+Lab ridefinisce il settore della produzione di materiali compositi con il braccio robotico Atropos di Kuka

Ispirato dalla natura e dai bachi da seta, e controllato dall’intelligenza artificiale di algoritmi speciali, Atropos si muove agilmente nello spazio depositando una fibra continua di materiale composito termoindurente, che si solidifica immediatamente non appena fuoriesce dalla testina.
Atropos che nella mitologia greca rappresentava una delle tre Moire, è un nuovo braccio robotico a sei assi nato dalla collaborazione tra il +Lab del Politecnico di Milano e KUKA, per quanto riguarda il braccio robotico stesso e con Owens Corning, per quanto concerne le fibre di vetro.
La rivoluzione di questo processo sta nel fatto che non ha bisogno di stampi e nelle elevate prestazioni meccaniche dei materiali compositi. Ora è possibile produrre oggetti che siano uno diverso dall’altro, consentendo l’apertura a nuove possibilità in settori in cui entrambe le caratteristiche risultano necessarie.
Sta per avere inizio una nuova era della produzione, che combina la qualità del prodotto realizzato su misura con le prestazioni dell’artigianato tecnologico.

L’IDEA
La nostra idea originale è quella di ottenere i risultati migliori con il minor dispendio di materiale: la natura offre tanti esempi di questo approccio e alcune di queste soluzioni si basano appunto sulle fibre. La seta prodotta dal ragno e dal baco è uno dei classici esempi, così come sono composti da fibre gli alberi, le foglie, i nostri muscoli e tendini.
Studiando il comportamento naturale del baco da seta, l’idea di utilizzare un robot a sei assi è sorta spontaneamente. Le possibilità di movimento consentite dal robot, evitando la presenza di meccanismi eccessivi all’interno della testina, sono state tra i fattori chiave che hanno portato al successo di questo processo di produzione additiva. 
Il numero di assi consente movimenti altrimenti impossibili, rendendo fattibile il deposito delle fibre nella direzione richiesta, ottimizzando la prestazione e il consumo di materiale.

IL MATERIALE
Le fibre composite continue hanno caratteristiche particolari che possono essere sfruttate per ottenere materiali ad alte prestazioni.
Una delle caratteristiche più importanti di questa classe di materiali è l’anisotropia intrinseca: le fibre possiedono infatti un’elevata rigidezza e un alto carico di rottura, ma offrono una minore resistenza alla compressione o alle tensioni meccaniche in direzione perpendicolare.
Oggi usiamo fibre realizzate in vetro e basalto (gentilmente fornite da Owens Corning e GS4C), immerse in una resina acrilica fotopolimerizzabile. Stiamo inoltre lavorando per espandere i materiali utilizzabili: in particolare per quanto riguarda l’elaborazione di fibre di carbonio e poliammidi ma anche fibre naturali, come il bamboo. Stiamo anche studiando le resine epossidiche quali possibili matrici per i materiali compositi.

AVANGUARDIA E OLTRE
Esistono diverse tecnologie di produzione notevoli per quanto riguarda i materiali compositi.
Tuttavia, la Produzione Smart di Fibra Composita Continua che stiamo sviluppando non è comparabile con le tecniche standard; si tratta di fatto di un nuovo e promettente modo per ottenere prodotti leggeri unici con prestazioni elevate.
Gli oggetti prodotti tramite questo processo non richiedono alcuno stampo. L’articolo può poi essere sottoposto a ulteriori processi, come lay-up o lasciato così com’è, pronto per essere ultimato con le aggiunte finali. L’anisotropia del materiale è progettata punto per punto.
È possibile ottimizzare ulteriormente la forma interna ed esterna dell’oggetto, a seconda delle necessità. È inoltre possibile analizzare l’oggetto con il software FEM, scoprendo le linee di tensione e collocando la fibra in maniera coerente alla loro direzione.
L’approccio del sezionamento non-lineare consente la creazione di una traiettoria intelligente che costruisce l’intera struttura con una fibra lunga continua, o con fibre differenti ove necessario.

IL PROCESSO
Il processo ha inizio dalla progettazione dell’oggetto tramite Rhinoceros, un software di 3D modeling, e grazie alle potenzialità dell’editor di algoritmi grafici  Grasshopper e KUKA|prc, vengono generati i dati per lo strumento, la traiettoria e il movimento.
Seguendo l’idea brevettata da +Lab di seguito [http://www.3dprintingcomposites.xyz/single-post/2016/06/12/3D-printing-continuous-fiber-composites-patent-deposition], le fibre vengono immerse in una resina speciale tramite un sistema di serbatoi e meccanismi che le conducono nella testina di stampa.
Il robot inizia poi a collocare le fibre nello spazio, muovendo la testina in base alla traiettoria progettata, mentre una sorgente di UV induce la fotopolimerizzazione. 
La rapidità della polimerizzazione consente di creare forme libere nello spazio, riducendo o addirittura abbandonando la necessità di supporti.
Il processo è modulabile, al fine di ottenere una struttura estremamente precisa o, altrimenti, per ottenere grandi prodotti complessi, in modo simile al processo meccanico di collocazione della fibra, senza i vincoli di uno stampo o di qualsiasi struttura di servizio.

SVILUPPI FUTURI
Il processo è sempre in evoluzione.
Ogni giorno aggiungiamo nuove funzionalità per arricchirlo, al fine di renderlo più stabile e ancor più performante.
21 giorni fa siamo riusciti a stampare fibra in vetro ad una velocità massima di 5 mm/s. Oggi abbiamo potenziato la velocità del 400% e adesso siamo in grado di stampare anche altri materiali, come il basalto.
Al momento stiamo progettando nuovi meccanismi e formulazioni chimiche per migliorare la velocità di stampa, la gamma di materiali che possono essere stampati, come fibra di Carbonio e Kevlar e stiamo anche aggiornando l’affidabilità del sistema.