Additive manufacturing and simulation in design and manufacturing of a robotic gripper

Loading...
Thumbnail Image

URL

Journal Title

Journal ISSN

Volume Title

Insinööritieteiden korkeakoulu | Master's thesis

Date

2021-01-25

Department

Major/Subject

Mcode

Degree programme

Master's Programme in Mechanical Engineering (MEC)

Language

en

Pages

83

Series

Abstract

Benefits of automation include increases in productivity, reduced product costs, more effective control over production process and more uniform products with improved quality and reduction of accidents. Combined with the advances in robot technology have led to the spread of automation to practically every industry, which again has resulted in an increased number of specific tooling for the robots. Grasping devices, grippers, are still the most used tools used in robots and even though the selection of commercially available solutions are wide, they often have to be designed application specific. Object of the research was to find the most important aspects of designing a gripper and how simulation tools can be used in their design. Also, how additive manufac-turing (AM) can be utilized in gripper design and what benefits and disadvantages grippers produced with AM can have compared to grippers produced with general solutions on the market. The research problem was summarized as “How robotic grippers can be designed for additive manufacturing and what benefits does this method offer”. In this research, a topology optimized vacuum gripper was designed and manufactured with AM and compared to a reference gripper which was designed using traditional manufacturing methods for an automation project. The final manufactured AM gripper was able to produce a maximum theoretical lifting force of 226.2 N with eight 20 mm suction cups. Simulation tools were used in both cases to evaluate grippers movement and strength. The vacuum design was found to be a competitive solution for a case where there are multiple restrictions regarding the dimensions of the gripper. Received quotation for the AM gripper was 550 euros, manufactured with selective laser sintering (SLS) compared to 3050 euros for the reference gripper. The main benefits for the AM gripper were found to be in cost savings and delivery times, especially when designing a complex gripper. Other benefits included reduced part count and possibility to integrate air hoses in the gripper. Main disadvantages found were a possible higher cost in simple grippers and the difficulty in executing design changes after manufacturing.

Automaatiolla saavutetaan hyötyjä suuremman tuottavuuden, alhaisempien tuotekustannusten, paremman tuotantoprosessin hallinnan, sekä yhtenäisempien, parempilaatuisten tuotteiden kautta. Yhdistettynä robottiteknologian kehityksen kanssa, automaatio on levinnyt lähes joka alalle, joka puolestaan on aiheuttanut kasvavan tarpeen tuotekohtaisille työkaluille. Tartuntatyökalut, tarraimet, ovat edelleen robottien käytetyimpiä työkaluja. Vaikka markkinoilta löytyy kasvava määrä tarrainvaihtoehtoja, täytyy tarrain usein suunnitella tuotekohtaiseksi. Tutkimuksen tavoitteena oli löytää robotin tarraimien suunnitteluun liittyvät tärkeimmät osa-alueet ja tutkia kuinka simulaatiotyökaluja voidaan hyödyntää niiden suunnittelussa. Lisäksi tutkittiin, kuinka lisääviä valmistusmenetelmiä (additive manufacturing, AM) voidaan hyödyntää tarrainten suunnittelussa ja mitä hyötyjä ja haittapuolia tällaisilla tarraimilla on verrattuna yleisesti markkinoilta löytyvillä ratkaisuilla valmistettuihin tarraimiin. Tutkimuskysymys muotoiltiin ”Kuinka robottitarraimia voidaan suunnitella lisäävillä valmistusmenetelmillä valmistettaviksi ja mitä hyötyjä tämä tarjoaa”. Tässä tutkimuksessa käytettiin topologian optimointia AM vakuumitarraimen suunnitteluun ja verrattiin sitä tarraimeen, joka oli suunniteltu perinteisillä valmistustavoilla valmistettavaksi. Lopullinen AM tarrain tuotti 226.2 N teoreettisen nostovoiman kahdeksallalla 20 mm imukupilla. Simulaatiotyökaluja käytettiin hyväksi sekä tarraimen toiminnallisuuden, että kestävyyden arviointiin. Suunniteltu vakuumitarrain todettiin kilpailukykyiseksi etenkin, jos tarraimen suunnittelussa on paljon huomioonotettavia tilarajoitteita, jotka vaikuttavat tarraimen mahdollisiin mittoihin. Perustuen saatuun tarjoukseen, AM tarraimen hinta olisi 550 euroa valikoivalla lasersintrauksella (selective laser sintering, SLS) valmistettuna, joka tarkoitti 82 % säästöä valmistuskustannuksissa verrattuna vertailtuun tarraimeen. AM tarraimen suurimmat hyödyt tulivat kustannussäästöistä, sekä toimitusajoista, etenkin monimutkaisen tarraimen suunnittelussa. Muita löydettyjä hyötyjä olivat tarraimen pienempi osamäärä, ja mahdollisuus integroida paineilmakanavat tarraimen sisään. Suurimmat haittapuolet olivat mahdollisesti suuremmat valmistuskustannukset yksinkertaisten tarrainten tapauksessa, suunnittelumuutosten toteutus valmistuksen jälkeen, sekä tarraimen osien huoltaminen.

Description

Supervisor

Kuosmanen, Petri

Thesis advisor

Renvall, Jani

Keywords

additive manufacturing, gripper, 3D printing, lisäävä valmistus, tarrain

Other note

Citation