3D-printet værktøjsveksler skal gøre kollaborative robotter mere effektive

Virksomheden 4TECH har designet en værktøjsveksler, som giver kollaborative robotter mulighed for at skifte mellem flere værktøjer. Teknologisk Institut har hjulpet med at optimere og printe værktøjsveksleren, som er designet specifikt til produktion med 3D-print.

Henning Forbech lever af at lave produktionsudstyr til små virksomheder gennem sin virksomhed 4TECH, og så har han en stor interesse for robotgribere. I den forbindelse oplevede han, at mindre produktionsvirksomheder, der benytter robotter, har brug for en mere fleksibel produktion. Udfordringen hos virksomhederne er at få optimeret udbyttet af hver enkelt robot – når den samme robot kan udføre mere end én opgave, giver det en hurtigere tilbagebetaling for virksomheden.
Lad os hjælpe dig med produktion af 3D-print

Flere hænder – flere opgaver
For hver opgave en robot skal kunne udføre, har den brug for en ’hånd’ – fx en griber eller en sugekop. Så for at kunne lave forskellige opgaver, skal robotten have forskellige ’hænder’ eller værktøjer, men hvis man skulle bruge tid på at stå og skifte værktøjet på robotten, kunne man jo lige så godt selv lave robottens arbejde. Derfor fik Henning Forbech ideen til en værktøjsveksler, som kunne automatisere processen.

- Jeg tænkte, at hvis den samme robotarm kunne skifte mellem forskellige værktøjer, ville det skabe mere værdi for virksomhederne. Derfor udviklede jeg værktøjsveksleren, så robotten selv kunne skifte fra det ene værktøj til det andet, fortæller Henning Forbech, ejer af 4TECH. 

Selve værktøjsveksleren består af to dele, hvoraf den ene sidder på robotten, og den anden er monteret på værktøjet, som sidder på væggen i en værktøjsholder - nogle af værktøjerne er sågar bygget, så de passer direkte ind i selve veksleren. Veksleren kan overføre strøm, signaler og trykluft fra robotten, så robotten kan styre og bruge hånden.

Indledningsvis fokuserede 4TECH på Universal Robots, men i takt med at priserne på robotter er faldet, kigges der nu på hele segmentet af robotter, og målet er at lave en værktøjsveksler, som kan bruges til dem alle – med forskellige konfigurationsmuligheder.

Se en video om tilblivelsen af værktøjsveksleren her - casen fortsætter under videoen.

Designet til 3D-print
Allerede inden han udviklede værktøjsveksleren, havde Henning Forbech en stor interesse for 3D-print som produktionsmetode, og han havde i en årrække samarbejdet med Teknologisk Institut omkring teknologien. Han havde desuden specialiseret sig i at designe emner, der specifikt er tænkt til produktion med 3D-print, og derfor var det også oplagt, at designet til værktøjsveksleren fra starten blev optimeret til 3D-print.

3D-printteknologien giver stor designfrihed, og Henning Forbech har udnyttet denne designfrihed til at skabe et komplekst men samtidig yderst funktionelt design, der ikke kan produceres med traditionelle produktionsteknologier. Derfor er værktøjsveksleren også et godt eksempel på, hvad man kan opnå med moderne produktionsteknologi.

- Værktøjsveksleren kan kun laves gennem 3D-print, når den indeholder de funktioner, som den har. Vi ser sjældent et design, der er så gennemarbejdet som dette og kan produceres som et færdigt, 3D-printet produkt, siger Thor Bramsen, seniorkonsulent på Teknologisk Institut.   

Udfordringen med værktøjsveksleren har været at lave et produkt, som både er småt, let, stærkt og billigt. I forhold til vægten handler det især om at imødekomme robottens begrænsninger, da de små modeller kun kan løfte få kilo – derfor skal værktøjsveksleren være så let som muligt. Af samme grund har 3D-print været enormt velegnet, da teknologien muliggør et let og kompakt design.

Efterfølgende har 4TECH patenteret princippet bag låse- og positioneringssystemet. Positioneringen er ofte et problem på gribere, da gentagelsesnøjagtigheden ikke er præcis nok, men her er positioneringssystemet lavet som et trepunktet kelvinophæng, der altid sikrer 100% positionering.

En anden del af patentet går på rotations-til-translationsbevægelsen, som opstår ved selve fastlåsningen. Her bruger 4TECH igen en af fordelene ved 3D-print, nemlig muligheden for at bygge hule strukturer ind i et emne med runde geometriske former. Værktøjsveksleren er således meget kompleks indvendigt, og derfor vil den være nærmest umulig at kopiere.

Udviklingsforløb med Teknologisk Institut
Arbejdet med værktøjsveksleren startede som et MADE demonstrationsprojekt, hvor Teknologisk Institut hjalp 4TECH med at optimere produktet til produktion gennem 3D-print. Undervejs har Teknologisk Institut derfor ageret sparringspartner på 3D-print produktionsdelen – herunder design, forbedringer, kompensation for deformering, field test produktion samt overfladeeksperimenter.

4TECH har tænkt designet til 3D-print fra starten, hvilket er en kæmpe fordel – så har vores opgave været at sikre, at designet kan realiseres og reproduceres.

- Thor Bramsen, Teknologisk Institut

I en udviklingsfase som den værktøjsveksleren har været igennem, er 3D-print guld værd, da man kan løbende kan ændre geometrier og optimere på produktet, samtidig med at man ikke er bundet til bestemte værktøjer.
Se hvordan vi kan hjælpe dig med 3D-print

Fra et produktionssynspunkt er det også ideelt for en virksomhed som 4TECH, at man ikke er tvunget til at bestille store styktal fra start for at få økonomien til at hænge sammen, men at produktionen i stedet kan skaleres op efter behov. I den forbindelse har Teknologisk Institut og 4TECH også drøftet en on-demand forretningsmodel, hvor produkterne sælges før de produceres. Det vil minimere de løbende produktionsomkostningerne og samtidig gøre det muligt at imødekomme specielle kundeønsker.

Næste skridt er metalprint
4TECHs værktøjsveksler blev oprindeligt optimeret til 3D-print i nylon og produceret på Teknologisk Instituts 3D-printere i Aarhus, men rejsen stopper ikke her. Udviklingen inden for 3D-print gør nemlig hastige fremskridt, og det betyder, at kvaliteten af de printede produkter bliver bedre og bedre. Kombineret med det faktum at 3D-printede produkter kan printes hurtigt og blot ved hjælp af et 3D-design, er der stort potentiale for, at 4TECH kan optimere eller skabe nye produkter.  

- I dag kan vi lave værktøjsveksleren i en god kvalitet, og jeg forudser at vi kan lave den endnu bedre, som teknologien udvikler sig, og holde den up-to-date, lyder det fra Henning Forbech. 

Næste skridt er at udvide med nye 3D-printede komponenter i aluminium, som er et stærkere materiale, og som bedre vil kunne implementeres i industrien. Efter de første prototyper er produktet færdigdesignet og indkørt i Teknologisk Instituts metal 3D-printproduktion, så det kan printes igen og igen ned til mindste detalje.