Algoritmiavusteinen suunnittelu suurten kappaleiden 3D-tulostuksessa Muotin suunnittelun optimoinnin avulla materiaalinkulutus väheni 29 kilosta seitsemään kiloon, ja tulostus- sekä koneistusaika lyheni kymmenestä tunnista puolentoista tuntiin.
3D-tulostusta alkuperäisen ei-optimoidun ja optimoidun muotin päälle.
Pystypöydän rungon 3D-mallinnus luotu Grasshopperissa algoritmiavusteisella suunnitelulla.
Teksti: Maxim Narbrough, REDU (Rovaniemen koulutuskuntayhtymä) Kuvat: REDU
Suurten kappaleiden 3D-tulostus tuo mukanaan omat haasteen- sa, kuten monimutkaisten geometrioiden hallinnan, tulostusreit- tien optimoinnin ja materiaalinkulutuksen minimoinnin. Näitä haasteita ratkotaan osana kansallista 3D-tulostuksen yhteishan- ketta 3DTY, jossa REDUn projektitiimi hyödyntää algoritmista suunnittelua tehokkaiden tulostusmenetelmien kehittämiseen. Esimerkkinä tästä ovat Formnext 2024 -messuilla Suomen pavil- jongissa esillä olleet pystypöytä ja jakkara -konseptit. Visuaalinen ohjelmointiympäristö Grasshopper, Rhino 3D CAD -ohjelmistoon kuuluva visuaalinen ohjelmointiympäristö, on noussut olennaiseksi osaksi tiimin LSAM-suunnitteluprosessia. Tämän työkalun avulla voidaan luo- da mukautuvia 3D-malleja ja tulostusratoja, joita on helppo jälki- käteen muokata. Pöytä- ja jakkarakonseptin jalkarakenteet suun- niteltiin kolmena identtisenä osana, jotka yhdistettiin huoneka- luheloilla viimeistelyn jälkeen. Grasshopperin avulla osia voitiin muokata dynaamisesti rakenteellisten ja esteettisten vaatimus- ten mukaisesti. Samalla ohjelmalla generoitiin myös tukimuot- ti, joka mukautuu kalusterakenteiden muutoksiin. Menetelmän avulla pyrittiin nopeuttamaan muutosten tekemistä ja paranta- maan tulostuksen, koneistuksen ja jälkikäsittelyn tehokkuutta. 3D-tulostettu tukimuotti oli ratkaiseva, sillä kaarevia kompo- nentteja ei olisi voitu valmistaa ilman sitä. Tulostuksen jälkeen muotti toimi myös tukirakenteena koneistusten aikana. Pöy- dän muotin suunnittelun optimoinnin ansiosta materiaalinku- lutus väheni 29 kilosta seitsemään kiloon, ja tulostusaika lyhe- ni yli kolmesta tunnista reiluun tuntiin. Muotin pintakoneistus kesti vajaat 20 minuuttia, koska työstettävää pinta-alaa oli mini- moitu. Itse tulostetut osat valmistuivat noin 35:ssä minuutissa.
Yksilöllisesti optimoidut työkaluradat Toisin kuin perinteiset parametriset CAD-ohjelmat, joissa mal- lin muutokset vaativat manuaalista muokkausta ja erillisten työ- kaluratojen uudelleenluontia, Grasshopperin visuaalinen ohjel- mointi mahdollistaa geometrian ja tulostuspolkujen reaaliaikai- sen optimoinnin. Tämä tarkoittaa, että rakenteellisia ja esteetti- siä muutoksia voidaan tehdä lennossa, ja kaikki tulostukseen liittyvät parametrit, kuten tukimuotin muoto ja tulostusradat, päivittyvät automaattisesti. Tämä voi vähentää virheitä ja paran- taa tarkkuutta työvaiheiden välillä. Erilaisia työnkulkuja testattiin parhaiden käytäntöjen löytämi- seksi vakiintuneiden CAD/CAM-menetelmien ja tulostuspolkujen visuaalisen ohjelmoinnin integroimiseksi. Siemens NX:ää käytet- tiin koneistuksiin, kuten muottipintojen jyrsintään ja kiinnitys- reikien poraamiseen lopullisiin osiin. REDUn CEAD Flexbot, kuu- siakselinen robottijärjestelmä, mahdollisti nopean siirtymisen tulostus- ja koneistuspäiden välillä. Tulostuspään vaihtaminen tukimuotin ja lopullisten kappaleiden tulostusvaiheessa osoittau- tui kuitenkin pullonkaulaksi, hidastaen prosessia tarpeettomasti. Sykliajan parannuksia Vaihtoehtoisena prosessina tulostetut osat voitiin siirtää Bies- se Rover -viisiakseliseen työstökeskukseen porattavaksi. Tämä vähensi työkalunvaihtoja robottisolussa ja nopeutti osien monis- tamista, mutta edellytti erillisen tukimuotin käyttöä. Tuotanto- ympäristössä sykliaikaa voidaan nopeuttaa tulostamalla useam- pia tukimuotteja samalle alustalle, jolloin osat ehtivät jäähtyä uusien osien tulostuessa. Lisäksi erillinen robotti tai yhteistyöro- botti voisi hoitaa jyrsintä- ja porausvaiheet ilman toistuvia työ- kalunvaihtoja tai siirtoja eri laitteelle.
Tulostusradan nopeutta ohjelmoitiin hidastumaan kulmissa parantamaan geometrian tarkkuutta.
Kehitetyt työnkulut tarjoavat merkittäviä etuja. Grasshop- per mahdollistaa nopeat suunnittelumuutokset, mikä tekee sii- tä ihanteellisen iteratiiviseen kehitykseen tai massaräätälöin- tiin. Algoritminen optimointi voi vähentää materiaalihukkaa ja lyhentää tulostusaikaa. Tulostuksen, koneistuksen ja kokoonpa- non saumaton integrointi yhteen digitaaliseen malliin parantaa yhdenmukaisuutta, ja mukautettu G-koodin generointi mahdol- listaa tarkemman hallinnan robottien liikkeisiin. Ajattelutapaa pitää muuttaa Haasteina ovat laskennallisen suunnittelun ja robotiikan kine- matiikan osaamistarve. REDUn asiantuntija Severi Salmirinne oppi järjestelmän hallinnan perusteet noin kolmessa kuukau- dessa ilman aiempaa kokemusta Grasshopperista, hyödyntäen verkkokoulutusta, opastusvideoita ja suurta kiinnostusta. Lisäk- si algoritminen mallinnus vaatii ajattelutavan muutosta perin- teisistä parametrisen CADin työskentelytavoista, mikä voi aluk- si tuntua haastavalta. Algoritmiavusteinen suunnittelu on tehokas työkalu, joka yhdistää tarkkuuden ja luovuuden, helpottaen haastavien orgaa- nisten muotojen luomista. Haasteet piilevät ohjelmointiympä- ristön rajattomuudessa, mutta sama ominaisuus mahdollistaa myös asioita, joita perinteisillä suunnittelutyökaluilla ei voida saavuttaa. Alan tiennäyttäjät, kuten italialainen arkkitehti Arturo Tedeschi , esittävät, että tekoälyn yhdistäminen algoritmiavus- teiseen suunnitteluun avaa mahdollisuuksia entistä rohkeam-
Valmiit prototyypit esillä 3DTYn osastolla Formnext 2024 -messuilla.
piin esineisiin ja rakenteisiin. Kehityksen suunta saattaa vih- jata, että huonekalut tulevat pian suunnittelemaan itse itsensä! Algoritmiavusteinen suunnittelu on tehokas työkalu, joka yhdistää tarkkuuden ja luovuuden, helpottaen haastavien orgaa- nisten muotojen luomista. Haasteet piilevät ohjelmointiympä- ristön rajattomuudessa, mutta sama ominaisuus mahdollistaa myös asioita, joita perinteisillä suunnittelutyökaluilla ei voida saavuttaa. Alan tiennäyttäjät, kuten italialainen arkkitehti Artu- ro Tedeshi, esittävät, että tekoälyn yhdistäminen algoritmiavus- teiseen suunnitteluun avaa mahdollisuuksia entistä rohkeam- piin esineisiin ja rakenteisiin. Kehityksen suunta saattaa vih- jata, että huonekalut tulevat pian suunnittelemaan itse itsensä! 3DTY (www.3dty.fi) kuuluu Uudistuva ja osaava Suomi 2021– 2027 EU:n alue- ja rakennepolitiikan ohjelmaan. Euroopan alue- kehitysrahaston (EAKR) tuen on myöntänyt Etelä-Savon elinkei- no-, liikenne- ja ympäristökeskus (ELY).
2/2025 MUOVIPLAST 15
14 MUOVIPLAST 2/2025
Made with FlippingBook - Online magazine maker