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Atropos, redefine manufacturing
Atropos, redefine manufacturing

+LAB redefines the composite manufacturing industry with Atropos, a revolutionary robotic arm.

Inspired by nature and silkworms, and controlled by the artifact intelligence of special algorithms, Atropos fluently moves in space depositing a continuous fiber of thermosetting composite material, instantly cured as it comes out of his head.

Atropos, in Greek mythology one of the three Moirai, is a new six-axis robotic arm born from the collaboration with KUKA, for the robotic arm, and Owens Corning, for the glass fibers.

+ LAB ridefinisce l'industria manifatturiera composita con Atropos, un braccio robotico rivoluzionario.

Ispirato dalla natura e dai bachi da seta, e controllato dall'intelligenza artificiale di algoritmi speciali, Atropo si muove fluentemente nello spazio depositando una fibra continua di materiale composito termoindurente, che polimerizza immediatamentre mentre esce dalla sua testa.

Atropo, nella mitologia greca una delle tre Moirai, è un nuovo braccio robotico a sei assi nato dalla collaborazione con KUKA , per il braccio robotico, e con  Owens Corning , per le fibre di vetro.

 

The revolution of this process lays in not needing molds, combined with the high mechanical performances of composite materials. Producing every object different from the other is now possible, opening to new possibilities in fields where both characteristics are necessary. 

A new era of manufacturing has born, combining the quality of custom-made product with the performance of technological artisanship.

La rivoluzione di questo processo consiste nel non aver bisogno di stampi, combinati con le elevate prestazioni meccaniche dei materiali compositi. È ora possibile produrre ogni oggetto diverso dall'altro, aprendo a nuove possibilità in campi in cui entrambe le caratteristiche sono necessarie. 

È nata una nuova era di produzione, che unisce la qualità del prodotto su misura con le prestazioni dell'artigianato tecnologico.

The idea

Trying to achieve the best results with the least material is our original idea: Nature offers many examples of this approach, and some of these solutions are based on fibers indeed. Spider silk and silkworms are one of the classical examples, as well as other creations of nature like trees and leaves, as our muscles and tendons are fibrous.

By studying the natural behavior of silkworms, the idea of using a six-axis robot came naturally. The possibilities of movements allowed by the robot, while maintaining the head free of excessive mechanisms, has been one of the key factors to succeed in this additive manufacturing process.

The number of axis allows for movements otherwise impossible, making feasible to deposit the fibers in the direction of stresses, optimizing the performance and the material consumption.

Cercare di ottenere i migliori risultati con il minimo materiale è la nostra idea originale: la natura offre molti esempi di questo approccio e alcune di queste soluzioni sono basate sulle fibre. La seta di ragno e i bachi da seta sono uno degli esempi classici, così come altre creazioni della natura come alberi e foglie, poiché i nostri muscoli e tendini sono fibrosi.

Studiando il comportamento naturale dei bachi da seta, l'idea di utilizzare un robot a sei assi è venuta naturalmente. Le possibilità di movimenti consentiti dal robot, pur mantenendo la testa priva di meccanismi eccessivi, sono stati uno dei fattori chiave per il successo di questo processo di manifattura additiva.

Il numero di assi consente movimenti altrimenti impossibili, rendendo fattibile depositare le fibre nella direzione degli sforzi, ottimizzando le prestazioni ed il consumo di materiale.

The material

Continuous fiber composites have peculiar characteristics that can be exploited to obtain high-performing materials.

One of the most important features of this class of materials is their intrinsic anisotropy, in fact, fibers have a high elongation stiffness and tensile strength, but they offer lower resistance to compression or to mechanical stresses in the perpendicular direction.

Today we are using fibers made of glass and basalt (kindly supplied by Owens Corning and GS4C), embedded in an acrylic photocurable resin. We are also working to expand the usable materials: in particular we want to process fibers made of carbon and polyaramides but also natural fibers such as bamboo. We are also investigating epoxy resins as possible matrices for the composites.

I compositi di fibre continue hanno caratteristiche peculiari che possono essere sfruttate per ottenere materiali ad alte prestazioni.

Una delle caratteristiche più importanti di questa classe di materiali è la loro intrinseca anisotropia, infatti le fibre hanno una elevata rigidità all'allungamento e resistenza alla trazione, ma offrono una minore resistenza alla compressione o alle sollecitazioni meccaniche nella direzione perpendicolare.

Oggi utilizziamo fibre di vetro e basalto (gentilmente fornite da Owens Corning e GS4C), incorporate in una resina fotopolimerizzabile in acrilico. Stiamo anche lavorando per espandere i materiali utilizzabili: in particolare, vogliamo lavorare fibre fatte di carbonio e poliaramide, ma anche fibre naturali come il bambù. Stiamo anche studiando le resine epossidiche come possibili matrici per i compositi.

State of art and beyond

There are several prominent manufacturing technologies for the production of composites.

However, the Continuous Fiber Composite Smart Manufacturing we are developing is not comparable with standard techniques, in fact is a new and promising way to obtain unique high performances lightweight products.

 

The objects produced by this process do not need any mold. The item can then be subject to further processes, such as lay-ups, or left as it is, ready to be completed with final additions.

 

The anisotropy of the material is designed pointwise.

It is possible to better optimize the internal and external shape of the object, according to the requirements. It is also possible to analyze the object with FEM software, discovering the stress lines and placing the fiber congruently to their direction.

 

The non-linear slicing approach allows the creation of a smart path that build the whole structure with a continuous long fiber, or different ones where required.

Esistono numerose ed importanti tecnologie di produzione per la produzione di materiali compositi.

Tuttavia, la Continuous Fiber Composite Smart Manufacturing che stiamo sviluppando non è paragonabile alle tecniche standard, infatti è un modo nuovo e promettente per ottenere prodotti leggeri unici ad alte prestazioni.

 

Gli oggetti prodotti da questo processo non hanno bisogno di alcuno stampo. L'oggetto può quindi essere soggetto a ulteriori processi, come lay-up, o lasciato così com'è, pronto per essere completato con aggiunte finali.

L'anisotropia del materiale è progettata in modo puntuale.

È possibile ottimizzare al meglio la forma interna ed esterna dell'oggetto, in base alle esigenze. È anche possibile analizzare l'oggetto con il software FEM, scoprire le linee di tensione e posizionare la fibra in modo congruente alla loro direzione.

L'approccio di affinamento non lineare consente la creazione di un percorso intelligente che costruisce l'intera struttura con una fibra lunga e continua, o di tipo diverso, in base alle esigenze.

The process

The process starts from the design of the object inside Rhinoceros, a 3D modeling software, and thanks to the potentiality of the graphical algorithms editor Grasshopper and KUKA|prc, the data for the tool, path, and motion is generated.

 

Following the patented idea from +Lab, fibers are soaked with a special resin by a system of reservoirs and mechanisms carrying them to the printing head. 

 

The robot then starts to place the fibers in the space, moving the head towards the designed toolpath, meanwhile, a UV source induces the photocuring of the composite.

The rapidity of the polymerization allows printing freeform in space, reducing, or even abandoning, the needing of supports.

 

The process is scalable, in order to obtain extremely precise structure or, on the other hand, to obtain large complex products, similarly to the automated fiber placement process, without the bounds of a mold and or any service structure.

Il processo parte dalla progettazione dell'oggetto all'interno di Rhinoceros, un software di modellazione 3D, e grazie alle potenzialità dell'editor di algoritmi grafici Grasshopper e  KUKA|prc , vengono generati i dati per lo strumento, il percorso e il movimento.

 

Seguendo la patented idea di + Lab, le fibre vengono impregnate con una resina speciale da un sistema di serbatoi e meccanismi che li portano alla testina di stampa. 

 

Il robot inizia quindi a posizionare le fibre nello spazio, spostando la testa verso il percorso macchina progettato, nel frattempo una sorgente UV induce la fotopolimerizzazione del composito.

La rapidità della polimerizzazione consente di stampare a mano libera nello spazio, riducendo o addirittura abbandonando il bisogno di supporti.

 

Il processo è scalabile, per ottenere una struttura estremamente precisa o, al contrario, per ottenere prodotti complessi di grandi dimensioni, in modo simile al processo di posizionamento automatico delle fibre, senza i limiti di uno stampo o di qualsiasi struttura di servizio.

Future developments

The process is always in evolution.

 

Every day we are adding new features enriching the process, in order for it to become more stable and higher performing.

 

21 days ago we were able to only print glass fiber with a maximum speed of 5 mm/s. Today, we’ve improved the speed by 400% and we have now the ability to print other materials such as basalt.

 

We are currently designing new mechanisms and chemical formulations in order to improve the printing speed and the range of materials able to be printed, such as Carbon fiber and Kevlar, as well as upgrading the reliability of the system.

Il processo è sempre in evoluzione.

 

Ogni giorno aggiungiamo nuove funzionalità che arricchiscono il processo, affinché diventi più stabile e più performante.

 

21 giorni fa eravamo soltanto in grado di stampare fibra di vetro con una velocità massima di 5 mm /s. Oggi abbiamo migliorato la velocità del 400% e ora abbiamo la possibilità di stampare altri materiali come il basalto.

 

Attualmente stiamo progettando nuovi meccanismi e formulazioni chimiche al fine di migliorare la velocità di stampa e la gamma di materiali che possono essere stampati, come fibra di carbonio e Kevlar, oltre a migliorare l'affidabilità del sistema.