La stampa 3D è fuori dagli schemi

Gli studenti del laboratorio DREAMS hanno trascorso l’ultimo anno abbinando la stampa 3D all’assemblaggio automatizzato avanzato, creando un processo di produzione unico nel suo genere.

10 febbraio 2023

La stampa 3D in genere prevede che una singola macchina crei un oggetto. Ma un team di ricercatori universitari ha portato questo paradigma ben fuori dagli schemi nel laboratorio di progettazione, ricerca e formazione per la produzione additiva (DREAMS), guidato dal professor Chris Williams di LS Randolph.

Il progetto è iniziato con l’obiettivo di stampare in 3D un drone che potesse volare autonomamente fuori dalla stampante e si è evoluto in un approccio altamente robusto e adattabile per la produzione di grandi sistemi meccatronici.

I droni sono meccanismi complessi con eliche rotanti, componenti elettronici calibrati con precisione, batterie e una serie di altri pezzi e parti. Una delle prime sfide del team è stata affrontare questa complessità con la stampa 3D. Alcune parti, come la batteria carica e il motore, semplicemente non potevano essere stampate e richiedevano invece l'assemblaggio. Questo assemblaggio non si adatta alla normale funzione di una stampante 3D, che consiste nel disporre strati impilati uno sopra l'altro, formando un unico oggetto stazionario.

Il team doveva anche risolvere un problema un po’ complicato: liberare il drone. Poiché il primo strato di una stampante 3D aderisce leggermente alla piastra di costruzione, il team doveva capire come raschiare via il pezzo stampato durante il processo autonomo.

Una tipica stampante 3D non raggiungerebbe tutti questi obiettivi. Sebbene la macchina possa posizionare strati per creare una forma e persino stampare insieme materiali diversi, non può afferrare i componenti e assemblarli e non può raschiare via il proprio prodotto. Determinare come completare tutti questi passaggi in modo autonomo sarebbe il fattore critico nella creazione di un drone funzionante che possa lasciare con successo il suo creatore.

Il team ha pianificato di aggirare la tipica funzione della stampante 3D che utilizza una testina di stampa su un portale fisso. Il gruppo ha invece utilizzato un braccio robotico che potrebbe essere dotato di strumenti per la stampa e l’assemblaggio di componenti. Sebbene le armi richiedano più lavoro per essere programmate e utilizzate, offrono anche più opzioni.

“Collegando una testina di stampa a bracci robotici industriali multiasse, otteniamo ulteriori gradi di libertà di movimento che ci consentono finalmente di stampare in vero 3D”, ha affermato Williams. “Invece di limitarci a impilare una serie di stampe bidimensionali di ogni strato, la flessibilità cinematica del braccio del robot ci consente di depositare materiale in qualsiasi direzione nello spazio 3D”.

Il braccio robotico ha offerto ai membri del team un altro vantaggio: potevano creare un set versatile di strumenti per il braccio. Questo approccio multimodale significava che il braccio poteva utilizzare una testina di stampa 3D per una parte di un lavoro, passare a uno strumento di assemblaggio per posizionare l’elettronica e altre parti finite, e poi tornare a uno strumento di stampa 3D per chiudere il telaio del drone. Distribuendo più strumenti in un’unica cella di lavoro robotizzata, hanno eliminato la necessità di più macchine.

"La flessibilità dei bracci robotici ci consente di cambiare strumenti durante la stampa in modo da poter posizionare oggetti estranei come motori, batterie e fili nell'oggetto mentre viene stampato", ha affermato Williams. “Questo ci ha fornito un percorso per fabbricare assiemi meccatronici funzionali completi in un’unica cella di lavoro robotica”.

Dopo aver designato le parti per la stampa o l'assemblaggio, gli studenti dovevano determinare il modo migliore per rompere il legame appiccicoso tra il pezzo finito e la piastra di costruzione. Questa divenne una lezione di termodinamica.

Il grande piatto di costruzione riscaldato della stampante robotizzata, che funge da base per il pezzo in costruzione, è leggermente caldo per creare un'adesione sufficiente in modo che il pezzo non si muova durante la stampa. Sebbene essenziale per ottenere la precisione richiesta per la costruzione, ha creato un ostacolo per un pezzo stampato che deve volare via dalla stampante.

Il membro del team Dalton Phillips ha scoperto una soluzione sorprendentemente semplice per rimuovere il pezzo stampato: lasciarlo raffreddare. Se la lastra si raffreddava di qualche grado al termine della stampa, l'aderenza si indeboliva. Una volta che la lastra si è raffreddata fino ad un certo punto, è possibile utilizzare un semplice raschietto meccanico per allontanarla. Questo approccio ha funzionato e il drone ha potuto essere liberato.