringar på den digitala modellen kan göras enkelt och ger helt nya möjligheter för prototyptillverkning och minskade ledtider. Medverkande företag har erfarenhet från tekniken och har nyttjat denna i enstyckstillverkning först med leverans från Tyskland och från 2015 från Sverige då den första maskinen kom hit.

(8)

3D-skrivare för sandkärnor utgör ett paradigmskifte för svensk gjuteriindustri, men kräver ökad automationsgrad för att kunna användas i löpande produktion av större volymer. För svensk gjuteriindustri innebär detta bl.a. högre produktivitet och därmed bättre ekonomi vid användning av 3D-printade formar och kärnor. Ökat kundvärde i industrins produkter och tjänster kommer att gynna konkurrenskraften. Produkt- och tjänsteinnovationer är av stor vikt för gjuterier då man i hög grad levererar komponenter till premiumsegment inom olika branscher. Flera av Sveriges större gjuterier, med kunder inom bl.a. fordons-, verkstads-, skogs- och jordbruksindustrin har gått samman i detta projekt för att i samverkan hitta den bästa tekniken för att implementera 3D-tekniken i sina respektive produktioner. Denna gränsöverskridande samverkan har haft som mål att tillsammans studera utmaningarna inom området. Under projektets gång har utvecklingen av en robotiserad hantering visats upp i Swerea SWECASTs testbädd i Jönköping vilket har kunnat sprida och stödja implementering av teknologin till stora delar av svensk industri.

3 Syfte och mål

Målen för förstudien har varit flera. De två första, övergripande målen var att kartlägga processbehovet hos svensk gjuteriindustrin för att kunna tillämpa och avancera inom området indirekt additiv tillverkning samt att utreda den möjliga ekonomiska och arbetsmiljömässiga vinsten för att robotisera processen med hantering av 3D-printade formar och kärnor. Detta gjordes genom en behovsinventering där samtliga deltagande gjuterier besöktes och förutsättningarna för additiv tillverkning i processen utvärderades.

Övriga mål var av teknisk karaktär: att undersöka befintliga tekniker i omvärlden för en anpassad tillämpning till det aktuella området, att identifiera alternativa metoder för avlägsnande av sand som kan komplettera eller ersätta den komplexa manuella hanteringen, och att undersöka samverkan mellan robot/3D-skrivare, placering av kärnor för enkel automatiserad urplockning samt användning av geometrisk information från 3D-skrivare till styrning av robot. För detta ändamål definierades åtta diskreta processteg varav till att börja med endast utskriften av kärnor sedan tidigare är automatiserad (Figur 1). Förstudien kom att detaljstudera steg 2 och 3, dammsugning och plockning.

Figur 1. Åtta diskreta processteg i framställningen av 3D-printade sandformar och kärnor. Utgångsläget en helt manuell efterbehandling.

(9)

4 Resultat

Projektet delades in i 4 arbetspaket.

AP1 – Projektledning och koordinering.

AP2 – Behovsinventering och informationsinsamling. AP3 – Praktiska tester

AP4 – Rapportering, workshops och informationsspridning.

4.1 Behovsinventering och informationsinsamling

En omvärldsbevakning gjordes tidig höst 2017 för att definiera state-of-the-art för automationslösningar inom 3d-skrivare för sand. Vid den tidpunkten dominerades marknaden för 3D-skrivare för sandkärnor och sandformar av ett fåtal kommersiella aktörer. Maskinleverantörernas erbjudande omfattade endast lösningar som utvecklats för prototyp- och fåstyckstillverkning och byggde på uteslutande manuell hantering av utskrivet material. Såvitt känt bedrevs ingen egen utveckling på området av dessa leverantörer. Ingen annan forskningsgrupp i Norden kunde hittas som arbetade med dessa frågor vad gäller sandprintrar, och inte heller några internationella referenser.

Inte heller inom området binder-jetting-teknik för metallskrivare fanns 2017 några tillgängliga lösningar eller studier hos vare sig kommersiella eller akademiska aktörer. Det konstaterades därför att svensk industri och svenska forskningsaktörer har goda möjligheter att positionera sig konkurrens- och kompetensmässigt genom att ta ledningen i detta arbete.

Arbetet inleddes med en behovsinventering och informationsinsamling och utifrån denna prioriterades praktiska moment för tester. Projektdeltagarnas olika roller och status i denna behovsinventering sammanfattas i Tabell 1.

Tabell 1. Projektdeltagarnas roller och status vid projektstart

Aktör Roll Status september 2017

Bruzaholms bruk Gjuteri Köper in mindre mängder 3D-printade formar & kärnor men använder dem idag inte i serieproduktion. Tidigare erfarenhet av robotanvändning.

Holsbyverken Gjuteri Har hunnit samla en hel del erfarenhet av 3D-printade

kärnor och utvecklar implementeringen för egna gjutna produkter.

Volvo GTO Gjuteri Arbetat med 3D-printade kärnor sedan 2014. Har egen

3D-skrivare i Skövde för prototypverksamhet.

Plockning, hantering och packning är viktiga frågor att lösa.

Xylem Water Solutions

Gjuteri Leverans av 3D-skrivare under 2018. Planerar 50%

prototyper och har maskinen belagd till 25% med serieproduktion.

KUKA Nordic Robotleverantör Global robotleverantör. Arbetar med nordiska marknaden för robotar och vision-teknik. Karlebo

Gjuteriteknik

Leverantör 3D-printat material

Representerar ExOne i Sverige.

Swerea SWECAST

Forskningsaktör Arbetar sedan 2015 med forskning och utveckling kring 3D-tekniken.

(10)

Under oktober och november 2017 träffade SWECAST vart och ett av de deltagande företagen för information och diskussioner kring behovsinventering & omvärldsbevakning. Ett antal synpunkter och kommentarer med direkt betydelse för projektets fortsatta utformning listas i Tabell 2. Fullständiga anteckningar återfinns i Bilaga 1.

Tabell 2. Resultat av behovsinventeringen

Frågeställning Kommentarer

Fördelar med automation

Arbetsmiljövinster • Ergonomi

• Exponering för sand & kemikalier Öppna för serieproduktion

• Stabil process Kortare ledtider

• Utnyttja tiden väl i maskinen Manuella moment att

automatisera

Alla i gruppen vill prioritera dammsugning och plockning: • Små kärnor i stora serier

• Repetitivt moment

• Direkt kopplat till maskinkapacitet

• Gäller alla maskiner, bindemedel och sandtyper Mindre generella moment som skulle kunna komma i fråga för

automatisering men som inte kommer att behandlas i praktiska tester är rensning, packning och blackning. Man skulle kunna rengöra kärnor ”i rörelsen” ut ur arbetsboxen genom att vända, tilta, passera borstar

Krav på robot Kunna kommunicera med systemet

• Enkel programmering • Lärande robot

• Samarbeta med operatör Fungera med processen

• Gripdon anpassade till produkten • Tillräcklig lyftvikt

• Rörlig robotarm eller fasta skenor över arbetsboxen

Design av detaljer I viss mån kan komponenten designas efter gripdonet. Detta blir fallet i förstudien men kan vara svårt i produktion.

• Hitta standardiserade plockpunkter • Minskad vikt

Optimera packning av arbetsbox för robot, ej för operatör • Relativ placering i arbetsboxen

• Orientering i arbetsboxen • Förhindra glidning i lös sand Kompatibilitet med

övrig production

Idag planeras produktionen som regel batchvis. Kontinuerligt flöde i gjuteriet ej standard

• Mellanlagring

• Annan manuell hantering Robot får överkapacitet

• Samutnyttjas för andra moment Framtidsvision

• Printrar i kärnmakeriet • Helautomatiskt flöde • Takta med formmaskin

Kvalitet • Noggrann kontroll krävs i införandefas

• Processen håller hög och jämn kvalitet i förhållande till övrig verksamhet

• Måste man mäta geometri bara för att man kan?

• Manuell avsyning sker i samband med ex iläggning av kärnor • Vad gäller för lagring av material?

(11)

4.2 Praktiska tester

Praktiska tester genomfördes under perioden december 2017 – februari 2018 och utformades efter industribehov, tillgänglig kunskap och praktiska överväganden. Dels utreddes hur kommunikation med roboten kan ske och dels testades dammsugning och plockning av kärnor med robot. Samtliga tester genomfördes i Swerea SWECAST:s testbädd för gjutna produkter i Jönköping. Testerna finns även sammanfattade på film [2].

Figur 2. Försöksuppställning med KUKA:s robot i försöksanläggningen på Swerea SWECAST.

KUKA ställde till förfogande en mindre robot för testerna (Figur 2). Hanteringsvikten var 6 kg vilket satte begränsningen för utvalda printade komponenter. Roboten utrustades med ett standardiserat gripdon. Testerna med dammsugning av sand och plockning av kärnor gjordes inte i själva maskinen utan i en printad testbox (Figur 3) som placerades i ett avgränsat utrymme i anslutning till roboten. Detta begränsade störningarna på ordinarie produktion och

tillgodosåg även krav på avskildhet och skyddszoner för robotens arbete.

(12)

Dammsugning och plockning utfördes i en testbox med ett större antal identiska kärnor inbäddade i sand. Samma testboxar printades i såväl furan som CHP. Kärnorna printades dels fästa i testboxen vilket var praktiskt vid upprepad dammsugning, och dels lösa så de kunde plockas. De lösa kärnorna placerades då på en printad platta med urtag för varje kärna på fix position.

4.2.1 Kommunikation mellan 3D-skrivare och robot

Den fundamentala utmaningen i att automatisera efterbehandlingen av printade sandkärnor är att kunna bibehålla den additiva tillverkningens unika fördelar med flexibilitet och korta ställtider vid fåstyckstillverkning samtidigt som processen automatiseras. En nödvändig förutsättning för detta är att hitta snabba och effektiva vägar att kommunicera data från 3D-skrivare till robot. Detta underlättas av att stora datamängder kan reduceras till ”förenklade mängder” i kommunikationen, då betydligt större toleranser kan accepteras vid dammsugning och plockning av kärnorna än i själva tillverkningsprocessen.

Flera tänkbara möjligheter diskuterades.

1. Manuell styrning av robot utifrån operatörens dynamiska bedömning av kärnornas läge.

2. Upprepad programmering av robot för varje specifik design av arbetsbox . 3. Dynamisk styrning av robot genom användning av vision-system.

4. Direkt dataöverföring av koordinater från 3D-skrivare till robot.

Även kombinationer av ovanstående diskuterades, till exempel att utgå från programmering eller direkt dataöverföring och därefter använda vision-system till att justera för förändringar i läge som uppstår under processens gång.

I de inledande testerna av gripdon kördes roboten endast manuellt. Att programmera en arbetsbana för dammsugare eller gripdon bedömdes vara alltför arbetskrävande då den tid som åtgår för en programmering vida överstiger cykeltiden i 3D-skrivaren. Programmering prioriterades därför bort till förmån för vision-system respektive direkt dataöverföring, vilket beskrivs i det följande. Eftersom additiv tillverkning till sin natur är en digital teknik finns all information om de printade komponenternas geometri, storlek, position och orientering redan tillgänglig i digitaliserad form så länge de befinner sig i den ursprungliga arbetsboxen. De enskilda komponenterna designas i någon typ av CAD-program och data levereras till 3D-skrivaren som step- eller stl-filer. Arbetsboxen byggs därefter upp med hjälp av Netfabb eller liknande program vilket ger outputdata som stl-fil.

Uppgiften blev alltså att omvandla data från stl- eller step-fil till KRL-kod för att definiera arbetsbanan för roboten i varje enskilt fall. Till detta behövs ett CAD/CAM-program. Valet föll på MasterCAM/RobotMaster som tillhandahölls av AME Systems [3]. Programvaran är utvecklad för CNC-maskiner och har ett användargränssnitt anpassat till industriell operatörsmiljö. Såväl stl- som step-filer fungerade bra. Arbetsboxen kan alltså packas antingen i SolidWorks eller liknande program redan i designfasen eller i Netfabb i samband med uppstart av maskinen. I testerna på SWECAST användes stl-filer från Netfabb och resulterande filer blev då mycket stora. Det är också oklart vad som krävs av mjukvara för att därefter kunna koppla data till befintliga CAD-system hos de olika gjuterierna och deras design- och beredningsavdelningar.

(13)

Figur 4. Arbetsbana för dammsugning genererad med RobotMaster av AME Systems [3].

Lösningarna testades skarpt med roboten för såväl dammsugning som plockning. För dammsugning definierades en arbetsbana (Figur 4) och för plockning diskreta plockpunkter för varje kärna.

Direkt dataöverföring från CAD till robot är alltså en framkomlig och effektiv väg till kommunikation. Detta förutsätter dock att kärnornas läge och orientering är fix under hela processen. Rörelser i den lösa sanden kan orsaka förskjutningar i kärnornas placering under arbetet och för att hantera sådana avvikelser kan system vara en kompletterande lösning. Även i senare steg i processen kan vision-system komma till användning, exempelvis vid rengöring och kvalitetskontroll (se Figur 1). Ett antal frågor behöver i så fall utredas:

• Är kontrasten tillräcklig? Kan den ökas t ex genom tillsats av pigment? • Orsakar lös sand störningar i avläsningen?

• Hur mycket av kärnan måste friläggas för korrekt avläsning? • Fungerar detta på blackade kärnor?

• Har någon leverantör av vision-system exempel på liknande tillämpningar?

(14)

En liten testbox printades i både furan och CHP och ett första test gjordes hos SICK i Linköping [4] med sensorer för vision-system (Figur 5). Resultatet var lovande för båda bindemedlen och det finns alltså goda möjligheter att arbeta vidare med detta i fortsättningsprojektet.

Ett alternativt angreppssätt vore att försäkra sig om att kärnorna inte rör sig under arbetet, ex genom att lägga in stödstrukturer redan i ursprunglig CAD. Här kommer materialkostnad, ledtid och arbetsinsats för de olika strategierna att bli avgörande.

4.2.2 Dammsugning med robot

Tester med dammsugning genomfördes först med manuell styrning av roboten och därefter med automatiserade arbetsbanor (Figur 6). Dammsugarmunstycket ersattes av utrymmesskäl med ett klent rör, först i koppar och senare i plast. En lämplig fixtur för röret printades i plast.

Figur 6. Dammsugning med robot. Bilden visar det allra första munstycket tillverkat av ett kopparrör.

Programvaran Robotmaster användes som tidigare beskrivits till att omvandla data från stl-fil producerad i Netfabb till KRL-kod för roboten. Hänsyn togs till den fysiska verkligheten med avseende på hastighet, arbetsvinkel, sandrörelser etc. Arbetsinsatsen för att skapa arbetsbanan för testboxen uppskattades till en knapp timme. Jämfört med användning vid exempelvis CNC-svarvning går det mycket snabbt att definiera robotens arbetsbana för dammsugning av en specifik arbetsbox. Tack vare att sanden delvis faller av självmant när den totala mängden minskar kan nämligen ett säkerhetsavstånd till kärnorna på någon centimeter användas med gott resultat, vilket drastiskt sänker kraven på precision i anpassningen av data. CHP-sanden lossnar lättare än den furanbundna vilket underlättar processen ytterligare.

4.2.3 Plockning av kärnor med robot

För att plocka sandkärnor ur arbetsboxen krävs någon typ av gripdon. Dessa måste kunna lyfta ständigt nya kärngeometrier med hög precision och får inte skada sandytan eller bryta av klena segment. Flera olika koncept diskuterades och testades.

1. Standardgripdon som styr designen av kärnorna, till exempel genom att kräva definierade lyftpunkter.

2. Expanderande luftdrivna gripdon (Figur 7). I enklaste utförandet krävs ett lyfthål i produkten. Det är också möjligt att kombinera flera expanderande don till ett utvändigt lyftdon genom att ta fram en specifik fixtur för en viss produkt. Denna teknik är väl etablerad i gjuteriernas hantering av sandkärnor men förutsätter långa serier av kärnor med likartad design.

(15)

3. Elektriska tryckkänsliga gripdon, i regel till en högre kostnad än expanderdon.

4. Skräddarsydda gripdon (Figur 8). Kommersiella koncept finns tillgängliga som erbjuder mycket hög kvalitet och livslängd till relativt hög kostnad. Ledtiden för att ta fram ett sådant verktyg är också lång [5].

Figur 7 och 8. Expanderande gripdon i fixtur och skräddarsydda gripdon [5].

Det finns alltså många möjligheter att hitta gripdon som fungerar för sandformar och kärnor. En tydlig avgränsning var dock nödvändig inom projektet. I första hand fokuserades därför på ett par specifika kärnor med representativ geometri och en maxvikt som passade roboten, KX och KV (Figur 9 och 10).

Figur 9. Modellgeometri KX

Den första modellgeometrin KX utformades för att lyftas med gummiexpander (Figur 9). Detta förutsätter att lyftvikten anpassas efter greppytan i lyfthålet. Tyvärr fanns inte utrymme i förstudien för att genomföra dessa försök.

Till den andra modellgeometrin KV togs anpassade gripdon fram (Figur 10). De designades utifrån kärnans geometri samt befintligt verktyg på roboten och skrevs ut i en enkel 3D-skrivare för plast. Utskriftstiden för två fingrar var i

storleksordningen en timme vilket gott och väl ryms inom tiden för utskrift av själva kärnorna.Livslängden för dessa verktyg är givetvis beroende av

(16)

3D-skrivarens kvalitet och val av plastmaterial men också av utformning och

belastning vid användning. Totala användningstiden i de aktuella testerna var ett par timmar vilket motsvarar tömningen av en unik arbetsbox.

Figur 10. Gummiexpander samt 3D-printade gripdon föd modellgeometri KV.

Programvaran RobotMaster [3] användes som tidigare beskrivits till att omvandla data från stl-fil producerad i Netfabb till KRL-kod för roboten. För varje sandkärna definierades en plockpunkt i x-y-led. Alla kärnor var lika stora, låg i ett plan och var orienterade i samma riktning. Arbetsinsatsen för att skapa arbetsbanan för testboxen uppskattades även i detta fall till en knapp timme. Plockningen fungerade utmärkt i testerna.

4.3 Rapportering, workshops och informationsspridning

Ett viktigt inslag i förstudien var workshops inom projektgruppen för att sprida kunskap och erfarenhet mellan företagen. En öppen workshop anordnades den 6 december i anslutning till 3D-skrivaren på Swerea SWECAST (Bilaga 2) för att dela erfarenheter och kunnande inom området automatisering och robotisering av arbetsmiljömässigt krävande moment i färdigställningsprocessen. Deltagarna inbjöds att gemensamt inventera behov och utmaningar och lära sig mer om tekniska lösningar och helhetsgrepp för automatisering och digitalisering av tillverkningsprocessen.

Förutom den formella rapporteringen till VINNOVA [6] informerades fortlöpande om projektet genom spridning av projektblad (Bilaga 3), artiklar i branschtidningar (Bilaga 4) och filmat material [2]. Projektresultaten presenterades i samband med industrimässan Elmia 3D i Jönköping vid konferensen Sweden goes additive 2018-05-16.

(17)

5 Diskussion

Förstudien inleddes hösten 2017 med ett konstaterande att inga andra aktörer, vare sig kommersiella eller akademiska, ännu lanserat eller publicerat studier kring automationslösningar för 3D-skrivare av typen binder jetting. Det finns alltså goda möjligheter för svenska företag och forskningsaktörer att ta en ledande roll inom detta område.

I inledningen till förstudien formulerades åtta diskreta processteg i framställningen av 3D-printade sandformar och kärnor. Förstudien har skapat möjligheter för fortsatt automatisering av steg 2 och 3, dammsugning och plockning (Figur 11).

Figur 11. Åtta diskreta processteg i framställningen av 3D-printade sandformar och kärnor. Förstudien har skapat möjligheter för fortsatt automatisering.

Grundläggande tekniska lösningar har formulerats och testats med avseende på kommunikation mellan 3D-skrivare och robot och framtagning av unika gripdon för hantering av kärnor. Dessa lösningar kommer att kunna tillämpas även i efterföljande steg 4-8. Testerna visade att automatiserad dammsugning ger en omedelbar vinst oberoende av seriestorlek och komplexitet medan plockning måste optimeras med avseende på de printade komponenternas geometri, storlek, antal och orientering. Vidare gäller olika förutsättningar för prototyper och större serier då det i det förra fallet är optimalt att snabbt få fram ett enkelt körprogram för roboten medan det i det senare är befogat att lägga mer tid på att optimera robotens cykeltid.

Strategier har formulerats för kompletterande design av formar och kärnor samt effektivt byggande av arbetsboxar för att ge förutsättningar för automatiserad hantering. Dessutom har utvärdering av vision-system påbörjats vilket öppnar nya möjligheter för framför allt kvalitetskontroll längre fram i processen.

Utifrån projektets resultat har en ny affärsmodell skisserats där additiv tillverkning av sandkärnor övergår från att vara en teknik främst använd för prototyper och korta serier till att anpassas till och implementeras i den ordinarie värdekedjan. Med höjd automatiseringsgrad blir det möjligt att använda 3D-printade komponenter regelmässigt även för löpande produktion vid formtillverkning och gjutning. Några exempel på övergripande frågeställningar är följande.

(18)

• Utnyttja projektresultaten för att arbeta vidare med aspekter som räckvidd, kostnader och kvalitet för att samla tillräckligt med material till ett

beslutsunderlag för eventuell investering i robotteknik

• Hur kan roboten utnyttjas under hela dygnet? Undersök möjlighet att automatisera rengöring och kvalitetskontroll.

• Vidga perspektivet genom ett helhetsgrepp t ex i form av den framtidsvision som tidigare formulerats: att med hjälp av printrar i kärnmakeriet skapa ett helautomatiskt, digitaliserat flöde som taktar med formmaskinerna i den följande processen.

Det finns också ett stort antal tekniska frågeställningar för fortsatt arbete:

• Automatisering av hela processkedjan inklusive värmebehandling, rengöring, blackning och kvalitetskontroll. Matcha mot faktiska krav och definiera kontrollparametrar.

• Tillämpa vision-system för plockning, rengöring och kvalitetskontroll. • Undersöka människa/maskin-interaktion för optimalt utnyttjande av robot. • Säkerställa kontinuerlig kompetensutveckling.

Projektet är det första gemensamma initiativet inom det nystartade nätverk för additiv tillverkning av sandkärnor som koordineras av Swerea SWECAST och som samlar ett trettiotal användare av tekniken. Två av de deltagande gjuteriföretagen, Volvo och Xylem, har i och med detta projekt inlett ett långsiktigt forsknings- och utvecklingssamarbete med Swerea SWECAST inom området sandskrivare.

I och med de komplexa och gränsöverskridande frågeställningarna kring robotanvändning, automation och mätteknik som väckts inom projektet har Swerea SWECAST inlett nya samarbeten inte bara med KUKA som robotleverantör utan även med andra aktörer som Unibap, SICK och Schunk. Flera av dessa ingår i samarbetsgrupp kring nya projektansökningar.

6 Slutsats

Förstudien inleddes hösten 2017 med ett konstaterande att inga andra aktörer, vare sig kommersiella eller akademiska, ännu lanserat eller publicerat studier kring automationslösningar för 3D-skrivare av typen binder jetting. Det finns alltså goda möjligheter för svenska företag och forskningsaktörer att ta en ledande roll inom detta område.

En behovsinventering där samtliga deltagande gjuterier besöktes visade att automation genom robotanvändning och digitalisering är en grundläggande förutsättning för att additiv tillverkning ska kunna införas fullt ut som produktionsmetod. Samtidigt kräver investeringsbeslut ett helhetsperspektiv på produktionsflöde och ekonomi där hänsyn tas till produktivitet, maskinutnyttjande, kostnader och kvalitet.

Åtta diskreta processteg definierades varav till att börja med endast utskriften av kärnor är automatiserad. Dammsugning av lös sand och urplockning av printade komponenter behandlades i förstudien medan efterföljande processsteg, härdning, rengöring, kvalitetskontroll, blackning och montering, återstår.

Praktiska tester utfördes i Swerea SWECAST:s test- och

demonstrationsanläggning. Ett antal grundläggande tekniska frågor löstes, bland annat snabb och förenklad kommunikation mellan 3D-skrivare och robot, strategier för unika gripdon till roboten, anpassad design av printade komponenter för att möjliggöra plockning, samt placering och orientering av printade komponenter i

(19)

skrivaren. Inledande tester av vision-system som alternativ till digital positionering gav positivt resultat.

Några frågeställningar valdes dock bort i samband med den inledande behovsanalysen och samtidigt har nya möjligheter dykt upp. Det finns alltså goda förutsättningar för ett gemensamt fortsättningsprojekt.

7 Fortsatt arbete

Ett fortsättningsprojekt Autoprint 2 inleddes i juni 2018 och kommer att pågå under två år [7]. Syftet med fortsättningsprojektet är att i samverkan mellan robottillverkare, maskinleverantör, leverantörer av gjutgods samt forskningsaktör ta fram lösningar för att automatisera efterbearbetningen av sandkärnorna samt inkorporera den nya tekniken i befintlig produktionslina (figur 12). Målet är att nå samma produktionshastighet för kärnor och gjutformar som med konventionell tillverkningsteknik.

Figur 12. Plan för fortsättningsprojekt

8 Referenser

[1] Projektplan för förstudien Autoprint – Automatiserad hantering av

3D-printade sandformar och -kärnor, diarienummer 2017-03139. Arbetet utförts

inom Strategiska innovationsprogrammet Processindustriell IT och Automation, en gemensam satsning av VINNOVA, Formas och Energimyndigheten.

[2] Film om förstudien Autoprint :

https://www.youtube.com/watch?v=bNmtjIdptio

[3] Programvaran RobotMaster marknadsförs i Sverige av AME Systems,

http://www.ameab.se

[4] https://www.sick.com/se/sv/

[5] Sådana gripdon marknadsförs I Sverige bland annat av Schunk,

https://schunk.com/se_en/homepage/

[6] Slutrapport till VINNOVA för förstudien Autoprint – Automatiserad hantering av 3D-printade sandformar och -kärnor, diarienummer 2017-03139.

[7] Projektplan för Autoprint 2 – Flexibla automationslösningar för 3D-printade

sandkärnor, diarienummer 2018-02191. Arbetet utförts inom Strategiska

innovationsprogrammet Processindustriell IT och Automation, en gemensam satsning av Vinnova, Formas och Energimyndigheten.

(20)

(21)

Bilaga 1. Sammanställning av behovsinventering 1 Upplägg

Besök gjordes på följande företag.

• Holsbyverken: Stefan intervjuades på SWECAST 171018

• Volvo: Carljohan 171025 • Bruzaholm: Håkan 171106

• Xylem: Ola och Klas-Göran 171122 2 Frågeställningar

2.1 Vilka olika manuella moment kan automatiseras, och i vilken mån behöver alternativa metoder identifieras som kan komplettera eller ersätta den komplexa manuella hanteringen?

• Korta serier

• Inget behov att få ett kontinuerligt flöde • Kör en batch för dagens arbete

• Behov av automatiserad funktion för att packa arbetsboxen • Dagens version måste förbättras

• Modulsystem för snabbare packning (bibliotek) • Plockning prio ett

• Rengöring ofta enkel

• Kärnor utan håligheter • Plundring • Inspektion • Rensning • Blackning (ibland) • Läggning på pall • Pallbytessystem • Plockvikten begränsar • Små kärnor

• Prioritera kärnor med hög grad manuell hantering • Urplockning – direkt ökning av 3D-skrivarens kapacitet

• Jfr extra arbetsbox • Komplexa geometri utmanar

• Rensning – kan vara för komplex geometri • Avsyning – komplettera med manuellt moment • Blackning

• Föregås av torkning

• följs av lagertid före manuell iläggning • Okvalificerade uppgifter

• Repetitiva • Enkla

• Ersätt dammsugning

• Blåsa i stängt utrymme • Lyfta delar på galler

• Jfr alternativ design på maskin/arbetsbox/programvara • Plockning: många mindre detaljer, bra greppyta

• Det finns sådana detaljer idag

(22)

• Avlägsna sand: delvis maskinspecifikt

• Voxeljet/fenol mindre dammsugning i arbetsbox jfrt ExOne • Sanden faller ner i sidogaller när botten höjs vid urplockning • Rengöring ”i rörelsen” ut ur arbetsboxen?

• Vända, tilta, passera borste/dammsugare/stålkulor etc • Sista rengöringen utförs i handformningen

• Utreder om kärnorna måste borstas eller om lite sand på ytan är acceptabelt

• Idag företrädesvis 2 operatörer • Plocka

• Dammsuga

• ExOnes variant på ”unloading system” för avlägsna sand • Sanden faller, stöds av dammsugaren

• Bygger på arbetsboxen i bredd • Svår arbetsställning

• Kombinera plockning & dammsugning • Renblåsning av kärnor

• Ej borstning

• Identifiera ytor som ska bearbetas – får ej ha sand kvar • Plockning i/ur ugn

• Arbeta tillsammans med roboten?

2.2 Vilka krav ställs på robot eller motsvarande utrustning i respektive moment? • KUKA: vad krävs för att arbeta med robotar i processen?

• Exempel • Indata

• Idag optimeras packningen med tanke på operatören • Roboten andra krav?

• Hantera glidande komponenter när sanden försvinner • Damsugare kopplad till robotens gripdon

• Dammsug varje komponent just innan plockning • Krav: enkel programmering av plockmomentet

• Befintlig sliprobot: tidskrävande

• HF gör ett grovprogram med robot + gripdon (1-3h) • Operatören finprogrammerar (1-2h)

• Hur ska roboten lyfta kärnan?

• Hur hitta anvisningar eller icke känsliga områden? • Lärande robot

• Jobba tillsammans

• Korta programmeringstiden • Samarbetsrobot

• Roboten dammsuger

• Operatören lyfter större formdelar • Printa formar

• Högre lyftvikt Dimensionera roboten efter tyngsta vikten • Samarbeta operatör – robot

• Kompletterande moment • Inkludera avsyning

• Kommunikation 3D-skrivare – robot • Netfab

(23)

• Andra maskiner, plattformar • KUKA – robotinterface

• Flexibel

• Flera områden • Kollaborativ

• Människa ska kunna arbeta tillsammans med robot • CHP ger en lägre hållfasthet på nyprintade kärnor jfrt med furan

• Vilka gripdon fungerar? • Empire / versaball • Hur ska de lyftas?

• Position av kärnor

• Koordinater från maskinen (kan gå) • Netfabb/robottillverkare • Vision-system: kräver god kontrast • Sättningar under plockningen

2.3 Bör man tänka på något särskilt när man designar och preparerar sin detalj med avseende på storlek, geometri och hållfasthet vad gäller t.ex. möjligheten att plocka med robot?

• Orientering på kärnan i arbetsboxen • Gripdonets funktion

• Hållfasthet

• Volymsutnyttjande

• Lyftvikt kan minskas genom smart printad design • Mer komplex rengöring

• Lyftytor/områden

• Utnyttja anvisningar

• Skriv ut små detaljer i printad låda med gallerbotten • Gripdon eller vakuum?

• Anpassa vikt

• printa ihåligt • Flera lyftpunkter • Komplexa kärnor kan försvåra • Greppyta i tyngdpunkten

• Design anpassad för gripdon (men också formen, jfr anvisare) • Fixtur anpassad för kärndesign

• Anvisning hur kärnor ska placeras i arbetsboxen • Vilken input kräver roboten?

• Ställtid

• Kompetens på plats • Små detaljer

• Greppyta

• Vakuumgrepp

• Kan bli dyra lösningar • Gripdon

• Har ett antal i produktion för kärnor • Elektriskt styrda

• Expanderar för att fylla hålighet • Utvändigt, gummifingrar • Anpassar design efter process redan idag • Förslag på geometri med testytor

(24)

• Gripdon • rengöring • Anpassa kärna – gripdon • Universalgripper? • Titta på olika varianter!

2.4 Hur ska denna nya teknik samarbeta med befintlig teknik i gjuteriets produktionslina?

• Inget kontinuerligt flöde

• Serieproduktion: 50-200 produkter per serie, uppdelad • Snittorder 10-50 st

• Producera kärnor för dagens körningar • Har en befintlig infrastruktur

• ”Ankarmaskin” som sätter begränsningar • Hög grad manuell hantering

• Robot bör ha flera uppgifter: nav i processen

• Serva produktionen i stort, utgång till formningslinen

• Flytta fokus från 3D-skrivaren MEN det är ett perspektiv i detta projekt

• Känslighet: underhåll, driftsstopp etc

• Robot har överkapacitet medan 3D-skrivaren arbetar • Kombinera olika moment

• Var placeras färdiga kärnor

• Pall för mellanlagring/torkning • Ej just-in-time

• Löpande band för transport till torkning/blackning • Kombinera moment till helautomatiserad linje

• Blackning

• Robotar idag!

• Framtida monteringsrobot i handformningen • 3D-printat med konventionella delar

• Hur åker arbetsboxen ut ur maskin? • Begränsning i placering • Ej optimalt för robot?

• Bibehåll information om position genom hela processen • Jfr vision-system

• Framtids-layout

• Printrar i kärnmakeriet • Inkorporera i flödet • Takta med formmaskinen

• Robot nödvändig i detta sammanhang!

2.5 Vilka fördelar finns med avseende på ekonomi, kvalitet, produktion och arbetsmiljö med att automatisera respektive moment?

• Få bort arbetsmomentet plocka kärnor ur arbetsboxen • Tunga, svårhanterliga kärnor

• 100 cm bred • Tidspress

• Ergonomiskt belastande • Repetitiva

(25)

• Tunga lyft • Arbetsmiljöaspekter

• Kemikalier • sand

• Måste ersätta manuell avsyning med annan metod? • Utnyttja robot till andra moment

• Återkoppla produktionsdata?

• Vill ej spara mtrl, blanda batcher pga spårbarhet • Fenol/sand med högre slamhalt

• Torr sand som lossnar lätt • Dammar!

• Varm sand, varma kärnor • Upp till 90 grader

• Minskar pga väntetid för härdning • Öppnar för serieproduktion • Idag prototyper • Kortare ledtid • Mindre operatörstid • Arbetsmiljö • Exponering fenol • Lyft, arbetsställning • Kvalitetsproblem med robot?

• Klämskador

• Sättningar/rörelse i arbetsboxen

2.6 Kvalitetsparametrar – hur säkerställer man kärnornas kvalitet utan manuell avsyning? Krävs någon ytterligare utrustning, t.ex. lasermätning eller 3D-scanner?

• Ersätta manuell avsyning

• Sker normalt i samband med iläggning • Laserscanning

• Hel, oskadd genom hanteringen • Rengjord

• Definiera ”inte bra”!

• 3D-printde kärnor identiska

• Kärnskjutmaskin ger viss variation/kassation • Kombinera robot – manuella moment

• Ersätta visuell avsyning med 3D-scanning • Inre håligheter svårt

• Geometri – idag kontrolleras sällan måttavvikelser • Kvarvarande sand – kan få konsekvenser. Toleransnivå? • Vad är möjligt? Jfr Cascade/IVF

• Vad är ekonomiskt försvarbart? • Avsyning sker vid sammanläggning av kärnor

• Jfr blackning

• Fördelar med kvalitetskontroll tidigt i processen • Kontroll av maskinens funktion

• Defekta kärnor, skador, dimensionsfel • Kontrollparametrar

• Hållfasthet • Geometri

(26)

• Lagringstid (transportproblem?) • Ingen separat avsyning idag

• Alla gjutna ämnen 3D-scannas • Kärnor kontrolleras ej kontinuerligt

• Endast i införandefasen

• 3D-printat troligen mer stabilt än kärnskjutmaskin • Kvalitetskontroll av kärnor genom scanning etc

• Vem?

• Komplex fråga att lösa • Lös sand eller defekt? • Inget ”ganska bra” • Behövs det?

• Håller god kvalitet jämfört med andra processer i gjuteriet • Avsyning sker i samband med efterföljande manuella moment

• Inget behov av extra moment • Geometrisäkring?

• Borde vara överflödigt • Mäter bara för att man kan? • Finns inte i traditionell process

• Kontroll av kärnlådor

• Mäter inte kärnorna, kontroll på andra delar i processen • Vill inte behöva sådant kontrollsteg!

3 Övriga önskemål

• Huvudargument för automatisering • 1. tidsutnyttjande (töm 03.00) • 2. Arbetsmiljö - ergonomi • Kärnskjutmaskin eller 3D-skrivare?

• Kan 3D-skrivaren försörja hela produktionen? • Ersätta modellförråd

• Idag 5000 modeller

• Formulera kostnadsmodell gjuteri/kund • Karlebo/Beijer: automatiseringslösningar

• Exempel (Bruza, Volvo)

• Kommer att förbereda färdiga arbetsboxar för standardjobb kopplat till produktionen

(27)

(28)

(29)