增材制造和机器人技术的结合带来了自由

虽然增材制造有很多优势，比如它能够制造复杂的几何形状，但它在几个方面仍然是一种有限的技术。一个引人注目的例子是，它是一个“盒子里”的过程:组件构建在专用机器中，与外部环境隔离。

然而，一种趋势正在发展，通过将增材制造与机器人技术相结合，将其从限制中解放出来。这可能是该行业的未来吗?

增材制造专业公司Stratasys负责战略咨询的副总裁菲尔•里夫斯(Phil Reeves)表示，机器人增材制造已经存在了一段时间。

目前有两个因素推动着增材制造的发展:一是需要制造比传统封闭式增材制造设备更大的部件，二是希望将增材制造与其他传统自动化生产系统(如机械加工)集成。

里夫斯说:“多年来，机器人一直是集成生产的一部分，然而，如果你想想3D打印机——尤其是开放式架构，我指的是你可以插入生产线上的SCADA系统的设备——它们仍处于起步阶段。”“还有一个事实是，增材制造通常需要一些后处理，无论是一些机械加工来获取物理数据点、后处理检查、表面处理、打磨或喷漆。事实上，所有这些过程都是由工业机器人完成的。因此，将增材机与机器人集成意味着你可以围绕机器人开发整个生产架构。”

焊接的起源

目前，大多数机器人3D打印都是通过在机器人手臂或坐标系统上安装沉积效应器来实现的;也就是说，打印头沿着梁滑动，梁本身沿着龙门架上的轨道滑动。Reeves说，这种技术起源于焊接领域。

他补充说，以色列的一个名为MASSIVIT的系统就是一个例子，该系统配备了两个机械臂，可以挤出一种牙膏状的凝胶，用紫外线固化;它能够建造1.8 x 1.5 x 1.2米大小的物品。

Stratasys公司去年生产了一台机器人复合材料演示机，在机器人手臂上安装了FDM(熔融沉积建模)头。FDM是Stratasys的商标技术，用挤出的热塑性长丝制造物品。

当然，与许多工程技术一样，也存在权衡。机器人增材制造在生产大型物体和与其他工艺集成的能力上有所收获，但在精度上却有所损失。

位于伦敦东部的AI Build很好地说明了控制的价值。使用相当简单的硬件-来自制造商Kuka的标准六轴极性机器人手臂上的聚合物丝挤出头-该公司专注于建筑环境，使用人工智能软件来规划手臂的运动，并确保准确性和结构完整性。AI Build生产的物品尺寸高达3.2 x 2.4 x 2.8米，采用多种材料，用于贸易展览会、艺术画廊和大学;一个5 × 5 × 4.5米的展馆结构由48个部件组成，由160公斤的可生物降解长丝制成。

“机器人并不是世界上最精确的东西，”里夫斯说。“你必须花很多钱在一个非常大容量的机器人上，才能得到它的精确度。因此，我们目前在这个领域看到的是许多精度较低的组件，通常是以前可能由玻璃纤维铺设的那种组件。”

焊接领域在机器人增材制造中仍然非常活跃。总部位于剑桥的焊接研究所(TWI)是金属增材技术的先驱，它开发了一系列使用机器人控制沉积头的系统，并用它们来制造高精度的航空航天部件。

卡尔·豪泽(Carl Hauser)是总部位于利兹的TWI增材制造顾问，他解释说，他使用激光金属沉积(LDM)——激光在金属基板上形成一个“熔池”，将粉末金属放入熔池中(这是从激光熔覆工艺发展而来的)——来生产飞机发动机和燃气轮机的外壳。他说:“这是一个大规模的东西，对于粉末床系统来说太大了，但非常适合这种类型的开放式架构。”“我们建造薄壁结构，厚度从800微米到2毫米，直径从300毫米到1.5米。传统上，这些部件将通过形成薄板材料并将它们焊接在一起来制造，但增材制造技术大大压缩了时间，并解决了另一个问题:当你焊接薄板材料时，你会得到很多变形，所以这些部件通常需要大量的加工来整理它们。我们用LDM生产的套管是净形的，在公差范围内;我们倾向于使用龙门架系统来移动打印头，这对一些人来说扩展了机器人的定义，但比机械手臂更精确。”

豪瑟补充了一句警告。“这些机器人技术必须根据具体情况而定，而且有明显的局限性。使用粉末床技术，您可以打印悬垂特征，因为您可以在打印支撑结构的同时打印组件和粉末床本身支撑部件。你用机器人添加剂制作的任何东西都必须是独立的，自给自足的;虽然您可以通过重新定向和操纵承印物来在一定程度上印刷悬垂，但这是在开放而不是“在盒子里”的另一个优点。实际上，用这种方式形成支撑结构是可能的，尽管我们还没有这样做，因为我们还没有找到需要它的应用程序。但未来的发展将使我们在印刷方面朝着两个方向发展:找出你能做多大，以及你能做多复杂。”

里夫斯的预测更加雄心勃勃。“我们肯定会看到机器和混合动力车越来越多地集成到生产线上，这在某种程度上是我们已经看到的东西的延伸。从在表面上沉积粘合剂的机器到沉积更多结构材料的机器，这不是一个很大的进步，”他说。“我们已经看到了许多建议的配置，通过将3D打印机安装到无人机上，以及像表面爬行器这样的东西的原理图。所以，如果你有一艘需要修理或包覆的大型船只，你有一个配备光学设备的机器人，它可以检测到是否有裂缝或磨损，沉积材料，可能会抛光，重新扫描等等。我相信在某个时候，我们会在内置人工智能的更智能的机器人上看到这一点。”

改制的重点

Reeves所描述的本质上是再制造:从组件中去除磨损或超出公差的材料，并通过沉积新材料来重建它。这似乎已经非常适合机器人加法过程，特别是因为它们需要与传统的减法技术相结合。再制造是TWI与LDM(修复模具工具表面和高价值航空航天和国防部件)合作的重点，劳斯莱斯正在研究修复磨损的喷气发动机涡轮叶片。它也是混合制造技术公司(Hybrid Manufacturing Technologies)的常客，该公司首席执行官杰森·琼斯(Jason Jones)被里夫斯认为是将增材制造技术与机器人技术相结合的先驱。

琼斯说:“我们这么做的背景是双重的工程师。“一个原因是，传统的增材制造无法提供我们习惯的传统CNC加工的表面光洁度和精度，因此部分动机是能够在一次设置中构建零件并在现场完成它。

“第二个动机是在同一空间中结合几种类型的增材技术。我们参与了一个为期四年的项目，该项目由技术战略委员会(现在的Innovate UK)和包括雷尼绍(Renishaw)、德尔卡姆(Delcam)和TWI在内的八九家公司资助。我们展示了一种完全自动化的再制造解决方案，包括取出旧部件，对其进行测量，去除磨损的材料，使用增材技术进行金属沉积，然后切换到加工，所有这些都使用机床平台。我们选择了一个标准的工具架作为界面，您可以通过它在各种操作中拾取和移动项目。据我所知，这是第一次尝试模块化添加剂，并使用开放架构将其与其他平台集成。”

根据琼斯的说法，机器人技术特别适合使用更硬、更刚性材料的增材加工。他承认开放式架构系统有局限性，“但我们很乐意开箱即用”。

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