La impresión 3D sale de la caja

Los estudiantes del laboratorio DREAMS han pasado el último año combinando la impresión 3D con un ensamblaje automatizado avanzado, creando un proceso de fabricación único en su tipo.

10 de febrero de 2023

La impresión 3D normalmente implica que una sola máquina cree un objeto. Pero un equipo de investigadores universitarios ha llevado ese paradigma mucho más allá de su marco en el Laboratorio de Diseño, Investigación y Educación para la Fabricación Aditiva (DREAMS), dirigido por el profesor Chris Williams de LS Randolph.

El proyecto comenzó con el objetivo de imprimir en 3D un dron que pudiera salir volando de forma autónoma de la impresora y evolucionó hasta convertirse en un enfoque muy robusto y adaptable para fabricar grandes sistemas mecatrónicos.

Los drones son mecanismos complejos con hélices giratorias, componentes electrónicos calibrados con precisión, baterías y una variedad de otras piezas y piezas. Uno de los primeros desafíos del equipo fue abordar esa complejidad con la impresión 3D. Algunas piezas, como la batería cargada y el motor, simplemente no se pudieron imprimir y, en cambio, requirieron ensamblaje. Este conjunto no encaja con la función normal de una impresora 3D, que consiste en colocar capas apiladas una encima de otra, formando un único objeto estacionario.

El equipo también necesitaba resolver un problema un tanto complicado: liberar el dron. Debido a que la primera capa de una impresora 3D se adhiere ligeramente a la placa de construcción, el equipo necesitaba descubrir cómo raspar la pieza impresa durante el proceso autónomo.

Una impresora 3D típica no lograría todos estos objetivos. Si bien la máquina puede colocar capas para crear una forma e incluso imprimir diferentes materiales juntos, no puede tomar componentes y ensamblarlos, ni puede raspar su propio producto. Determinar cómo completar todos esos pasos de forma autónoma sería el factor crítico en la creación de un dron funcional que abandonara con éxito a su fabricante.

El equipo planeó eludir la función típica de la impresora 3D que utiliza un cabezal de impresión en un pórtico fijo. En cambio, el grupo utilizó un brazo robótico que podría equiparse con herramientas para imprimir y ensamblar componentes. Aunque los brazos requieren más trabajo para programarse y operarse, también ofrecen más opciones.

"Al conectar un cabezal de impresión a brazos robóticos industriales de múltiples ejes, obtenemos grados adicionales de libertad de movimiento que nos permite finalmente imprimir en 3D real", dijo Williams. "En lugar de simplemente apilar una serie de impresiones bidimensionales de cada capa, la flexibilidad cinemática del brazo robótico nos permite depositar material en cualquier dirección en el espacio 3D".

El brazo robótico ofreció a los miembros del equipo otra ventaja: podían fabricar un conjunto versátil de herramientas para el brazo. Este enfoque multimodal significó que el brazo podría usar un cabezal de impresión 3D para una parte de un trabajo, cambiar a una herramienta de ensamblaje para colocar componentes electrónicos y otras piezas terminadas, y luego volver a una herramienta de impresión 3D para cerrar el marco del dron. Al implementar múltiples herramientas en una sola celda de trabajo robótica, eliminaron la necesidad de múltiples máquinas.

"La flexibilidad de los brazos robóticos nos permite cambiar las herramientas en mitad de la impresión para que podamos colocar objetos extraños como motores, baterías y cables en el objeto mientras se imprime", dijo Williams. "Esto nos proporcionó un camino para fabricar conjuntos mecatrónicos funcionales completos en una única celda de trabajo robótica".

Después de que los estudiantes designaran las piezas para imprimir o ensamblar, debían determinar la mejor manera de romper la unión adhesiva entre la pieza terminada y la placa de construcción. Esto se convirtió en una lección de termodinámica.

La gran placa de construcción calentada de la impresora robótica, que actúa como base para la pieza que se está construyendo, está ligeramente caliente para crear suficiente adhesión para que la pieza no se mueva durante la impresión. Aunque es esencial para lograr la precisión necesaria para la construcción, creó un obstáculo para que una pieza impresa tenga que salir volando de su impresora.

Dalton Phillips, miembro del equipo, descubrió una solución sorprendentemente sencilla para retirar la pieza impresa: dejarla enfriar. Si la plancha se enfriaba unos grados después de terminar la impresión, la adherencia se debilitaba. Una vez que la placa se enfrió hasta cierto punto, se podría usar un simple raspador mecánico para empujarla. Este enfoque funcionó y el dron pudo quedar libre.

Con los fundamentos establecidos, el equipo se dispuso a completar su objetivo: un dron que se alejara volando de la impresora. Durante varios meses, los miembros del equipo crearon herramientas multimodales para colocarlas en su brazo robótico. Como estaban usando un brazo robótico que DREAMS Lab había diseñado previamente para la impresión 3D, la maquinaria de la impresora estaba disponible. Las otras herramientas necesarias para el montaje tendrían que crearse o modificarse para que funcionen en el mismo brazo.

¿Qué hace un equipo de impresión 3D para fabricar piezas modificadas? Utilice una impresora 3D, por supuesto.

El equipo construyó nuevos accesorios para el brazo, adaptando la maquinaria sobre la marcha para que funcionara de manera más eficiente y corregir los problemas a medida que surgieran. Los miembros del equipo estaban abordando el proyecto desde ambos lados: fabricando piezas de máquinas personalizadas para realizar las tareas necesarias y desplegando esas piezas para permitir la fabricación autónoma de un dron en pleno funcionamiento.

Más allá de diseñar el hardware, los estudiantes pasaron innumerables horas escribiendo programación. Cuando el tamaño del chasis de un dron era incorrecto, modificaron el tamaño de la impresión. Cuando una herramienta de ensamblaje no pudo dar en el blanco para colocar los componentes electrónicos, reprogramaron sus movimientos para corregirlos. Si se terminaba un dron pero se estrellaba contra el costado de la impresora cuando se encendía, cambiaban el diseño del dron.

Se dedicaron cientos de horas de prueba y error a resolver problemas desde múltiples ángulos.

El 25 de abril finalmente lograron su primera impresión y vuelo exitosos. En una construcción totalmente automatizada, se imprimió el chasis, se colocaron los componentes electrónicos, los rotores giraron y el dron se fue volando. Inmediatamente después de la partida del dron, el robot volvió a trabajar para imprimir de forma autónoma un diseño de dron completamente diferente con un nuevo conjunto de componentes electrónicos modulares.

Una vez completado el proyecto, los estudiantes produjeron un vídeo del proceso terminado, ganaron un concurso nacional de diseño para estudiantes y también publicaron su trabajo para revisión por pares.

El éxito motivó al equipo a buscar nuevas innovaciones. Uno de los primeros objetivos fue mejorar las herramientas del robot.

Al construir su primera máquina multimodal, los estudiantes crearon una única herramienta para su robot que imprimió en 3D y colocó piezas modulares. Si bien era adecuado para alcanzar sus primeras calificaciones, no era ideal. Básicamente, habían creado dos manos en el extremo de un brazo, por lo que su capacidad para maniobrar en espacios reducidos estaba algo restringida por sus numerosos apéndices.

El equipo también quería equipar mucho más que las dos tareas permitidas por esa primera herramienta. La lista de deseos incluía tareas como incrustación de cables, escaneo 3D y recorte y soldadura. Los estudiantes también querían agregar flexibilidad para crear y equipar nuevas herramientas para futuras construcciones.

El nuevo objetivo se convirtió en la capacidad de intercambiar automáticamente herramientas modulares individuales para que el brazo robótico pudiera obtener la herramienta exacta que necesitaba para cada tarea. Desafortunadamente, el pequeño robot utilizado en la primera ejecución tenía un alcance limitado y colocar un estante de herramientas en ese espacio crearía menos espacio para que hiciera su trabajo.

Los estudiantes necesitaban cambiar su robot.

No necesitaron buscar muy lejos para encontrar una buena solución. El investigador postdoctoral Joseph Kubalak, también miembro del equipo del DREAMS Lab, había estado trabajando con un brazo robótico más grande capaz de cambiar herramientas según lo requiriera el equipo. El robot más grande también podía moverse en un área de trabajo ampliada, lo que le dio al grupo la capacidad de configurar un gran arsenal de herramientas para acoplar. En el proceso, los estudiantes también encontraron nuevas formas de simplificar el proceso.

"La transición al robot más grande no fue tan simple como desconectar el viejo y enchufar el nuevo", dijo el miembro del equipo Kieran Beaumont. "Debido a que muchas de nuestras elecciones de diseño de hardware y software originales se habían hecho específicamente para el robot más pequeño, casi Todas las herramientas, la electrónica y el código tuvieron que ser rediseñados. Esta experiencia nos enseñó la importancia del diseño modular, no solo para los drones que estábamos construyendo, sino también para la celda de trabajo. Usando lo que habíamos aprendido, diseñamos la nueva celda de trabajo. tener herramientas con interfaces estándar y requisitos de energía y desarrollar un sistema de control capaz de operar cualquier tamaño de brazo robótico”.

El área de trabajo ampliada del equipo también significa una gama más amplia de productos finales. En su primer proyecto, el tamaño de los drones construidos estaba limitado por el alcance del brazo más pequeño. Con el mayor tamaño del brazo más grande y el acceso a herramientas, el equipo puede construir drones mucho más grandes.

Habiendo expandido la idea original a un escenario más grande, el siguiente paso del equipo es construir un equipo de robots que trabajen juntos. Los estudiantes imaginan un futuro en el que la impresión 3D se combine con el ensamblaje no solo de un robot sino de varios robots trabajando juntos. Su objetivo es un equipo de brazos mecánicos que se mueven entre sí sin problemas, fluyendo juntos como un ballet mecánico. Esto requerirá un nuevo grupo de colaboradores de investigación, a quienes el equipo está persiguiendo actualmente.

"Tenemos profesores que son muy buenos en robótica, muy buenos en hacer que los robots colaboren juntos", dijo Kosmal. "Queremos invitar a esas personas a que se pregunten cómo los robots pueden hacer cosas realmente geniales".

Esas “cosas realmente interesantes” cubren una gran cantidad de posibilidades. Tal como funciona actualmente el sistema, la NASA podría utilizarlo para producir automáticamente una serie de diferentes drones para misiones específicas desplegados para trabajo remoto en Marte o permitir la fabricación de drones bajo demanda para encontrar sobrevivientes y entregar suministros durante escenarios de socorro en casos de desastre en la Tierra.

"Creo que este proyecto habla del futuro de la fabricación aditiva", dijo Williams. "Es hora de ir más allá de la impresión de piezas estáticas en cajas prefabricadas y de empezar a pensar en formas de integrar la tecnología de impresión 3D en flujos de trabajo de fabricación avanzados para permitir la creación de productos verdaderamente multifuncionales".

El equipo original de estudiantes universitarios que abordó este proyecto incluía a Tadek Kosmal, Kieran Beaumont, Eric Link, Conner Pulling, Dalton Phillips, Heather Wotton, Camille Kudrna, James Lowe y Hutch Peter. Muchos de los miembros del equipo se han graduado desde entonces y varios de ellos ahora trabajan en la industria. Kosmal, Beaumont y Wotton están cursando estudios de posgrado en el DREAMS Lab, y Link, miembro del equipo, está haciendo lo mismo en el laboratorio de Kevin Kochersberger.

"Este proyecto ha sido un sueño mío desde hace mucho tiempo", dijo Williams. “Nuestro laboratorio ha estado trabajando en algunos de los elementos individuales de esta visión durante bastante tiempo, y verlo todo reunido por este talentoso grupo de estudiantes (muchos de los cuales han estado trabajando en nuestro laboratorio desde su primer año) ha sido extremadamente gratificante e inspirador”.

Este proyecto recibió una subvención inicial de 75.000 dólares en financiación del Desafío de Investigación para Estudiantes Universitarios de la NASA, seguido de una subvención combinada adicional de 40.000 dólares de Boeing, Braskem, Cube Pilot, KDE Direct, Northrop Grumman, RoboDK, Stäubli y Xoar.

Susana Miller

540-267-4375