Algoritmi di elaborazione geometrica per la produzione additiva basata su robot

Robot-Based Additive Manufacturing (RBAM) is an Additive Manufacturing (AM) technology that combines a welding torch, a powder nozzle, or an extruder with robotic manipulators. RBAM is emerging as a solution to increase manufacturing flexibility and the build volume of standard Cartesian printing devices. Indeed, different from 3 degrees of freedom printers, the material can be deposited in multiple directions (multiaxial deposition) thanks to the dexterity of robots. So, it is possible to avoid the need for support structures while increasing the build volume. Also, it is possible to manufacture non-uniform layers where the thickness is not constant. Furthermore, non-planar layers can be realized, following the surface curvature to increase the surface finish and mechanical properties. Finally, non-uniform path planning can be implemented, adapting the infill according to layer shape. In this context, the process planning for RBAM becomes an aspect of primary importance. Process planning is defined as all the geometry processing steps involved in linking the 3D CAD geometry with the manufacturing stage, until the generation and the validation in virtual software environments of the instructions to control the path of a robot. In particular, multiaxial deposition, slicing strategies, and path planning steps must be appropriately implemented to obtain satisfactory outputs, avoiding printing failures. So, this work presents a framework for RBAM process planning, whose main goal is to exploit the possibilities that RBAM technology offers. Approaches for each step of the framework are presented, proposing solutions to take advantage of the flexibility of RBAM. First, a multiaxial volume deposition and a uniform planar slicing with layer infill algorithms have been developed. Then, non-uniform planar and cylindrical slicing approaches have been defined. The last algorithm regards a non-planar slicing method. These algorithms have been developed and tested using Rhinoceros®, Grasshopper® and RoboDK®. These procedures are crucial steps to fully implement the RBAM process planning. Finally, experiments were performed with wire arc additive manufacturing technology, proposing a procedure to analyze the bead geometry and extract parameters for the proposed algorithms.

Robot-Based Additive Manufacturing (RBAM) è una tecnologia di Additive Manufacturing (AM) che implementa una torcia di saldatura, un ugello per polveri o un estrusore con manipolatori robotici. RBAM sta emergendo come soluzione per aumentare la flessibilità di produzione e il volume di produzione dei dispositivi di stampa cartesiani standard. Infatti, a differenza delle stampanti a 3 gradi di libertà, il materiale può essere depositato lungo più direzioni (deposizione multiassiale) grazie alla flessibilità dei robot. Pertanto, le strutture di supporto per realizzare protrusioni e sporgenze presenti nel modello CAD iniziale sono estremamente ridotte, aumentando anche il volume di costruzione. Inoltre, è possibile depositare layer non uniformi in cui lo spessore non è costante all'interno dello layer. Inoltre, è possibile realizzare layer non planari, seguendo la curvatura della superficie per aumentare la finitura superficiale e le proprietà meccaniche. Infine, è possibile implementare una pianificazione del percorso non uniforme, adattando il riempimento in base alla forma dello layer. In questo contesto la pianificazione dei processi per RBAM diventa un aspetto di primaria importanza. La pianificazione del processo è definita come tutte le fasi di elaborazione della geometria coinvolte per collegare la geometria CAD 3D con la fase di produzione, fino alla generazione e alla validazione in ambienti software virtuali delle istruzioni per controllare il percorso di un robot. In particolare, la deposizione multiassiale, le strategie di slicing e le fasi di pianificazione del percorso devono essere opportunamente implementate per ottenere risultati soddisfacenti, evitando errori di stampa. Pertanto, questo lavoro presenta un framework per la pianificazione del processo RBAM, il cui obiettivo principale è sfruttare le possibilità offerte da questa tecnologia. Vengono presentati degli approcci per ciascuna fase del framework, proponendo soluzioni per sfruttare la flessibilità della tecnologia RBAM. In primo luogo, sono stati sviluppati algoritmi di deposizione volumetrica multiassiale e di slicing planare uniforme con riempimento degli strati. Poi sono stati definiti approcci di slicing planare e cilindrico non uniforme. L'ultimo algoritmo riguarda un metodo di slicing non planare. Questi algoritmi sono stati sviluppati e testati utilizzando Rhinoceros® 3D, Grasshopper® e RoboDK®. Queste procedure sono passaggi cruciali per implementare la pianificazione del processo RBAM. Infine, sono stati eseguiti esperimenti con la tecnologia wire arc additive manufacturing, proponendo una procedura per analizzare la geometria del cordone ed estrarre i parametri da utilizzare negli algoritmi proposti.