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3D 打印机器人——“批量为1”的定制化生产的“王者”

来源:控制工程网2021.11.30阅读 4970

  机器人不断推动增材制造的发展,实现效率、精度的提升,同时使其所能创建零件的尺寸也在不断增大。在这个不断发展的领域,无论是长期的行业领导者还是初创公司,都在使用机器人改进增材制造(3D打印)的产品。
  硅谷初创公司Arevo和美国Fanuc这两家公司,在机器人的协助下,制造单件零部件。其它公司也在该领域进行创新,致力于制造更大的零部件并消除薄弱环节。总部位于美国马萨诸塞州Auburn的德国公司Physik Instrumente(PI),对其部件在亚微米精度上进行了深入研究,这反过来又使增材制造商在3D打印过程中能够实现更高的精度。

图1:经过后期处理过的光滑表面。图片来源:FANUC

  从一开始就最大程度的实现自动化
  Arevo是一家创建于2013年的初创公司,开发了直接数字增材制造技术,可以为一系列客户按需制造坚固、轻便的零件。Wiener Mondesir是这家硅谷公司的联合创始人兼首席技术官(CTO),他描述了其专有软件Xplorator是如何创建轻质碳纤维复合材料的。
  他的合作伙伴一致认为,“如果通过软件能够查看现实世界的负载条件,并给出正确的纤维方向,那么该软件就可以为我们解锁很多事情。”
  Xplator软件有助于帮助客户消除手工制作流程。Mondesir说:“必须可以自动执行此操作,只有这样才能赋予客户更大的自由。” Arevo的下一个任务是使用软件建模找到最佳的构建方式。3D打印是构建复合结构的关键。
  “如果可以通过软件定制,我们就可以了解如何定向纤维,构建一种可以满足任何类型预定材料或零件特性的结构。所以我们制造了一台机器实现这个功能。” Mondesir说。最新的版本是Aqua2碳纤维打印机。
  接下来,Arevo公司的重要进展是材料。3D打印最初用于打印原型系统,但现在的目标是打印用于产品的零部件。在实际生产中,需要了解该零件在现实世界中的性能,包括质量、一致的重复性、精度、尺寸公差和质量保证等。
  在Arevo创建出第一批原型后,它增加了机器人以提供多通道能力和在三维空间中定向的能力。Arevo对碳纤维复合材料的使用使得从概念到功能产品的周转时间缩短。它的工业级连续纤维3D打印系统可以打印体积达1立方米的部件。

图2:运行人员监控由协作机器人执行的焊丝增材制造过程。图片来源:RIA

  前进路上的关键胜利
  Arevo接受客户的零件订单,并继续开发碳纤维复合材料的新用途,每月举办“黑客马拉松”活动。从这些极具创意的编程活动中,它开发了一种广受欢迎的连续碳纤维网球拍及附件。在一项单独的计划中,Arevo还开发了一款碳纤维自行车Superstrata,最初的目的是用于技术和产品验证,但也看到它有一个令人兴奋的市场。它的框架是单片碳纤维,由Xplorator设计,并在Aqua平台上打印。每辆自行车都是定制的CONTROL ENGINEERING China版权所有,以适应不同的腿长和体型。
  Arevo公司正在扩大其3D打印的能力,它在位于加利福尼亚州Milpitas的工厂有5台Aqua机器,现在正在向越南的一个新工厂增加15台Aqua机器。根据规划,越南工厂会增加到100台机器。
  快速重新设计和周转是关键。Mondesir说:“如果你能够以这种速度前进www.cechina.cn,你就有能力快速改变控制工程网版权所有,如果某些事情不合适,你可以做出改变并继续。”自动化使这一切成为可能。

图3:大规模生产高质量的复合材料部件。图片来源:ArevoLabs

图4:用于PCB板和电子元件激光加工的定制龙门架。图片来源:Physik Instrumente

  用于大型零部件增材制造的金属线材
  总部位于密歇根州罗切斯特山的Fanuc美国公司是美国第一大机器人制造商,在汽车、航空航天、农业设备和其他许多行业拥有广泛的客户。其母公司Fanuc于1956年在日本成立。
  美国Fanuc公司还与专门从事机器人集成以构建自动化系统的合作伙伴合作,为航空航天业提供增材制造或3D打印的机器人。
  焊丝增材制造(WAAM)的最新进展,使其可以在机器人的帮助下创建大型零部件。美国Fanuc公司的总经理Mark Scherler说,焊丝工艺可以制造出适用于汽车和飞机的金属零件。
  “当挤压头可以放在机器人上时,它就会从三轴系统变成六轴系统,”Scherler说,“很明显,我们可以通过机器人以多种方式操纵头部,这些模型提供的包络比标准增材系统允许的范围更大。所以你可以制造更大的零部件。”
  Scherler说,他对增材工艺带来的新可能性感到兴奋,包括设计灵活性、重量减轻以及更高效的设计。“它为制造业开辟了许多新思路。” 虽然在Fanuc的100人研发团队中,只有一部分人专注于增材制造,但这种关注度已经越来越高。
  例如, “很多年前,我并没有真正考虑使用焊丝实现增材。但现在这个过程已经足够成熟,人们正在使用它。” Scherler说,“而能够把它放在我们的一个机器人上并制造一个零件是相当令人兴奋的。”
  此外,Fanuc采用了协作机器人(cobot)概念,该概念允许人类在机器人工作时与其互动或站在机器人附近,而无需将机器人与人类分开的标准防护装置。Fanuc在Fabtech等展会上展示了协作机器人,为航空航天工业的典型小金属部件执行焊丝增材制造。在生产制造中,这种零件可能达到三四英尺高。

图5:用于纳米结构的TERA-Fab桌面打印机:3D压电纳米定位台移动基板。

图6:纳米世界中的增材制造。用于纳米结构的TERA-Fab桌面打印机。图片来源:TERA-print/RIA

  提升增材制造系统的精度
  作为一家专注于运动系统的德国公司,PI是能够为增材制造系统创建最高精度的零件。PI精密自动化技术公司的经理Matthew Price表示控制工程网版权所有,该公司有一个40到50人的团队,致力于为他们的增材制造客户制造更精确的零件,通常是微米和亚微米级。
  “我们不销售增材制造系统。我们卖给建造它们的人。如果你拿起一个零件,看到零件上有缺陷,我们可能不会参与这样的零件制造。” Price说,“我们的核心是制造用于构建先进3D打印机或先进增材制造系统的硬件和软件。”PI经常与大学研究中心和私营或公共部门的商业公司合作,这些公司使用极小的零部件。
  “他们开始需要50微米和30微米以下的零部件。然后还有专门的激光工艺,可实现更大的尺寸。”Price指出,光聚合是最先进的技术。双光子聚合可以解析到亚百纳米级。
  PI公司的目标是帮助制造商继续提高使用机器人进行增材制造的性能。“我们不会拥有客户所拥有的那种材料/工艺专业知识。”Price说,“同样,他们也永远不会拥有我们所拥有的那种精密自动化专业知识。当你把两者放在一起时CONTROL ENGINEERING China版权所有,你就能真正获得最佳结果。”(作者:Laura Moretz)

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