Automation of the production process of carbon fiber bike frames

The use of robotics in manufacturing has been growing significantly in the last decades because of their efficiency, flexibility and relative low costs. The tasks that robots usually perform involve simple operations like handling or welding, this thesis instead analyse how it is possible to use a robotic arm as a CNC machine. In particular the case of Composite Jazz (3T Cycling) is explored, where the production process of carbon fiber bike frames will be automated by performing the drilling and sanding operations with a robotic arm. This thesis examines all the steps of the project, starting from the 3D design of the clamping plate where the frame is mounted before being uploaded in the robot cell, the choice of the mandrel for drilling according to the proper cutting parameters and the selection of the ATC system for switching between drilling and sanding operations smoothly. The second part is about the robot programming: after the reachability analysis, choice of the best frame position and the selection of the values of the tool offsets, the milling path was generated. Since the software used (RoboDk) doesn’t include a CAM module, a Python script was developed to create a helical toolpath for milling operations, allowing smooth descent of the tool in a continuous spiral, maximizing material removal and accuracy. The study concludes with a brief analysis of the positive economic impact that this compact and flexible solution will have on the company.

L'uso della robotica nella produzione manifatturiera è cresciuto significativamente negli ultimi decenni grazie alla sua efficienza, flessibilità e costi relativamente contenuti. Le operazioni che i robot eseguono più frequentemente includono compiti semplici come la movimentazione o la saldatura; questa tesi, invece, analizza come sia possibile utilizzare un braccio robotico come una macchina CNC. In particolare, viene esplorato il caso di Composite Jazz (3T Cycling), dove il processo di produzione dei telai in fibra di carbonio per biciclette verrà automatizzato mediante l’esecuzione di operazioni di foratura e carteggiatura con un braccio robotico. La tesi esamina tutte le fasi del progetto, a partire dalla progettazione 3D della piastra di fissaggio su cui il telaio viene montato prima di essere caricato nella cella robotizzata, alla scelta del mandrino per la foratura in base ai corretti parametri di taglio e alla selezione del sistema di cambio utensile automatico (ATC) per passare agevolmente tra le operazioni di foratura e carteggiatura. La seconda parte riguarda la programmazione del robot: dopo l’analisi di raggiungibilità, la scelta della migliore posizione del telaio e la definizione dei valori degli offset dell’utensile, è stato generato il percorso di fresatura. Poiché il software utilizzato (RoboDK) non include un modulo CAM, è stato sviluppato uno script in Python per creare un percorso utensile elicoidale per le operazioni di fresatura, consentendo una discesa fluida dello strumento in una spirale continua, massimizzando la rimozione di materiale e l’accuratezza. Lo studio si conclude con una breve analisi dell’impatto economico positivo che questa soluzione compatta e flessibile avrà sull'azienda.