In una segheria immersa nella catena montuosa delle North Cascades, i robot sono al lavoro. Pacific Rim Tonewoods (PRT) fornisce legno di altissima qualità fresato e modellato da tipi di alberi accuratamente selezionati a grandi e piccole aziende produttrici di chitarre come Martin, Taylor, Gibson e Fender, così come a liutai indipendenti, ossia artigiani specializzati nella costruzione e riparazione di strumenti a corda.
Circa dieci anni fa, PRT ha riorganizzato le proprie attività, concentrandosi sulla riduzione degli scarti e semplificando i processi di fresatura. Questi cambiamenti hanno portato a un miglioramento del rendimento superiore al 12%. Dopo aver apportato questi miglioramenti, PRT ha iniziato a investire nell'automazione per espandere le proprie capacità in altri ambiti.
Abbiamo parlato con l'ingegnere Jake Wells di come la stampa 3D a sinterizzazione laser selettiva (SLS) con la serie Fuse di Formlabs ha reso i sistemi robotici dell'azienda più convenienti, efficienti e duraturi. Gli organi di presa robotici realizzati con la stampa 3D SLS e i supporti di produzione sono diventati più rapidi da realizzare, contribuendo a snellire i workflow automatizzati e consentendo di portare l'integrazione della robotica in-house.
"Ottimizziamo continuamente i processi per realizzare prodotti migliori, con tolleranze più ristrette e meno spreco di materiale. È una ricerca continua di miglioramento e maggiore efficienza."
Jake Wells, ingegnere presso Pacific Rim Tonewoods
Robotica per le operazioni di segheria
Il primo robot utilizzato da PRT, un KR-6 di Kuka, si è rivelato potente ma troppo ingombrante per il tipo di lavoro a cui era destinato. Affidarsi a un integratore esterno aveva creato uno squilibrio tra le capacità del robot e le reali esigenze operative, ed è stato proprio questo il primo problema affrontato dal team in-house guidato da Wells.
La robotica e l'automazione sono le colonne portanti del futuro della produzione digitale e in molti settori queste tecnologie hanno mantenuto la promessa di migliorare l'efficienza. Le aziende di maggior successo, come PRT, hanno integrato l'automazione per gestire attività "sporche, noiose e pericolose", quelle troppo lente, complesse o rischiose per essere svolte in modo uniforme dal personale.
Ma quando PRT ha mosso i primi passi con la robotica, l'integrazione, ovvero l'insieme di componenti hardware e software necessari per adattare un robot a un'applicazione specifica, lasciava a desiderare. Il primo robot era un KR-6 di KUKA da 60 000 $ che doveva pallettizzare pezzi di legno specializzato e di altissima qualità. Sebbene il sistema permettesse al personale di concentrarsi su compiti più complessi e a maggior valore aggiunto, l'uso di un integratore esterno creava disallineamenti tra il robot e le reali mansioni. Wells era convinto che si potesse ottenere un workflow molto più efficiente.
"Il problema principale era l'integrazione approssimativa. Gli integratori esterni non avevano esperienza con il legno, e il robot scelto era sovradimensionato rispetto alle esigenze. Quando abbiamo deciso di gestire tutto in-house, abbiamo riesaminato l'intero sistema e capito che esisteva un approccio più efficace. Il nostro metodo ora si basa sull'abbinare in modo olistico il robot giusto alle attrezzature giuste", ha affermato Wells.
Stampa 3D di effettori finali per l'ottimizzazione
Dopo aver portato l'integrazione della robotica in-house e aver scelto un robot più leggero ed economico, il team di PRT si è reso conto di poter progettare organi di presa personalizzati per ottimizzare ulteriormente il processo.
Wells ha iniziato stampando i design degli effettori finali con una stampante 3D a modellazione a deposizione fusa (FDM) che aveva a casa. I vantaggi della stampa 3D sono apparsi subito evidenti: poteva progettare, adattare, testare ed eseguire iterazioni più volte alla settimana, cercando di trovare il miglior equilibrio tra resistenza e peso. "Per un po' di tempo sono stato l'unico ingegnere e aveva molto più senso stampare una parte, montarla sul robot e vedere come si comportava piuttosto che spassare ore a progettare qualcosa per la lavorazione meccanica", ha spiegato Wells.
PRT dispone di un'officina meccanica in-house con una potente macchina a controllo numerico a 4 assi, in grado di gestire le parti complesse richieste per gli organi di presa personalizzati. Tuttavia, la lavorazione meccanica richiede che il design sia completamente finalizzato, altrimenti si rischia di sprecare materiale e tempo prezioso di operatori specializzati.
Le parti realizzate con la stampa 3D FDM andavano bene per i test di aderenza e, in alcuni casi, anche per l'utilizzo finale, ma erano inaffidabili e potevano rompersi troppo facilmente quando si applicava una forza lungo le linee degli strati. "Era difficile capire se le parti realizzate con la stampa FDM fossero di qualità finché non erano in servizio. Parti che sembravano perfette potevano rompersi dopo 20 000 cicli senza alcuna ragione apparente, altre potevano arrivare a 120 000 cicli prima di rompersi, e anche in quel caso poteva essere dovuto a una semplice collisione", ha proseguito Wells.
L'azienda ha iniziato a far stampare le parti da un fornitore di servizi, utilizzando la tecnologia MJF con nylon 12. Il risultato è stato convincente: le parti erano più resistenti, leggere e durature. Tuttavia, l'esternalizzazione richiedeva tempi lunghi, e quando c’era bisogno di avviare nuovi progetti, non era possibile aspettare settimane solo per ottenere una parte da testare.
Perché utilizzare la stampa 3D SLS per gli organi di presa?
Wells ha portato la SLS in-house per ridurre i tempi di produzione e consentire la realizzazione di geometrie personalizzate per organi di presa resistenti e funzionali. Grazie alla fascia di prezzo accessibile e all'ingombro ridotto dell'ecosistema della serie Fuse, Wells e i suoi colleghi possono stampare ogni giorno, se necessario, e insegnare facilmente al personale neoassunto a utilizzare la tecnologia man mano che l'azienda si espande.
PRT aveva bisogno di una soluzione in-house in grado di produrre parti per utilizzo finale di qualità e sufficientemente resistenti per centinaia di migliaia di cicli, come i componenti degli organi di presa. Il team apprezzava le parti in nylon ottenute tramite stampa MJF esternalizzata e cercava una camera di stampa adatta alla produzione di effettori finali. La Fuse 1 si è rivelata la soluzione perfetta per tutte le loro applicazioni. "Ci trovavamo a dover produrre componenti così complessi da rendere la lavorazione meccanica una vera sfida, e materiali come l'alluminio sarebbero stati eccessivi. Avevamo bisogno di colmare quel divario: produrre in-house parti complesse ma resistenti", ha spiegato Wells.
La serie Fuse e la Nylon 12 Powder consentono di creare parti per utilizzo finale di qualità con un materiale di livello industriale ben conosciuto. La natura autoportante della tecnologia SLS ha reso possibile stampare in 3D gli effettori finali progettati in modo generativo, con le loro curve organiche e le loro cavità, senza tempi aggiuntivi di post-elaborazione e rimozione dei supporti.
"Non avevo mai lavorato con la tecnologia SLS prima d'ora, ma poter progettare senza vincoli geometrici è stato un enorme passo avanti. Ora abbiamo un sistema più resistente, più semplice da usare rispetto a quello che avevamo prima, che ci permette di realizzare i nostri progetti molto più velocemente. È stato un grande vantaggio."
Jake Wells, ingegnere presso Pacific Rim Tonewoods
Gestione dei cavi e attacchi per sensori
Sebbene gli effettori finali siano le parti che suscitano più interesse (e forse a ragione), ci sono molte parti dei sistemi robotici automatizzati che la stampa 3D può aiutare a gestire. Su ogni robot, infatti, corrono decine di cavi complessi che trasportano energia e segnali ai vari componenti della macchina. Durante il normale funzionamento, questi cavi possono impigliarsi, bloccarsi, rompersi, sfilacciarsi o semplicemente intralciare le operazioni, mentre durante la manutenzione un cavo posato in modo errato può rovinare fili e connettori fragili. Per risolvere questi problemi, Wells ha iniziato a stampare morsetti personalizzati, progettati per bloccare i cavi in punti specifici della macchina o per raggrupparli in modo ordinato.
"La gestione dei cavi è fondamentale Ogni cavo è progettato su misura per i bracci del robot e percorre tutta la macchina, ma può attorcigliarsi o impigliarsi facilmente. Le nostre clip e i nostri morsetti stampati in 3D mantengono questi sistemi affidabili ed efficienti. È parte del nostro impegno per un livello di ottimizzazione più alto."
Jake Wells, ingegnere presso Pacific Rim Tonewoods
I morsetti personalizzati possono essere progettati in modo da far passare facilmente la segatura, anziché intrappolarla per rimuoverla in un secondo momento. Mantengono i cavi in determinate posizioni per facilitarne la manutenzione o la sostituzione e migliorano la pulizia e l'efficienza generale dell'operazione. Grazie alla serie Fuse, è possibile progettare ed eseguire iterazioni di una parte piccola e semplice che ha un impatto notevole, e di farlo senza ore di lavoro di design ingegneristico per CNC o settimane di tempo di realizzazione.
Ma la stampa 3D ha portato vantaggi anche sul fronte della sicurezza. Ogni sistema robotico è monitorato da diversi sensori di sicurezza, che rilevano eventuali anomalie e forniscono un feedback continuo. Questi sensori migliorano la sicurezza e avvisano il personale in caso di eventuali problemi o potenziali rischi. Sebbene i sensori siano prodotti in serie, vengono installati in contesti sempre diversi, il che richiede soluzioni di montaggio su misura per garantire efficacia e precisione.
"L'intero robot è stato progettato in CAD e testato tramite software di simulazione. Siamo in grado di posizionare i sensori nel modello e di determinarne angolazione e posizionamento ottimali, per poi stampare a perfezione l'attacco in modo che ogni sensore sia esattamente al suo posto. Questo aspetto è estremamente importante per i sensori di sicurezza, dove un sensore posizionato in modo errato potrebbe rappresentare un rischio", ha affermato Wells.
Gli attacchi hanno un altro scopo: proteggere il sistema per il futuro. L'integrazione digitale degli attacchi dei sensori nel layout CAD dell'intero sistema consente a chiunque di stampare 3D attacchi di ricambio in qualsiasi momento. "Chiunque potrà sostituire un sensore in futuro sapendo già dove e come montarlo. Abbiamo adottato lo stesso approccio anche per i nostri radar di sicurezza. Nessun problema di sicurezza, solo risultati migliori", ha sostenuto Wells.
Applicazione della lavorazione meccanica e della stampa 3D SLS
All'interno dell'officina meccanica sono state recentemente aggiunte la stampante SLS Fuse 1 e la Fuse Sift, andando ad affiancare una macchina a controllo numerico a 4 assi, una stampante 3D FDM e una serie di altri strumenti di modellazione già presenti.
PRT dispone di un'officina meccanica completamente attrezzata con una macchina a controllo numerico a 4 assi e Wells ha molta esperienza come macchinista specializzato e designer di parti complesse destinate alla lavorazione meccanica. Le due tecnologie sono concepite per funzionare in sinergia tra loro e sia la lavorazione meccanica sia la stampa 3D offrono vantaggi diversi.
La differenza più grande è il consenso iniziale. In passato, Wells poteva impiegare giorni o perfino settimane per ottimizzare il design di una parte destinata alla lavorazione meccanica, cercando di massimizzare l'efficienza nella configurazione e nel consumo dei materiali. Grazie alla stampa 3D e al workflow intuitivo della serie Fuse, questo processo è diventato molto più rapido. "La nostra officina è altamente ottimizzata per la lavorazione meccanica, ma al tempo stesso il design per la produzione CNC richiede molto più tempo e sono necessarie molte conoscenze preliminari. Con la stampa 3D, invece, riesco a progettare diversi componenti in poche ore e testarli subito, mentre con la lavorazione meccanica potrei impiegare settimane per fare lo stesso", ha affermato Wells. La facilità di utilizzo della serie Fuse ha permesso a Wells di collaborare con tutti i membri del team per stampare le parti e metterle in uso.
"Tutti possono usarla. Posso realizzare anche parti molto complesse, ma basta che qualcuno sappia trascinarle in PreForm e otterrà una parte funzionale e resistente."
Jake Wells, ingegnere presso Pacific Rim Tonewoods
Considerazioni di progettazione per la stampa 3D di organi da presa
Lo strumento per organi da presa realizzato con la stampa 3D SLS che Wells ha progettato combina resistenza, funzionalità, complessità geometrica e la rigidità necessaria per pallettizzare il legno.
Per quanto riguarda gli effettori finali, le parti devono essere abbastanza resistenti da raccogliere e posizionare i pezzi di legno sul pallet, ma al tempo stesse leggere per non sovraccaricare il braccio robotico. Anche la resistenza agli urti e l'accuratezza dimensionale sono aspetti di primaria importanza. "La stampa 3D consente di consolidare gli assemblaggi metallici più ingombranti in modo da avere un'unica parte, semplificando così la manutenzione futura", ha affermato Wells.
Tuttavia, i vantaggi di questa tecnologia si perdono se si continua a operare con la mentalità di una tradizionale officina meccanica, abituata a costruire strumenti metallici pesanti. Il processo di progettazione non è lineare, ha sottolineato Wells. Per sfruttare appieno i vantaggi della stampa 3D, rivedere i workflow e lasciare spazio alla creatività.
"Non otterrai grandi benefici se ti limiti a produrre sempre le stesse attrezzature ingombranti. Ma se combini la stampa 3D al design generativo e usi materiali già collaudati, puoi semplificare molto il processo e arrivare rapidamente a una soluzione ottimizzata per le parti strutturali."
Jake Wells, ingegnere presso Pacific Rim Tonewoods
Nuove opportunità di guadagno
Mentre Wells sviluppa nuovi modi di progettare attrezzature e automatizzare il workflow, PRT punta a espandersi in nuove categorie di prodotti.
La stampa 3D ha reso le integrazioni robotiche di PRT più fluide, semplici e semplificate. "Ci ha aiutato moltissimo nell'integrazione dell'automazione. Se c'è un problema specifico nella gestione dei cavi o un punto critico su un robot, con la stampa 3D possiamo intervenire direttamente per risolverlo", ha spiegato Wells.
Gli effetti positivi dell'automazione e del design in-house delle macchine ha creato nuove opportunità per PRT. "L'obiettivo dell'azienda è produrre ciotole in legno di alta qualità a un prezzo accessibile. Integrare la stampa 3D tra le nostre opzioni ci permette di ottimizzare ulteriormente i sistemi per i compiti che devono svolgere", ha aggiunto Wells.
Il successo ottenuto da Wells con le parti stampate in 3D tramite tecnologia SLS lo sta portando a valutare la produzione di componenti per organi di presa e automazione come possibile nuova fonte di entrate. "Abbiamo componenti che usiamo nella nostra produzione e che potremmo vendere anche ad altri nel settore dell'automazione. Non abbiamo comprato la Fuse pensando di stampare 200 effettori finali, ma è diventata uno strumento prezioso nella nostra cassetta degli attrezzi. Se hai persone che sanno usarlo bene, può essere uno strumento davvero potente", ha concluso Wells.
Per scoprire di più sulla serie Fuse, visita la nostra pagina. Per valutare la resistenza della Nylon 12 Powder in prima persona, richiedi il campione gratuito di una parte stampata in 3D.
