Helppokäyttöinen 3D-tulostaminen biomassalla käyttäen robottikäsivartta

Abstract

Tämän opinnäytetyön tavoitteena oli ottaa käyttöön kuusiakselinen Yaskawa GP25-12 -teollisuusrobotti ja luoda sen ympärille helppokäyttöinen kokonaisuus biomassalla tapahtuvaan 3D-tulostukseen. Opinnäytetyön toimeksiantajana toimi Kaakkois-Suomen ammattikorkeakoulun (Xamk) Luovuutta rakennusalalle 3D-tulostamisella ja robotiikalla -hanke. Tulostuskokonaisuus kehitettiin opiskelu- ja tutkimuskäyttöön erityisesti muotoilijaopiskelijoille sekä projektityöntekijöille, joilla ei lähtökohtaisesti ole aiempaa kokemusta robotiikasta. Keskeisenä vaatimuksena oli, että laitteiston ja ohjelmiston peruskäytön opetteluun saa kulua enintään tunti, ja käyttäjän tulee pystyä tuottamaan tuloste 3D-mallista mahdollisimman pienellä vaivalla.

Opinnäyteyössä tutkittiin aluksi olemassa olevia ohjelmistoratkaisuja teollisuusrobotilla tulostamiseen, kuten RoboDK:ta ja Rhino Grasshopper -lisäosaa. Valmiit ohjelmistot todettiin kuitenkin tässä käyttötarkoituksessa liian monimutkaisiksi tai ne vaativat käyttäjältä liiallista perehtymistä itse robotiikkaan. Tämän vuoksi opinnäytetyössä päädyttiin kehittämään täysin uusi ja oma ohjelma nimeltään Robot Slicer 3D. Ohjelmistokehityksessä hyödynnettiin tekoälyä, kuten Google AI Studiota ja Geminiä käyttämällä iteratiivista koodaustapaa. Laitteiston osalta kokonaisuuteen integroitiin hankkeen omakehittämä massapursotin sekä SICK MicroScan3 -turvalaserskannerit, joiden avulla ohjelmoitiin suojakentät turvallisen työskentelyalueen takaamiseksi.

Opinnäytetyön tuloksena syntyi helppokäyttöinen viipalointiohjelmisto, joka kykenee lukemaan esimerkiksi STL- tai OBJ-malleja ja muuttamaan ne suoraan Yaskawa-robotin ymmärtämäksi INFORM-koodiksi. Ihmiskeskeisen suunnittelun ja iteratiivisen kehityksen ansiosta saavutettiin onnistuneesti ohjelmisto- ja laitteistokokonaisuus, joka vastaa asiakkaan asettamiin tavoitteisiin helppokäyttöisyydestä ja nopeuttaa muotoilijoiden siirtymistä digitaalisesta mallista fyysiseen biomassatulosteeseen.

The objective of this thesis was to commission a six-axis Yaskawa GP25-12 industrial robot and create an easy-to-use system around it for 3D printing with biomass. The thesis was commissioned by the "Creativity for the construction industry with 3D printing and robotics" project at the South-Eastern Finland University of Applied Sciences (Xamk). The printing system was developed for educational and research purposes, specifically targeted at design students and project workers who generally have no prior experience in robotics. A key requirement was that learning the basic operation of the hardware and software should take no more than one hour, and the user must be able to produce a print from a 3D model with minimal effort.

Initially, the study investigated existing software solutions for 3D printing with an industrial robot, such as RoboDK and the Rhino Grasshopper add-on. However, ready-made software solutions were found to be too complex for this specific use case, or they required the user to have an excessive understanding of robotics itself. Consequently, the decision was made to develop a completely new, custom software named Robot Slicer 3D. Artificial intelligence, such as Google AI Studio and Gemini, was utilized in the software development through an iterative coding approach. Regarding the hardware, a custom mass extruder developed by the project and SICK MicroScan3 safety laser scanners were integrated into the system, allowing the programming of safety fields to ensure a secure working environment.

The result of the thesis was a user-friendly slicing software capable of reading STL or OBJ models for example and converting them directly into the INFORM code understood by the Yaskawa robot. Through human-centered design and iterative development, a successful software and hardware solution was achieved. This system meets the client's objectives for usability and significantly accelerates the designers' workflow from a digital model to a physical biomass print.