MATERIAL OCH
PRODUKTION
KOMPONENTGJUTNING
Flexibla automationslösningar för
3D-printade sandkärnor
Åsa Lauenstein, Andreas Lindberg Pruth, Andreas
Thore
Flexibla automationslösningar för
3D-printade sandkärnor
Åsa Lauenstein, Andreas Lindberg Pruth, Andreas
Thore
1
Abstract
Flexible automated solutions for 3D-printed sand cores.
Final report
The purpose of the project was to develop solutions for automation of postprocessing of 3D-printed sand cores and the goal was to achieve the same production speed for 3D printed cores as for conventional production. Within three industrial demonstrators, communication solutions between printer, robot, and production systems were developed. Technical solutions were tested for adaption of manual work steps to robot. Preconditions for digitalization of the production flow via traceability was tested and the effect on the business models of the foundries were tested. In the making of these demonstrators, several technical issues have been solved, above all the fundamental aspects of data transfer and compatibility between different systems. Therefore, it is possible to motivate a robot investment already from increased efficiency of the first simple work steps.
The project was a cooperation between robot manufacturer, machine supplier, producers of castings, and research institute. The representation of the entire value chain turned out to be a crucial success factor. The results include decision data for investments in a printer and other automation solutions associated w with core manufacturing in the individual foundry. The effect of these results is that Sweden's foundries will strengthen their position with respect to the international competition both short and long term since the results will lead to increased productivity. By evaluating the use of vision systems. The project has also generated inspiration of the development in automation and AI solutions, and further cooperation between the participating companies.
Key words: 3D printing, sand printing, additive manufacturing, industrial automation, core manufacturing
RISE Research Institutes of Sweden AB RISE Rapport 2021:08
ISBN: 978-91-89167-90-2 Jönköping 2021
3
Innehåll
Abstract ... 1 Innehåll ... 3 Förord ... 4 Sammanfattning ... 5 1 Inledning ... 7 1.1 Syfte och mål ... 7 1.2 Bakgrund... 8 1.3 Projektupplägg ... 10 2 Omvärldsbevakning ... 102.1 Mässor och konferenser ... 12
2.2 Studiebesök ... 14
3 Tekniska lösningar och pilotförsök ... 18
3.1 Arbetsgång i robotcellen på RISE ... 18
3.2 Erfarenheter från arbetet i robotcellen ... 21
3.3 Kommunikation med robot ... 23
3.4 Test hos Axelent Engineering, Huskvarna ... 26
3.5 Slutsats ... 27
4 Digitalisering och spårbarhet ... 28
4.1 Syfte, mål och metod ... 29
4.2 Utmaningar ... 29
4.3 Design och gjutning av kodplattor ... 30
4.4 Avläsning av koderna ... 32
4.5 Slutsats ... 34
5 Smarta visionsystem ... 35
6 Affärsmodeller ...37
6.1 Fyra företag, fyra affärsmodeller ... 38
6.2 RISE ... 40 6.3 Slutsats ... 41 7 Slutord ... 42 7.1 Informationsspridning ... 42 7.2 Fortsatt arbete ... 43 8 Bilagor ... 44 9 Referenser ... 45
Förord
Projektet Autoprint 2 - Flexibla automationslösningar för 3D-printade sandkärnor inleddes i juni 2018 och pågick i drygt två år. Syftet med var 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. Målet var att nå samma produktionshastighet för kärnor och gjutformar som med konventionell tillverkningsteknik. Projektet finansierades inom SIP PiiA (Strategiska innovationsprogrammet Processindustriell IT och Automation), en gemensam satsning av Vinnova, Formas och Energimyndigheten. RISE var koordinator och Åsa Lauenstein projektledare. I projektgruppen ingick dessutom Holsbyverken, KUKA Nordic, Karlebo Gjuteriteknik, Unibap, Volvo GTO och Xylem Water Solutions.
5
Sammanfattning
Under senare år har ny teknik utvecklats för framtagning av sandkärnor för gjutformar där traditionell kärntillverkning med statiska verktyg ersatts med 3D-printning direkt från CAD-ritning. Syftet med projektet har varit att ta fram lösningar för att automatisera efterbearbetningen av sandkärnorna samt infoga den nya tekniken i befintlig produktionslina. Målet var att nå samma produktionshastighet för 3D-printade kärnor som med konventionell tillverkningsteknik.
Projektets första demonstrator byggdes upp som en testcell med industrirobot på RISE. Här verifierades först möjligheten att automatisera dammsugning och plockning av printade sandkärnor med hjälp av robot. Därefter vidareutvecklades och förenklades kommunikationen till robot. Hela processen simulerades med robotleverantörens egna programvaror. Ytterligare en industriell demonstrator togs fram för digitalisering av produktionsflödet genom automatiserad märkning av 3D-printade komponenter och gjutgods. Ett par varianter på numeriska koder framställdes i sand och metall. Avläsning gjordes med såväl visionteknik som med enklare metoder.
Vid projektets slut hade fyra av företagen som deltog i studien hunnit investera i egna sandskrivare. Genom intervjuer och företagsbesök framgick att flera olika affärsmodeller hade legat till grund för investeringsbesluten. Förutsättningarna för respektive affärsmodell och hur de kan påverkas av eventuell automatisering har beskrivits i termer av produktivitet, maskinutnyttjande, kostnad och kvalitet.
Projektet har kraftfullt drivit processen att automatisera sandprintertillverkningen. I demonstratorerna har åtskilliga tekniska frågor hittat lösningar, framför allt de grundläggande frågeställningarna kring dataöverföring och kompatibilitet mellan olika system. Baserat på detta utfall och slutsatserna i arbetet med varje företags affärsmodeller är det möjligt att räkna hem en investering av robot redan på ökad effektivitet vid inledande dammsugning av lös sand i arbetsboxen. En viktig del har även varit att bidra till att svensk industri kunnat ta till sig ny teknik för ökad konkurrenskraft. Under projektets gång har tre nya svenska aktörer investerat i sandskrivare och tekniken kan anses som en mycket väl etablerad framgångsfaktor för svensk gjuteribransch. Projektet har genom kartläggning av tekniker avsedda för tex visionsystem även genererat inspiration och informationsspridning till deltagande företag kring utvecklingen som sker inom automation och AI och fortsatta samarbeten mellan parterna är inledda.
Projektresultaten har löpande presenterats vid nationella och internationella konferenser samt i olika publikationer. Ledande europeiska tillverkare av 3D-skrivare för sand arbetar med samma frågeställningar men detta projekt, med sitt fokus på enkla och snabba lösningar, står sig väl i ett internationellt sammanhang.
7
1 Inledning
3D-skrivare för sandkärnor utgör ett paradigmskifte för svensk gjuteriindustri, men kräver ökad automationsgrad för att kunna användas i 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. Även arbetsmiljön för den enskilde operatören förbättras då exponering för sand och kemikalier minskas.
Projektet Autoprint 2 - Flexibla automationslösningar för 3D-printade sandkärnor inleddes i juni 2018 och pågick i drygt två år [1][2]. Syftet med projektet var 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. Målet var att nå samma produktionshastighet för kärnor och gjutformar som med konventionell tillverkningsteknik. Projektet finansierades inom SIP PiiA (Strategiska innovationsprogrammet Processindustriell IT och Automation), en gemensam satsning av Vinnova, Formas och Energimyndigheten.
Forskningsinstitutet RISE koordinerade projektet. RISE 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. RISE 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. Arbetspaket 3, Tekniska lösningar och pilotförsök, leddes av Andreas Lindberg Pruth, utbildad vid ExOnes anläggning i Gersthofen. Arbetspaket 4, Digitalisering, leddes av Andreas Thore. Från RISE deltog även forskningstekniker Jörgen Jernkrook.
KUKA Nordic och Unibap deltog som experter och leverantörer av robot- och visionteknik. Karlebo Gjuteriteknik, Holsbyverken, Xylem 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, Axelent Engineering och Schunk.
1.1 Syfte och mål
Flera av Sveriges större gjuterier, med kunder inom 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.
Syftet med projektet var att i samverkan med robottillverkare, maskinleverantör och leverantörer av gjutgods ta fram lösningar för att automatisera efterbearbetningen av sandkärnorna samt inkorporera den nya tekniken i befintlig produktionslina. Målet var att nå samma produktionshastighet för 3D-printade kärnor som med konventionell tillverkningsteknik.
Under projektets gång har utvecklingen av en robotiserad hantering visats upp i RISE testbädd för gjutna produkter i Jönköping vilket har kunnat sprida och stödja implementering av teknologin till stora delar av svensk industri.
1.2 Bakgrund
3D-skrivare för sandkärnor utgör ett paradigmskifte för svensk gjuteriindustri, men kräver ökad automationsgrad för att kunna användas i produktion av större volymer. För svensk gjuteriindustri innebär detta 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.
Under senare år har ny teknik utvecklats för framtagning av gjutformar och kärnor genom 3D-printing av sand. Istället för traditionell formning efter modell printas 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 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 till RISE i Jönköping.
Figur 1. Manuell hantering av överskottssand och printat material. T v dammsugning och plockning, t h rengöring och kvalitetskontroll.
9
I Sverige finns hösten 2020 fyra olika sandskrivare i drift, varav tre finns på gjuterier (Volvo, Xylem och Holsbyverken) och den fjärde används för tillverkning och försäljning (Karlebo Gjuteriteknik). Samtliga maskiner har installerats som separata producerande enheter med manuell rengöring och hantering av arbetsbox, printade komponenter och retursand (Fig. 1). Detta fungerar väl för prototyper och fåstyckstillverkning men arbetssättet är inte trivialt att kombinera med en löpande gjuteriproduktion. Dessutom är det manuella arbetet monotont och innebär svåra arbetsställningar och tunga lyft. Under vissa moment exponeras operatören för sand och kemikalier.
Denna konstellation gjuterier, med kunder inom fordons-, verkstads-, skogs- och jordbruksindustrin, samarbetar sedan ett antal år tillbaka intensivt mer RISE enhet för komponentgjutning i Jönköping. Det gemensamma projektet Sandbox – Hållbar
tillverkning av 3D-printade sandformar och -kärnor koordinerades av RISE 2018-2020
och syftade till att bygga kunskap kring hur bindemedelssystemen inverkar på komponentens utformning och kvalitet [3]. Projektet resulterade bland annat i möjligheten att använda sand från de stora, högkvalitativa sandfyndigheter som finns i Sverige istället för att som tidigare importera sand från Belgien eller Tyskland.
Förstudien Autoprint – Automatiserad hantering av 3D-printade sandformar och
kärnor slutfördes under våren 2018 och hade som syfte att undersöka möjlig
automatiserings- och digitaliseringsgrad för 3D-printade sandformar och kärnor till gjuteriindustrin [4]. Förstudien inleddes med en behovsinventering där samtliga deltagande gjuterier besöktes. Den 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 (Fig. 2).
Figur 2. Åtta diskreta processteg i framställningen av 3D-printade sandformar och kärnor.
Inledande praktiska tester utfördes i RISE test- och demonstrationsgjuteri i Jönköping. Ett antal grundläggande tekniska strategier utformades, bland annat snabb och
förenklad kommunikation mellan 3D-skrivare och robot, unika gripdon till roboten, anpassad design av printade komponenter för att möjliggöra plockning, samt placering och orientering av printade komponenter i skrivaren. Förstudiens resultat ledde direkt till det fortsättningsprojekt 2018-2020 som redovisas i denna rapport.
1.3 Projektupplägg
Projektet inleddes med en omvärldsbevakning som kompletterades efter hand (Avsnitt 2). Enligt projektplanen skulle därefter utvalda tekniska och digitala lösningar testas och utvärderas i full produktionsskala i form av 2-3 demonstratorer (Fig. 3). Projektets första demonstrator byggdes upp som en testcell med industrirobot på RISE (Avsnitt 3). Här verifierades först möjligheten att automatisera dammsugning och plockning av printade sandkärnor med hjälp av robot. Därefter vidareutvecklades och förenklades kommunikationen till robot. Hela processen simulerades med robotleverantörens egna programvaror, vilket resulterade i en andra, virtuell demonstrator (Avsnitt 3).
Den tredje industriella demonstratorn byggdes på digital spårbarhet i produktionsprocessen genom att printa unika numeriska koder på sandkärnor som sedan överfördes till gjutgodset (Avsnitt 4). Här liksom i den första demonstratorn utvärderades olika användningsområden för smarta visionsystem (Avsnitt 5).
Figur 3. Projektets tre industriella demonstratorer
Dessutom skulle fallstudier och övergripande modeller för 3D-printade sandformar och kärnor tas fram för att användas som beslutsunderlag (Avsnitt 6).
2 Omvärldsbevakning
Omvärldsbevakning har skett kontinuerligt under projektets gång genom deltagande i svenska och internationella seminarier och mässor. Tillgänglig information i tidskrifter och på nätet har nyttjats liksom informationskanaler för offentligfinansierade forsknings- och utvecklingsprojekt. Dessutom har studiebesök gjorts hos två industriella användare av 3D-printing, Volkswagens gjuteri i Hannover samt Siemens turbintillverkning i Finspång.
11
I samband med uppstart av förstudien 2017 gjordes en första omvärldsbevakning 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, även om övergripande konceptidéer kunde presenteras [5][6]. 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 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.
En kontaktperson på ExOne uppgav 2019-01-07 att företaget vid den tidpunkten inte erbjöd några färdiga lösningar. En kund använder sedan 2018 ett avsandningssystem där endast 1 lager skrivs ut per box och sanden töms ur boxen av gravitationen. Ett fåtal kunder använder robotar för färdigställning som blackning och montering vilket är redan kända lösningar i gjuterimiljö. ExOne uppgav vidare att ingen kund vid den tidpunkten hade automatiserat tömning av maskinen. Ett skäl skulle vara att den maximala fyllnadsgraden av maskin försämras med robot och beräknas sjunka från ca 80% till ca 60%. [7]
Det finns många gemensamma frågeställningar med additiv tillverkning av metaller, i synnerhet då binder-jetting-teknik används. Det är dock påfallande att presumptiva kunder för metallprintrar ofta fokuserar på akademiska utvecklingsprojekt på låg TRL-nivå (Technology Readiness Level) medan köparen av en sandprinter i regel förutsätter en snabb industriell implementering i full produktionsskala [8].
Figur 4 visar en enkel utvecklingslinje för automatiserad 3D-produktion från svenskt perspektiv. 2015 installerades den första sandprintern på RISE i Jönköping och 2019 fanns fyra sandprintrar i Sverige. Parallellt utvecklades 3D-produktionen för metallprintrar mot automation med Siemens anläggning i Finspång som en viktig milstolpe 2016. Under följande år visades lösningar för metall och senare även sand upp vid olika mässor och evenemang. Läget för automatiserad additiv tillverkning 2018 sammanfattas i ref [9] och möjlig robotanvändning inom området diskuteras i ref [10]. En kompletterande litteraturlista finns i Bilaga 5.
Flera forsknings- och utvecklingsprojekt pågår inom Sverige och internationellt inom automatiserad additiv tillverkning av metaller.
• DiLAM (RISE) 2017-2020 leder till uppbyggnad av testbäddar för digitaliserad 3D-tillverkning. En robotbaserad 3D-skrivare för stora komponenter utvecklas på RISE och en digitaliserad produktionsintegration gör det möjligt att effektivt gå från kravspecifikation till design och tillverkad produkt. [11]
• AMPeRE (Mittuniversitetet, RISE) 2018-2021 fokuserar på att industrialisera metallprinting genom efterbearbetning med elektrokemiska metoder som även ska leda till förbättrade ytor och materialegenskaper [12].
• IDAM (Fraunhofer) 2019-2022 har som mål att skapa förutsättningar för en produktionsanläggning att framställa 50 000 komponenter/år genom metallprinting. Hela produktionskedjan digitaliseras och tänkta användare finns främst inom fordonsbranschen. [13]
• AMICI (Örebro Universitet) använder en kollaborativ robot för att rengöra printerkammaren omedelbart efter avslutad process [14].
2.1 Mässor och konferenser
Under projektets gång deltog projektgruppen i olika mässor och konferenser, bland annat Scanautomatic i Göteborg 2018, Formnext i Frankfurt 2018 och GIFA i Düsseldorf 2019. Projektet skulle ha presenterats vid internationell konferens DDMC2020 i Berlin i mitten av mars, men konferensen senarelades för att hållas digitalt i juni 2020.
Scanautomatic Göteborg 2018
Scanautomatic är en mässa för svensk industri när det gäller digitalisering, ny teknik, nya affärer och kunskapsöverföring. I oktober 2018 var temat digitalisering och automation med särskilt fokus på 3D-printing och ett antal föredrag hölls på temat.
• Från Amexci i Karlskoga deltog Edwin Resebo
.
Amexcisamarbetar med Siemens för AM-utbildning. Man anser att det saknas akademisk utbildning inom AM. Samtidigt som tekniken kräver nya tankesätt inom design, simulering och materialvalidering. Amexci erbjuder ett antal utbildningsdagar per år åt sina ägarföretag.• Vinnova menar att det krävs högre teknikmognad inom AM. Kompetenscentrum Chalmers får satsning 10 år x 30 MSEK/år för industrikurser och forskarskola inom Produktion 2030.
• Digital Metal representerades av Ralf Carlström. Företaget har som mål att automatisera hela processen. Pulver avlägsnas med ett blåsmunstycke styrt på samma sätt som CNC-maskiner. Ambitionen är att successivt bygga upp ett
13
system av robotar som hanterar materialet genom hela processen. ”Det ligger en bit fram i tiden men är inte svårt att lösa”.
I en avslutande paneldebatt framhölls att
• Industrialisering kräver automation av efterarbete & pulverhantering, preparering och kontroll/provning.
• Vinnova vill se mer risktagande och radikala projektidéer. Utveckla den digitala aspekten!
• Nischade lösningar efterfrågas för specifika applikationer
Hela debatten hade stort fokus på tillverkningen i sig men få kopplingar till den yttre värdekedjan. Dessutom saknas fortfarande såväl affärsmodeller som regelverk för additiv tillverkning.
Formnext 2018
Formnext är en återkommande industrimässa i Frankfurt på temat additiv tillverkning. Med 630 utställare från 32 länder marknadsför man sig som
The leading global exhibition and conference on additive manufacturing and the next generation of intelligent industrial production
Fokus på Formnext i november 2018 låg på maskinen som tillverkar 3D detaljer. Den gemensamma nämnaren på mässan var “Same same but bigger” med printade detaljer så stora att många såg ut att vara gjutbara. Mycket av fokus låg på tidsåtgång för att skriva detaljer, hur många och hur stora. Däremot hade många utställare svårt att svara på hur lång tid det manuella efterarbetet tar, oavsett printteknik.
Det finns intresse i att automatisera efterbearbetning men många tillverkare är medvetna om att det finns lösningar som ”bara” behövs pusslas ihop. Förväntningarna på automatisering ligger ett par eller några år framåt – ”tekniken finns men någon annan får pussla ihop det”. Några tillverkare lyfte fram metoder för att minska det manuella efterarbetet eller åtminstone göra det säkrare, framför allt med avseende på exponering för metallpulver. En del metallprintertillverkare har lösningar på en automation i en hel kedja.
Det har börjat dyka upp nya aktörer när det gäller sandprinting men de är fortfarande till viss del låsta av patent. Gemensamt för alla sandprintertillverkare är att det inte presenterades några färdiga koncept när det gäller den manuella efterbearbetningen. Både Voxeljet och ExOne visade dock upp idéskisser [5][6].
GIFA 2019
GIFA är gjuteribranschens stora internationella mässa, där utställare från hela världen samlas vart fjärde år i Düsseldorf för att lansera nyheter. 2019 års mässa hälls veckan efter midsommar och för 3D-printing av sand var en tydlig gemensam nämnare på utställningen övergången från prototyptillverkning till serieproduktion.
ExOne presenterade sin nya SMaxPro-skrivare som genom ett samarbete med Siemens ska vara fullt ut kompatibel med det enskilda gjuteriets system för produktionsplanering och datahantering. Dessutom stöder det nya systemet Siemens egna molnlösningar och möjligheter att skapa digitala tvillingar för processen.
Voxeljet lanserade som huvudnyhet en helautomatisk produktionslinje för 3D-printade kärnor som byggts upp för BMW i samarbete med ASK och Loramendi. Målet är att bli upp till tio gånger snabbare i produktion av små kärnor i långa serier. I mässhallen demonstrerades en fullskalemodell av linjen med fem processteg: utskrift i standardskrivare, torkning, avsandning, härdning och slutlig rengöring med tryckluft i sluten kammare. Avsyning sker dock fortsatt manuellt och de aktuella lösningarna är begränsade till oorganiska bindemedel. [15]
Som uppstickare gentemot de etablerade aktörerna aviserade Laempe Mössner Sinto att en ny generation sandskrivare är att vänta. Med hänvisning till pågående patentprocesser var informationen ytterst begränsad. Inför små, utvalda grupper och under stort hemlighetsmakeri i en annars stängd monter talade man om nya, snabbare skrivprocesser anpassade för linjeproduktion och produktionshastigheter i paritet med kärnskjutmaskiner.
2.2 Studiebesök
Projektgruppen gjorde också en rad gemensamma studiebesök. Samtliga svenska sandskrivare demonstrerades och dessutom besöktes anläggningar hos Volkswagen i Hannover, Siemens i Finspång och Villeroy & Boch i Vårgårda.
Besök på Volkswagen i Hannover
Onsdag den 10 april 2019 besöktes Volkswagen Group Components i Hannover. Under samarbetet med ExOne har RISE en längre tid diskuterat möjligheten att få besöka något av de tyska gjuterier som använder ExOnes sandprintrar i produktion. Den ursprungliga ambitionen var att få till ett studiebesök med det svenska användarnätverket för 3D-sand men detta visade sig inte vara möjligt då bland andra Volvo ingår i gruppen. BMW i Landshut har även de sagt nej till besök från RISE, men Volkswagen visade sig villiga att ta emot en mindre delegation från RISE.
På enheten i Hannover arbetar totalt 15 000 personer, varav 9 000 dagtid. Merparten är verksamma i monteringen, som ligger samlad i en och samma byggnad. Hela processen är oerhört högt automatiserad och sysselsätter ca 150 KUKA-robotar och lika många från ABB och Motoman. Betydande delar av monteringshallarna var vid vårt besök under ombyggnad för att svara på kraven från omställning till elfordon.
Gjuteriet i Hannover byggdes 1962 och utökades 1983. Det har en minskande produktionsvolym, delvis kopplat till den ökande användningen av aluminium. Man försörjer inte bara platsens egen bilproduktion utan också andra VW-enheter i Europa med gjutna aluminiumkomponenter.
Huvudsakligen används vagg-gjutning (tilt casting) med oorganiska kärnor. Ett gjutbord med sex stycken enkelkokiller och ett gjutbord med sex stycken dubbelkokiller. Kärnor tillverkas i dubbla uppsättningar av kärnskjutmaskiner och ett kärnpaket med upp till 16 delar tillverkas varannan minut. 30% av kärnsanden återanvänds. All hantering av kärnor är automatiserad, från kärnskjutning till efterbehandling och iläggning.
VW i Hannover började 3D-printa kärnor 1998 med en EOS-sint maskin, liknande den som installerades på Flykt, numera Xylem 1997. 2008 kom en ExOne S15 för furan och 2016 ersattes den av den nuvarande, också från ExOne. Det är den största modellen,
15
Exerial, och kärnorna printas med oorganiskt bindmedel, troligen vattenglas. Med 3D-printingen har antalet delar i ett kärnpaket typiskt minskat från 20 till 3.
Printade kärnor används till prototyper och till korta serier om max 500 komponenter. En av komponenterna har nu kommit upp i en årlig tillverkning av ca 5000 komponenter. VW går inte upp i storserieproduktion eftersom
• Processen är varken kontinuerlig eller automatiserad. Arbetsboxen flyttas visserligen automatiskt till härdugn med mikrovågor och sedan vidare till urplockningen, men dammsugning och plockning sker helt manuellt.
• Man tvekar över de stora sandvolymer som måste hanteras då varje utskriven box innehåller 20-50% ”extrasand”. Det skulle innebära att från dagens sandsystem som innehåller 30 000 ton sand ska det utökas till kanske att kunna hantera 60 000 ton vilket Dr. Röesch såg som den största utmaningen.
Små volymer elbilar skulle i ett uppstartsskede kunna tillverkas med printade kärnor, vilket kan vara attraktivt under en utvecklingsprocess.
Vanligt förekommande problem är att skrivarhuvudet sätter igen och måste rengöras. Här sätter man press på ExOne att göra utbytesprocessen enklare och billigare. ExOne har enligt VW inte visat något intresse att utveckla automatiserade lösningar, trots att BMW redan idag använder 3D-kärnor i serieproduktion. Biltillverkarna måste enligt VW själva ta över ansvaret för vidareutveckling av tekniken. Man letar också efter alternativa leverantörer.
Besök på Siemens i Finspång
Siemens Industrial Turbomachinery AB (SIT AB) med säte i Finspång i norra Östergötland levererar kraftverk och turbiner med hög verkningsgrad och låga utsläppshalter. Företaget har 2800 medarbetare och omsätter ca 10 miljarder kronor. Detta motsvarar leverans av ett tjugotal kompletta gasturbiner per år och man är därmed en dominerande global producent. Företaget besöktes av projektgruppen den 17 september 2019.
Siemens bedriver en fullt ut industrialiserad AM-produktion [16]. I anknytning till denna pågår ett utvecklingsprojekt för robotiserat efterarbete. Projektgrupperna från Autoprint och Sandbox erbjöds att tillsammans besöka anläggningen i Finspång för att lära mer om industriell implementering av AM. Vår värd var Pajazit Avdovic, som varit drivande i Siemens AM-arbete sedan tidigt 2000-tal och leder från 2015 utvecklingen av den nuvarande produktionsenheten. I besöket ingick en visning av produktionsenheten med dess dryga tiotal EOS-skrivare.
Siemens använder 3D-printning för utveckling, tillverkning och reparationer av gasturbinkomponenter. I februari 2016 öppnade Siemens sin första verkstad i världen dedikerad för utveckling, serietillverkning och reparation av metallkomponenter via additiv tillverkning till kraftindustrin. Verkstaden är belägen vid gasturbinverksamheten i Finspång. Under 2016 förvärvades även företaget Material Solutions, baserade i Worcester i England. Precis som den nyligen öppnade 3D-verkstaden i Finspång specialiserar sig anläggningen i Worcester på avancerade delar till kraftindustrin med krav på att klara höga temperaturer och där precision, ytstruktur och materialegenskaper är avgörande. Från att ha bestått av 4 personer 2015 sysselsätter AM-enheten idag 80 medarbetare. Inom Siemens-koncernen finns ytterligare 7 enheter som på ett eller annat
sätt bidrar till AM-verksamheten och möjliggör nya affärsmodeller som ”spare parts on demand” och ”reverse engineering”.
I Finspång tillverkas bland annat brännarmunstycken till gasturbiner (Fig 5). Tack vare AM-tekniken har livslängden på dessa typiskt kunnat höjas från 20 000 till 30 000 timmar genom effektivare kylning med mera. Uttjänta munstycken returneras till fabriken, det förbrukade segmentet kapas bort och ersätts av ett nytt. Tidigare kapades 100 mm bort och 13 delar fästes med 16 svetsar på den återstående delen. Numera kapar man 20 mm och 3D-printar nytt material direkt på den rengjorda ytan i någon av de fyra specialbyggda EOS-skrivarna. Förutom förbättrade produktegenskaper hos brännarna innebär detta stora tidsbesparingar tack vare kraftigt kortade ledtider och förenklad logistik. Processen kallas internt ”RaBiTiR”, Rapid Burner Tip Repair.
Figur 5. Tronstol byggd av 3D-printade brännarmunstycken. Fotograferad i AM-avdelningens fikarum på Siemens i Finspång.
Siemens deltar aktivt i de flesta gemensamma forum för AM i Sverige och ser stora fördelar med samarbete kring olika frågeställningar. Företaget deltar i flera projekt som leds av forskare vid Örebro universitet. Ett av dessa är ”Amici” där en kollaborativ robot används för att rengöra printerkammaren omedelbart efter avslutad process [14]. Idag sker dammsugningen för hand. Den främsta drivkraften är att förbättra arbetsmiljön genom att skydda operatören från att exponeras för metallpulver med kornstorlek 5-50 µm. Projektet är i slutfasen och så snart riskanalysen är genomförd kommer konceptet att lämnas över till produktionen för utvärdering och implementering.
Den kollaborativa robot som utvärderas i projektet är försedd med en arm med force-feed-sensor och kamera. Den är monterad på en flyttbar plattform och tanken är att en och samma robot ska serva samtliga skrivare genom att röra sig fram och tillbaka i lokalen samtidigt som manuella arbetsmoment pågår vid de andra enheterna. Roboten har två uppgifter:
17
• Att öppna och stänga de två luckor som ger tillgång till printerns arbetskammare • Att dammsuga upp och separera oxiderat respektive recirkulerbart metallpulver Varje skrivare tillverkar endast en eller ett par olika produkter så det programmeringsarbete som krävs är av begränsad omfattning. Inom projektet har robotens arbetsgång definierats genom traditionell programmering utförd av de masterstudenter som deltagit. Framöver är det dock tänkt att operatören ska kunna utnyttja den kollaborativa robotens förmåga att ”härma” ett manuellt utfört arbetsmoment.
Andra viktiga aspekter av arbetet är att
• Säkerställa korrekt dockning vid skrivaren genom scanningssystem och definierade mätpunkter. Lägesförskjutning kan i praktiken kompenseras av roboten med upp till 10 mm.
• Utarbeta säkerhetssystem för robotens arbete i printern
• Utarbeta säkerhetssystem för interaktionen med operatörer som är verksamma i samma lokal
• Skapa ett interface för att kunna gå in och ta över processen manuellt
• Utvärdera CNC-liknande lösningar för att kunna styra roboten utgående från CAD-underlag
• Anpassa dammsugarmunstycken till de printade komponenternas faktiska storlek och orientering i arbetskammaren
• Ta fram gripdon för att i ett nästa steg låta roboten hantera även de printade komponenterna
All efterbehandling av komponenter sker idag manuellt i egen verkstad.
Siemens AM-enhet i Finspång är ett fint exempel på tidigt genomförd industrialisering av additiv tillverkning. Frågeställningarna kring rengöring av arbetskammaren genom dammsugning ligger mycket nära dem som vi arbetar med i projektet Autoprint och i stora delar har projekten hunnit ungefär lika långt.
Att uppgradera från traditionell till kollaborativ robot blir intressant då det handlar om relativt snabba arbetsmoment som ska utföras i ett stort antal maskiner. Denna situation är inte aktuell för någon sandprinter i Sverige idag.
Besök på Villeroy & Boch i Vårgårda
I samband med projektmöte den 3 mars 2020 gjorde gruppen ett studiebesök på Villeroy & Bochs produktionsanläggning i Vårgårda. Här tillverkas bland annat blandare för kök och badrum under varumärket Gustavsberg. Företaget har från starten haft ambitionen att bygga upp och behålla all kunskap om integrationsprocessen internt vilket är en rätt unik situation. Det finns ingen ”generalplan” utan produktionen har automatiserats successivt under en trettioårsperiod, med början i efterbehandlingen. Drivkrafterna är flera då både arbetsmiljö, kvalitet och produktivitet kan förbättras genom automationen. Behovet av och möjligheterna med att införa flera robotar ses över i en kontinuerlig dialog med KUKA. Under besöket visades olika automationslösningar i gjuteri, rensning, slipning, polering och förkromning.
3 Tekniska lösningar och pilotförsök
Målet med AP3 var att bygga upp en robotlösning i en demonstrator som hanterar 3D-printade sandkärnor efter utskrift för att visa på en automatiserad och kostnadseffektiv process som skulle kunna vara direkt tillämpbar i ett gjuteri. Processen idag innebär stort manuellt arbete och vinsten att automatisera och digitalisera processen skulle innebära sänkta kostnader och ett effektivare arbetssätt.
Projektets första demonstrator byggdes upp som en testcell med industrirobot i RISE test- och demonstratiponsgjuteri i Jönköping. Här verifierades först möjligheten att automatisera dammsugning och plockning av printade sandkärnor med hjälp av robot. Därefter vidareutvecklades och förenklades kommunikationen till robot.
En robot installerades och 3D-printade arbetsboxar i sand skrevs ut för att efterlikna verklig produktionsmiljö. I nära samarbete med deltagande företag och partners lades initialt stort jobb på att arbeta med kommunikationen mellan robot och den programvara som 3D-printern utnyttjar. Parallellt gjordes även en kartläggning över vilka delar av efterbehandlingen som kunde automatiseras.
Efter kartläggningen var genomförd blev det en fokusering kring de moment som kunde appliceras oberoende av produktion. Momenten som bedömdes vara av intresse i en demonstrator var dammsugning och urplockning av sandkärnor. Dessa moment är tidskrävande och kan ekonomiskt räknas hem. Övriga delar kartlades för att finnas som underlag till en vidareutveckling företagsspecifikt.
Hela processen simulerades därefter med robotleverantörens egna programvaror, vilket resulterade i en andra, virtuell demonstrator. Resultat efter genomförd demonstrator är en teknik som kan implementeras direkt hos en sandprinteranvändare.
3.1 Arbetsgång i robotcellen på RISE
Nedan följer en beskrivning på den handfasta delen av AP3 där installationen av roboten gjordes på plats i RISE testbädd i Jönköping, där även RISE fullskaliga gjuteri finns. Beskrivningen är gjord i kronologisk ordning
18 januari 2020 levererades en robot från KUKA av modell KR90 (R2900 extra HA). Baserat på erfarenheterna från förstudien Autoprint fanns vissa antaganden som behövde revideras. Till att börja med behövde en del frågor kring montering och driftsättning utredas. Externa parter kontaktades för montering och elektrisk installation i samråd med KUKAs support.
Parallellt påbörjades kartläggning för kringutrustning, med samtal och besök med externa leverantörer. Besök gjordes hos Silvent i Borås för att titta på utrustning kopplat till produkter för blåsning med tryckluft. Även besök av externa företag gjordes på plats i Jönköping av företag som bedömdes vara av intresse för projektet. Fortsatt arbete med rengöring med hjälp av blåsning, borstar etc prioriterades senare bort och kom inte att ingå i den färdiga demonstratorn.
19
Figur 6. Flexibelt gripdon från Schunk.
1/2 var KR Svets på plats för att påbörja montering av robot. En extra bottenplatta hade tagits fram för säker montering av robot. Slutmontering av robot gjordes 5-6 Februari. 5/2 var Schunk på besök för att hjälpa till med att ta fram lämpligt gripdon. Denna beställdes sedan (Fig. 6).
13-14 Februari var tekniker från KUKA på plats för att tillsammans med elektriker koppla in elen.
15/2 hölls telefonmöte med ExOne för att se deras intresse i att automatisera sandprinterprocessen. Intresse fanns att se hur man skulle kunna koppla in sig direkt i maskinens hårdvara men kostnaden för att utveckla detta maskinspecifikt var inte ekonomiskt möjligt att ta för projektet (Bilaga 1).
18-21 Februari deltog personal från RISE i utbildning hos KUKA Göteborg. 27/2 gjordes en första riskanalys för roboten på RISE.
5/3 monterades säkerhetsanordningar av elektriker (nödstopp etc). Robotcellen byggdes upp i ett separat rum som avgränsades med en säkerhetsgrind.
8/3 uppföljning riskanalys
16/3 hölls ett arbets/projektmöte. 27/3 gripdon på plats
I april påbörjades utveckling och design av dammsugarmunstycke med hjälp av plastprinter (FlashForge Finder). Även utveckling av de gripdon som skulle monteras på gripper utvecklades. Design och CAD arbete utfördes internt inom projektet.
2/4 KUKA tekniker samt elektriker på plats för mindre justeringar. Den 3:e April stod robotcellen klar för tester (Fig. 7).
8/4 riskanalys gjord för driftfas 16/4 Arbetsmöte med projektgruppen
28/5 AME (Björn Petersson) samt V-Cast (Carl Sixtensson) på plats i Jönköping för start och genomgång av den programmering som initialt var tänkt att styra roboten.
Figur 7. Robot på plats bakom säkerhetsgrindar
Karlebo Gjuteriteknik, som levererat printat materiel, byter bindemedel i sin maskin under sommaren och går från Furanbindemedel till Fenolbindemedel. Detta kom att påverka hur dammsugning av sand gjordes. Furanbunden sand har under våren haft en del utmaningar i sammansättningen som gjort att tex hastighet på dammsugarmunstycke fått justeras till att arbeta långsammare för att hinna med att få upp tillräcklig mängd sand utan att sätta igen munstycket. Under Q3 medför detta en revidering i tillvägagångssättet att dammsuga upp sanden.
En ny design på boxen togs fram baserat på de resultat och diskussioner som förts inom projektgruppen.
Byte av sandstorlek samt bindemedel ger ett nytt angreppssätt för att dammsuga boxen. Som nämnt så byter Karlebo bindemedel och går även över till en annan storlek på sanden. Från att ha haft furanbunden sand av medelstorlek 0,19 mm gick Karlebo över till att ha fenolbunden sand med en medelstorlek på 0,14 mm. Detta påverkade sättet som dammsugningen utfördes på. Fenolbunden sand visade sig vara lättare att dammsuga upp (sandstorleken var av mindre betydelse). Detta medförde att hastigheten och hur djupt dammsugarmunstycket kunde framföras kunde ökas vilket i sin tur innebar att tömning av boxen med hjälp av dammsugaren kunde snabbas upp.
Fortsatt vidareutveckling av inriktningen med anledning av nytt bindemedel, ny sandstorlek samt design på boxen
17/10 Arbetsmöte med V-Cast
7/11 Besök och diskussioner hos KUKA i Göteborg 15/11 Jörgen får hela processen att fungera
18/11 Tekniker från KUKA på plats i Jönköping 29/11 Nedmontering av robotcell påbörjas.
21
3.2 Erfarenheter från arbetet i robotcellen
Arbetet med robotcellen på RISE utgick från ett helhetsperspektiv på den tänkta produktionsprocessen vid sandprintern. Fig 8 är en schematisk sammanfattning av de olika arbetsmoment och aspekter som diskuterades.
Figur 8. Robotens plats i produktionssystemet.
Vid val och installation av robot bör man för det första formulera sin vision för den färdiga robotcellen och göra klart för sig vilka användningsområden som ska prioriteras. Viktiga parametrar som lyftvikt och räckvidd kartläggs tillsammans med en rad andra aspekter:
• Kompatibilitet med gripdon
• Eventuella begränsningar kan finnas i PLC/styrskåp • Utbildning initialt och kontinuerligt för robothantering • Service/support – vad ingår ?
• Andra tänkbara arbetsuppgifter för roboten
Åtgärder för säkerhet och arbetsmiljö inbegriper bland annat placeringen av robot i lokalen och i förhållande till sandprintern. I de fall två olika arbetsboxar finns tillgängliga måste robotens läge vara flexibelt, liksom ifall roboten ska användas till flera arbetsmoment än dammsugning och plockning, exempelvis rengöring och blackning. Programvaran för styrning av roboten bör vara kompatibel med sandprintern men också med befintliga CAD-program. Program och styrning måste anpassas efter arbetsmoment och övrig produktion och förändringar måste kunna göras snabbt och enkelt så att inte långa ställtider stoppar upp produktionen. Systemen måste vara användarvänliga och kunna anpassas till andra användningsområden än bara dammsugning och plockning, exempelvis blackning och iläggning av kärnor. I förlängningen kan det också vara intressant att bygga upp en digital tvilling för systemet.
Figur 9. Manuell testkörning av robot för dammsugning av två boxar printade med olika bindemedel.
För dammsugning i robotcellen användes en industriell centraldammsugare och i senare försök en kraftig industridammsugare av den typ som rekommenderas av printertillverkare (Fig. 9). Dammsugarens totala kapacitet är viktig liksom att hastigheten kan regleras. Ytterligare flexibilitet är möjlig genom att lämpliga dammsugarmunstycken används för att optimera djup och räckvidd. I projektet tillverkades dessa munstycken i plast i en enkel 3D-printer. Ett par olika bindemedel användes för testmaterialet och resultatet vid dammsugning skilde sig kraftigt åt för dessa. En individuell anpassning av processen på det enskilda gjuteriet är därför nödvändig. Beroende på utfall ställs exempelvis helt olika krav på avsyningen efter genomförd dammsugning.
Andra viktiga funktioner vid dammsugningen är
• Hantering av sand som ska återföras till printerprocessen • Filter för större partiklar
• Styrning av dammsugaren på/av • Larm för full behållare samt tryckfall • Upphängning av slang
För plockning av sandkärnor ur boxen användes i slutfasen av testerna 3D-printade gripdon tillverkade i en enkel plastskrivare (Fig. 10). Beroende på design, användningsområde och förväntad livslängd ställs olika krav på material och framställningsmetod. En möjlig väg är att först testprinta enkla prototyper för att sedan fräsa fram metallgripdon som kan användas för serietillverkade kärnor. Gripdonen bör vara enkla att dammsuga rent.
23
Ett samarbete mellan designer av gjutgods och kärna och den som konstruerar gripdonen är att rekommendera, då helt små förändringar i kärngeometri kan ge stora förenklingar i gripdonens konstruktion. Kan man använda ställbara slag på gripdonen samt verktygsväxlare vid arbete med flera olika kärngeometrier är det en stor fördel. Om de utskrivna kärnorna är små, komplexa eller sköra kan de placeras inskrivna i en ”korg” eller ”box i boxen”, som lyfts i ett stycke och sedan hanteras manuellt.
Figur 10. Olika prototyper för gripdon tillverkade av aluminiumprofiler och 3D-printade i plast.
3.3 Kommunikation med robot
En central frågeställning i projektet var hur information om de printade sandkärnornas storlek, geometri och läge skulle överföras till robot. Tre möjliga lösningar utreddes där kommunikation principiellt skulle ske
1. Från printer till robot 2. Från visionsystem till robot 3. Från CAD till robot
Den första möjligheten bygger på tanken att all information om de printade kärnorna finns tillgänglig digitalt i printern och att den skulle kunna föras över direkt till roboten via omvandling till KRL-kod. Fördelen med denna lösning vore att signalen om att påbörja efterarbetet skulle komma direkt från printern så snart en arbetsbox stod färdig. Boxens läge i förhållande till roboten skulle kunna detekteras och justeras och botten i arbetsboxen skulle kunna höjas i takt med att roboten arbetar sig igenom lager för lager. På detta sätt skulle robotens räckvidd inte utgöra någon begränsning, utan en mindre robot skulle räcka till för arbetet. Som tidigare nämnts förutsätter denna typ av lösning samarbete med maskinleverantören och detta var under projektets gång inte möjligt. Ingen svensk printer är i dagsläget utrustad med datautgång. Däremot är den nyare generationen sandprintrar anpassade till industri 4.0 med möjlighet att enkelt överföra data till andra enheter. Maskinleverantören ExOne talar om tre informationsflöden i processen, se tabell 1.
Tabell 1. Tre olika informationsflöden till och från 3D-printern.
Information Flöde
Positioner i boxen Från maskin till robotsystem Önskat läge för jobboxens botten Från robotsystem till maskin Säkerhetsfunktioner I båda riktningarna
Man föreslår en lösning som ger en stl-fil med alla objektens position, storlek och orientering i jobboxen (Bilaga 1). Då behålls nuvarande arbetsordning att bygga hela jobboxen i Netfabb, och absoluta koordinater skapas relativt den fysiska jobboxen. I princip kan motsvarande fil skapas redan i CAD-arbetet och ligga till grund för jobboxen i Netfabb. Man låser då filen för fortsatt anpassning i Netfabb. Nu används relativa koordinater som måste kalibreras till den fysiska jobboxen.
Som komplement tänker man sig laser eller vision-system för ”optical reference” (Bilaga 1). Kritiska funktioner är enligt maskinleverantören dels riskanalys och dels dataprecision. Befintliga säkerhetsfunktioner för roboten bör utvidgas till att omfatta datakommunikation och visionsystem. Dataprecision anses dock vara tillräcklig för denna applikation.
Att använda visionsystem för detektering av printat material kontra lös sand visade sig vara fullt görbart. Projektgruppen valde dock på grund av resursbrist att inte gå vidare med denna lösning efter de inledande testerna, som beskrivs i avsnitt 5.
Istället valdes den tredje vägen, att skapa hela arbetsboxens innehåll i en CAD-fil och överföra data direkt till robotkod. Med inspiration från system utvecklade för automatfräsning designades en lösning där huvudsakligen befintliga mjukvaror kan användas. Kompetens som redan finns på gjuteriet, till exempel hos konstruktörer eller beredare, kan då användas efter en kortare introduktion.
Eftersom flera av gjuterierna idag är bekanta med CAD-mjukvaran Solid Works utgick arbetet från denna. Tester gjordes initialt med ett par förenklade geometrier, men det visade sig efter hand att med en smart kombination av tilläggsmjukvaror gick det bra att använda den ursprungliga CAD-filen.
• CAD-filerna för kärnorna läggs samman till en fylld arbetsbox (Fig. 11)
• Programkoden görs lager för lager, så från CAD-programmet exporteras lager för lager ut till KRL-kod.
• Varje lager genererar ett program
• Programmen läggs sedan i en sekvens i roboten där operatören kvitterar mellan varje program.
• Varje program kan sedan hamna i ett bibliotek för att lätt återanvändas när samma kärna/form printas igen.
Intrimning och anpassning bör göras på respektive gjuteri då processen ser olika ut och således inte går att köra samma för alla. Det beror även på om roboten ska användas till annat än enbart dammsugning, till exempel plockning. Ytterligare förbättringar som kan göras är att lägga till pauser i dammsugningen och optimera fräsbanorna för en smidigare process.
25
Figur 11. CAD-filer för sandkärnor sammanlagda till lager i arbetsboxen.
Man kan i nästa steg interagera med robotens program genom att skapa små programkoder som kan klippas in i den exporterade koden. Det är även praktiskt att bygga upp bibliotek med kända sekvenser som kan kombineras för vanligt förekommande produkter.
Figur 12. Bild från den rörliga simuleringen av printer med robot
I den befintliga layouten från Holsbyverken importerades robot och säkerhetslösningar. Den framtagna robotkoden testades i den simulerade miljön och kontinuerliga förbättringar gjordes (Fig 12).
3.4 Test hos Axelent Engineering, Huskvarna
Under 2020 var planen att genomföra ett skarpt test baserat på det fortsatta arbetet som Stefan Fredriksson, Holsbyverken, tillsammans med KUKA drev gällande utveckling av arbetsbanor för roboten. Testet skulle genomföras på plats hos KUKA i Göteborg. Förberedelser gjordes och relevant utrustning som använts vid tester i Jönköping skickades till KUKA samt så skrev Xylem ut nya testboxar som skickades till KUKA. Detta gjordes innan semester 2020 och med tanke på den situation som rådde med Corona blev det en viss fördröjning vilket senare ledde till att testet flyttades.
Under året hade Stefan fått hjälp av Axelent Engineering i arbetet med att lösa hur arbetsbanorna till roboten skulle lösas på ett så smidigt sätt som möjligt och beslut togs att flytta det skarpa testet från KUKA till Axelents lokaler i Huskvarna. En robot från KUKA installerades i Axelents lokaler och KUKA skickade utrustning till Axelent men de jobboxar som fanns på plats hos KUKA var defekta efter att ha stått för länge och Xylem skrev ut nya boxar som skickades till Axelent. Under försöksdagen så användes dammsugare som Karlebo tillhandahöll.
Försöket gjordes 14 september och hela projektgruppen var inbjuden. Dagen hade utrustningsmässigt förberetts genom besök på plats av personal från RISE.
Figur 13. Design av robotbanor på Axelent Engineering.
Genomgång av programvaran som användes (Fig. 13) gjordes för att sedan följas upp med skarpt test. Försöksuppställningen visas i Fig 14 och 15. Slutsatsen är att det var lyckat och deltagarna på plats var nöjda över resultatet. Dammsugningen fanns belagd sedan tidigare att den fungerade och det konstaterades att själva dammsugningen är beroende av bland annat vissa parametrar i form av dammsugarmunstycke, sugförmåga av dammsugare, hastighet på arbetsbanan och hur djupt/mycket man dammsuger. Axelent hade tagit fram ett nytt dammsugarmunstycke med något mindre diameter vilket fungerade bra. Tester gjordes med olika hastigheter och hur djupt ner i sanden munstycket gick.
27
Figur 14. Uppställning av arbetsbox helt i sand samt robot på Axelent Engineering.
Figur 15. Sluttest genomförs.
Det konstaterades att ovanstående parametrar var en intrimning som kommer att behöva göras där tekniken implementeras men som, med för dagen använd programvara, inte är något problem.
3.5 Slutsats
Det jobb som har genomförts i AP3 har genererat ett stort kliv framåt i processen att automatisera sandprintertillverkningen. En allmän inställning som funnits hos
sandprintertillverkare och robot/automatiseringsföretag är att tekniken och utrustningen att genomföra en automatisering finns men ingen har tittat på hur en lösning bäst skulle passa denna produktionsmetod.
Till stor del har kommunikation mellan olika programvaror varit den springande punkten som gjort att arbetet med automatisering nu gjort det möjligt att hitta lösningar som löser automatiseringen av sandprinting.
En viktig del har även varit att få en traditionell bransch att ta till sig ett nytt sätt att designa och utforma detaljer som skrivs ut i en sandprinter.
Projektet har genom kartläggning av tekniker avsedda för tex visionsystem även genererat inspiration och informationsspridning till deltagande företag kring utvecklingen som sker inom automation och AI.
4 Digitalisering och spårbarhet
Ytterligare en industriell demonstrator togs fram för digitalisering av produktionsflödet genom automatiserad märkning av 3D-printade komponenter och gjutgods. Förhoppningen var att 3D-printern i samband med kärnprintningen skulle kunna utnyttjas för att åstadkomma spårbarhet på komponentnivå, eftersom detta har potential att skapa ett mycket stort värde för svenska gjuterier och således skulle vara ytterligare ett starkt skäl till att investera i 3D-sandprinters vid sidan av själva kärnprintningen. Fullständig automation av ett gjuteris produktionsprocess innebär inte bara att den fysiska hanteringen av komponenterna sker automatiskt, utan även att styrningen av själva gjutprocessen, och därmed kvalitetsutfallet, gör det. En grundförutsättning för att skapa och upprätthålla ett system för processtyrning är att det för varje komponent existerar en digital länk till dess produktionsdata som ger information om till exempel vilken legering som använts och vilken temperatur metallsmältan hade vid gjutögonblicket. En sådan sammanlänkning möjliggör matematisk analys som kan ge kunskap om de troligtvis komplexa samband som gäller mellan de många olika processparametrarna och de gjutna komponenternas slutliga kvalitet.
Det vanligaste sättet att skapa en digital länk mellan en komponent och dess produktionsdata är genom att förse komponenten med en unik identifikationskod, till exempel i form av en alfanumerisk kod eller en QR-kod. Komponentens produktionsdata kan lagras antingen direkt i koden, eller i en databas som koden länkar till. Databaslagring är dock att föredra eftersom detta tillåter dels lagring av större mängder data, och dels att ny data närsomhelst under komponentens livstid kan läggas till, t.ex. om slitage.
Id-märkning av gjutna komponenter görs oftast genom så kallad direct part marking (DPM), som innebär att komponentens yta modifieras. Laseretsning är en vanlig DPM-metod, men en nackdel är att det är svårt att med denna metod märka komponenten precis i själva gjutögonblicket. Sker märkningen först efter gjutning finns viss risk för att komponenten hinner blandas ihop med andra komponenter (t.ex. för att de trillar av transportbandet) och att fel produktionsdata därför lagras för komponenten.
29
Vid gjutning av komponenter där sandkärnor och/eller sandformar används – vilket ofta görs vid gjutning i järn – var en hypotes som lades fram i projektet att det skulle vara möjligt att åstadkomma märkning direkt i gjutögonblicket genom att printa in en kod i kärnan eller formen som sedan ger ett maskinellt läsbart avtryck i ytan på den gjutna komponenten. Praktiska experiment med både märkning och maskinell avläsning utfördes i arbetspaket 4.
4.1 Syfte, mål och metod
Syftet med arbetspaket 4 var att genom 3D-sandprintade id-koder skapa förutsättningar för digitalisering av produktionsflödet på järngjuterier, med långsiktigt mål att integrera spårbarhet i gjuteriernas produktionssystem. I arbetspaketet användes Xylems 3D-sandprinter, som företaget idag använder för små serier av sandkärnor med komplex geometri. Dessa serier utgörs av en mix av prototypkärnor och kärnor för skarp gjutning.
4.2 Utmaningar
För att påvisa det valda angreppsättets potential att uppnå det långsiktiga och övergripande målet behövde ett antal tekniska frågeställningar besvaras, bl.a. vilken typ av kod som bör användas, vad kodens rumsliga dimensioner bör vara, samt vilken metod för avläsning som bör användas. En mer detaljerad redogörelse för dessa frågeställningar samt de praktiska experiment som gjordes för att besvara dem presenteras i avsnitt 4.3. Resultaten redovisas sedan i avsnitt 4.4.
Att printa en id-kodförsedd sandkärna eller sandform är i princip väldigt enkelt: koden läggs in på lämpligt ställe i den CAD-ritning av kärnan eller formen som 3D-sandprintern skall utgå från. Dock finns ett flertal faktorer som kan påverka hur väl koden förs över till den gjutna komponenten och därför hur läsbar den blir. Val av kodstruktur, d.v.s. huruvida koden utgörs av alfanumeriska tecken eller är en digital kod som t.ex. en streck- eller QR-kod, är också en faktor som kan spela roll eftersom konventionella algoritmer för maskinell avläsning presterar bättre om koden är digital. Av ett antal olika skäl föll dock i detta fall valet på en kod bestående av alfanumeriska tecken. För det första behövdes här ingen särskilt informationsrik kod för att att uppnå fullständig spårbarhet inom fabrikens väggar, utan den behövde endast tala om flasknummer (000-300), produktionsdag (00-31) och produktionstimme (00-24). För det andra ansågs alfanumerisk kod vara enklast att snabbt implementera i CAD-programmet. För det tredje antogs alfanumeriska tecken vara mer fysiskt robusta än t.ex. QR-koder, vars pixlar skulle bli små och därmed ömtåliga om de printades i sand. För det fjärde kan kvaliteten hos en printad alfanumerisk kod snabbt inspekteras okulärt, vilket innebär att det snabbt går att bedöma dess maskinella läsbarhet och att det därmed även är möjligt att avgöra huruvida det kommer att vara fruktsamt att börja experimentera med maskinell avläsning; en tumregel är nämligen att en mänskligt läsbar kod även är maskinellt läsbar.
Övriga faktorer var av geometrisk art: de enskilda tecknenas rumsliga dimensioner, deras horisontella seperation, huruvida de printades nedsänkta eller upphöjda i sandytan, samt ytans krökning; detta illustreras i Fig. 16.
Figur 16. Faktorer som kan påverka maskinell läsbarhet av kod som printats i ytan på en sandkärna eller sandform och sedan förts över till den gjutna komponenten: tecknens höjd (h), bredd (b), deras separation (s), graden av upphöjning (uh) eller nedsänkning (ns), samt radien av ytans krökning (R).
4.3 Design och gjutning av kodplattor
Iteration 1
En sandform med ett större antal femsiffriga koder designades i ett CAD-program; negativet av denna form, d.v.s. den resulterande dubbelsidiga kodplattan, kan ses i Fig. 17. Koderna placerades dels på en plan yta, dels på ytorna av cylindriska och sfäriska nedsänkningar med olika djup, och dels på cylindriska och sfäriska upphöjningar med olika höjd. Ritning med ungefärliga textmått (dessa ändrades under designprocessens gång p.g.a. begränsningar i CAD-mjukvaran) återfinns i Appendix 1. Kodplattans ytarea var 400x300 mm, och tjockleken var 130 mm mellan topparna på varje par av motstående upphöjningar.
Figur 17. Kodplatta med printade, femsiffriga koder. Motsatt sida av plattan är identisk med den visade.
31
Formen printades och en kodplatta i järn utgående från denna form göts sedan upp, se Fig. 18.
Figur 18. Ena sidan av den gjutna kodplattan. De cylindriska, nedsänkta ytorna – särskilt den inringade – var fyllda med defekter, vilket gjorde koderna svårlästa.
Det kunde enkelt konstateras att de flesta av koderna förts över från sandform till kodplatta i intakt nog skick att de med stor sannolikhet skulle vara maskinellt läsbara, trots smältans höga temperatur och de krafter den utövat på de millimeterstora sandstrukturer som varje siffra i koderna utgjordes av; siffrornas största dimension, sifferhöjden (”h” i Fig. 16) överskred aldrig 10 mm.
Problem med kodplattan som ledde till att en ny design togs fram var dock att den dels var alldeles för tung för att praktiskt kunna hanteras i labmiljö, och dels att två viktiga variabler inte kunde utvärderas: för det första utgjordes koderna endast av nedsänkta tecken eftersom formarna designats endast med upphöjda tecken, och för det andra var ytorna på tre av de fyra cylindriska, nedsänkta ytorna fulla med defekter, vilket gjorde att flera av koderna på dessa var helt eller delvis oläsbara även för en människa.
Iteration 2
En ny, betydligt mindre sandform med koder designades och printades i flera exemplar; CAD-ritningen av den resulterande kodplattan kan ses i Fig. 19. Printad sandform och gjuten kodplatta visas i Fig.20 (a) och (b).
Figur 19. CAD-ritning av kodplatta, iteration 2.
Figur 20. (a) Undersida av sandform, iteration 2. (b) Ovansida av gjuten kodplatta, iteration 2.
På dessa nya och betydligt mindre kodplattor var alla koder efter gjutning så gott som helt intakta och utsikterna för att lyckas med maskinell läsning var därför mycket goda.
4.4 Avläsning av koderna
System för maskinell avläsning av alfanumerisk kod, s.k. OCR-system (Optical
Character Recognition) har funnits länge, och används av myndigheter och företag för
avläsning av t.ex. handskriven eller printad text på papperark och kuvert, i böcker, på skyltar etc. Dessa system presterar ofta med en noggrannhet på 95 % vid läsning av ord, och ännu högre vid läsning av enskilda bokstäver. För läsning av alfanumerisk kod på sandformar och gjutgods tycks dock OCR-system vara så gott som helt oprövade, vilket gjorde tester av sådana system till en intressant forskningsfråga i projektet.
33
De flesta OCR-system som idag finns på marknaden använder konventionella algoritmer för avläsning, d.v.s. algoritmer vars regler definierats av människor och kodats in för hand. Under de senaste fem åren har dock forskning visat att maskininlärning (ML) kan användas för att skapa betydligt bättre OCR-system, eftersom ML-algoritmer tack vare självinlärning kan fånga upp och koda in fler faktorer av betydelse för avläsningen, samt bättre modellera möjliga variationer hos redan kända faktorer. Alfanumeriska tecken som förts över från en sandform till ytan på en gjuten metallkomponent under gjutning kan förväntas variera ganska mycket i geometrisk form, och stora variationer kan även förväntas med avseende på miljöfaktorer som t.ex. ljussättning, särskilt om avläsningen inte sker i ett dedikerat avläsningsskåp. Delvis på grund av detta, men också på grund av att ett av de deltagande företagen, Unibap, utvecklar och säljer ML-baserade machine visionsystem för tillverkningsindustrin, valdes i projektet att fokusera på ML-baserad avläsning.
Två olika system för avläsning och bearbetning av information från koderna testades i projektet. Mask-RCNN för bilder från mobilkamera prövades på RISE och beskrivs nedan. I avsnitt 5 redogörs för resultat från tester med så kallade smarta visionsystem från Unibap.
Preliminära tester med ett ML-ramverk kallat RCNN [17] utfördes av RISE. Mask-RCNN, som är öppen källkod och som finns att ladda ner från kodrepositoriet GitHub, har utvecklats av det amerikanska företaget Matterport. Ramverket, vars stomme är ett s.k. neuralt faltningsnätverk (convolutional neural network) och som i detta fall förtränats på Microsofts COCO-bilddataset, är i första hand tänkt att användas för bildsegmentering, d.v.s. för att detektera och sedan på pixelnivå markera (mask) och klassificera varje instans av en sökt objektklass – t.e.x. bilar eller katter – i statiska eller rörliga bilder. Ett OCR-system behöver inte kunna utföra en så detaljerad markering och klassificering, varför Mask-RCNN egentligen var onödigt kraftfullt och beräkningskrävande för ändamålet; anledningen till att valet ändå föll på detta ramverk var att det redan hade testats för en liknande uppgift i ett annat RISE-projekt, och därför ganska enkelt och till liten kostnad kunde anpassas för kodavläsning.
Figur 21. Gjuten kodplatta som annoterats för hand i VGG Image Annotator. Etiketter (d.v.s. ”1”, ”2” o.s.v., syns ej i figuren) och markeringar (de gula linjerna) sparades på JSON-format
Nätverket tränades på 24 bilder (18 träningsbilder + 6 valideringsbilder) tagna ur olika vinklar av iteration 2 av kodplattan. Träningen utfördes på en laptop utan dedikerad GPU. Bilderna togs med en Samsung Galaxy S6, med en upplösning på 5312x2988 pixlar, och varje träningsbild annoterades för hand i det webbaserade annoteringsverktyget VGG Image Annotator, se exempel i Fig. 21. Siffrorna 1–9 lästes in som separata klasser i Mask-RCNN, d.v.s. ”1” var en klass, ”2” en annan (Fig. 21).
Tester av det tränade nätverket utfördes på en handfull bilder som inte ingått i träningsdatasetet. Som Fig. 22 indikerar tycks metoden fungera i princip, även om resultatet inte är i närheten av att uppfylla dess potential. Dels missar nätverket några av siffrorna helt, och dels är klassificeringen av korrekt detekterade siffror på flera ställen felaktig. Dessutom tolkar nätverket bokstaven ”B” som två sexor. Ett avsevärt mycket större antal träningsbilder behövs för att ha chans att nå ett resultat som skulle kunna vara användbart i produktionsmiljö.
Figur 22. Testbild. Gul ring visar ett exempel på hur nätverket lyckats med detektion, men inte med klassificering. Röd ring visar hur nätverket tolkat bokstaven ”B” som två sexor, och alltså har både detekterat och klassificerat felaktigt (falsk positiv prediktion). Vit ring visar hur nätverket misslyckats med detektion och därför inte försökt klassificera (falsk negativ prediktion).
Objektiva mått på nätverkets prestanda, t.ex. MAP (mean average precision) går att ta fram, men i detta fall, med ett så uppenbart behov av fler träningsbilder, fanns ingen anledning till detta.
4.5 Slutsats
Arbetspaket 4 har demonstrerat hur en 3D-sandprinter kan användas för att printa id-koder på sandformar och -kärnor som sedan direkt kan föras över till gjutna komponenter under själva gjutprocessen.
