用机器人增材制造打造未来

他们说这是破坏性的。增材制造(AM)不仅改变了我们制造东西的方式。它正在改变工程师和部分设计师的思维方式。他们必须忘记传统制造方法所带来的限制，并对设计的可能性睁大眼睛。

预计到2020年，增材制造行业的产值将达到170亿美元。

增材制造工艺有几种类型，包括选择性激光烧结(SLS)、立体光刻(SLA)和熔融沉积建模(FDM)。所有这些都是数字化制造方法，使用CAD数据制造3D对象，通过添加一层又一层的材料，无论是液体、粉末或薄片，或其他类型的材料。甚至人体组织．AM被用来创造无数的结构，从牙科器械，到先进的飞机部件，还是整个桥．也可以是艺术．机器人使之成为可能。

增材制造和机器人技术。一种技术依赖于稳定的，重复的运动来建立每一个无限小的层，一遍又一遍地。另一项技术以其可重复性和可控制性而闻名。就好像他们是天生的一对。这是颠覆性技术的结合，是未来制造业的结合。

机器人不仅使增材制造成为可能，它们照管3D打印机(也是机器人)，自动化我后期处理,允许建筑师以设想新的，灵活的建设方式我们周围的世界。扩大我们的可能性。

层层一层
在中西部工程系统公司在威斯康辛州的Waukesha，他们正在使用激光增材制造技术来制造复杂的金属部件，否则，如果不是不可能的话，制造起来将是极其困难的。一个六轴铰接机器人驱动这一过程，结合热丝沉积和激光在现有的基片上一层一层地制造金属零件。异域金属的沉积精度高，速度快，可以制造原型和小批量高价值的复杂零件。

MWES凭借其在复杂系统集成方面25年以上的专业知识，在去年秋天的IMTS上开发了这一过程。销售和市场部副总裁Peter Gratschmayr展示MWES的专利增材制造技术．

在本次显示地板演示中，您可以看到螺旋桨在逐层过程中开始呈现形状。同一视频的后来镜头显示了在威斯康星州实验室的集成商的研发系统上造成的真实世界应用。

MWES将他们正在申请专利的系统命名为ADDere，这个词来源于拉丁语添加．该过程类似于金属丝和激光增材制造(WLAM)，金属丝被送入基片上激光束生成的熔池中。金属丝和基体因此形成了冶金结合。不同之处在于MWES使用的是热丝工艺。

MWES的总裁兼创始人Scott Woida解释说:“我们将金属丝加热到尖端熔化的程度。“由于金属丝已经熔化了，我们然后使用适当数量的激光功率熔化下面的基片，形成一个强大的键。你可以使用更少的激光功率，当你不试图熔化电线和基板。热丝可以让你获得更高的沉积，并向部件提供更少的热量。”

这个过程总是从基质开始。在螺旋桨的例子中，它是一个圆柱体。与其他组件，它可能是一个大钢板或块。

Woida说:“我们可以使用基片作为最终部分的一部分，或者我们可以将基片切掉，只使用焊珠制成部分。”“但我们必须先做点什么。它可以是八分之一英寸厚的钢板。”

电线和激光，加上机器人
该系统的主要组成部分包括高精度工业机器人、激光系统、集成MIG线和激光头以及MWES控制系统。该过程包括主动头部控制和动态沉积测量，以密切监控施工前、施工中和施工后的过程。

首先，将CAD数据导入CAD/CAM软件中，为添加过程做好准备。然后零件被“切”成层，机器人路径被离线生成。过程信息可以自动添加或手动操作。生成的路径和过程信息通过后置处理器转换并自动传递给机器人控制器。然后机器人执行程序，逐层构建零件。

应用程序包括:

• 原型
• 小批量生产
• 替换零件
• 重建表面
• 包层

ADDere系统使用六轴KUKA KR 90ha(高精度)长程机器人，提供了路径灵活性和大的工作范围。它与多轴部件定位器合并。Woida说2米× 8米× 40米的工作范围是可能的。

可实现的公差+/- 0.5毫米至+/- 1.5毫米，具体取决于沉积速率。后处理通常需要一些加工。添加剂过程产生硬化的材料形式，因此软金属也需要退火。

自由形式制造，减少浪费
系统的优点包括快速开发新的金属部件，在不增加模具成本的情况下快速更改设计，以及低初始生产成本。Woida说，它的主要优势之一是能够将多个部件组装成一个整体。

例如，GE航空将这一概念带到了整个新的水平，并为其先进的涡轮螺旋发动机提供了添加剂制造过程。通用电气的设计师能够将855个独立部件减少到只有12个．超过三分之一的引擎是3D打印的。

采用MWES的addere系统，固体自由形状制造允许在部分的不同区域上使用不同的金属来创建特定于应用的工程特性。当您希望将更昂贵的金属包覆具有更加异落的金属时，这是特别成本效益，以适用于高耐磨性等特殊性质。该过程还可以通过首先将部件加工到稳定的结构，然后将该部件建立在其原始状态下进行修理。

沃伊达说:“我们得到的性能类似于铸造，更接近于锻造。”“与减法相比，你浪费的基础材料更少，因为你是在接近净形状。”

线材添加剂制造也比基于粉末的AM工艺产生更少的浪费。Woida表示，它们的利用率达到了99%。

“当我们在制造组件的电线运行时，所有电线都最终习惯了，”他解释道。“导线浪费很少（与粉末金属AM工艺相反，过量粉末在路边落下并且需要回收）。唯一发生的事情就是你正在加工该组件的外部获得从你的近净形状到你的净形状。通常，您只需加工配合表面。您没有机器整个部分。“

对于演示单元中的螺旋桨，Woida说，在AM处理后，您可能只需要机器大约5%的部件。

他说，这也是基于粉末的AM处理速度的10倍。“我们现在可以用每小时32磅的不锈钢，这是一个14千瓦的激光。很快我们就有一个20千瓦的激光器了。

他补充说:“当这种材料的价值很高，而且真的很难加工时，这个过程是有意义的。”

不适合这个过程是小型部件，制造成本低的零件，以及需要从钢坯加工很少加工的零件。

沃伊达说:“当这个角色完成时，它就像铸件一样。”“你可以用机器加工零件，也可以用激光把外部磨平，使表面光洁度更高。但我们的很多客户对表面光洁度更感兴趣。”

高价值零件，稀有金属
addere系统可用作购买或作为制造服务的交钥匙产品。

“我们迄今为止正在迄今为止工作的零件基本上验证了我们可以将组件制作到他们的规格的客户，”Woida说。“批量生产尚未开始，但我们正在为客户提供样本集，以验证系统的能力。他们正在评估它们的质量，然后他们将从我们的大量购买，或购买系统。”

在上述视频的后半部分，可以看到MWES研发系统中正在测试的一个部件。这是一个1800磅重的航空母舰舱壁。与浪费宝贵的空间在船上的备件库存，想象一下能够使用增材制造来创建或维修零件，在海上的需求，而不是在船上。

ADDere增材制造系统应用于航空航天、传动系统、悬挂系统、海军、军事、石油和天然气、建筑、采矿和农业设备。最适合这些应用的材料通常是奇异的金属，如不锈钢、铝、钛、钴、铬镍铁合金和钨合金。

沃伊达说，他们在激光焊接方面的经验得到了回报。

“我们通常参与高度工程化的系统，所以我们接触了很多最新的技术，无论是最新的激光技术还是机器人技术。(兆瓦是一个通过RIA认证的机器人集成商)。在每天的基础上，我们设计的系统并不存在于目录中，而是高度工程化的。你需要很多不同的经验。你需要机械工程师，因为这些系统相当复杂。您需要软件人员使其易于在公开市场上销售。你需要机器人工程师来整合所有这些。你需要焊接工程师来验证和确保冶金性能达到预期。你需要很多人来把这些整合起来。”

混合激光焊接工艺，比如MWES增材制造系统，几年前刚刚进入我们的讨论，当时我们与林肯电气的混合激光专家讨论了最新的激光焊接技术机器人与激光焊接的完美结合．他对热丝在激光增材制造中的潜力感到兴奋。现在，它在美国的心脏地带发挥作用。

金属铸造
增材制造和机器人自动化也为金属铸造行业带来了一个全新的数字世界。这些技术再一次打开了设计工程师的眼界，让他们看到未来充满了新的可能性。首先，我们必须追溯到添加剂在麻省理工学院的起源，3D打印就是在那里诞生的。在20世纪90年代，麻省理工学院的学生Jim Bredt正在写他的博士论文，研究喷墨在粉末技术上的创造。

3D打印一词最初是用来描述间歇性的粉状材料层和液体粘合剂是如何在一个程序设计的模式中分配，以形成一个三维物体。布雷特说，这个词是他的论文导师创造的，最终被整个工业界采用。现在，3D打印通常可以与增材制造互换使用，它包含许多不同类型的流程。

Bredt是Massachusetts Woburn in Viridis3d的研发总监，在3D印刷业中近30年来，但他从未忽视他的初恋。他的一个特色是陶瓷，特别是金属铸造的模具。他一直对金属铸造感兴趣，甚至作为一个孩子。这可能有助于他进入麻省理工学院。在发现在高中时，大学在他的后院建造了一个铸造厂后，大学很感兴趣。

从麻省理工学院毕业后，Bredt于1995年帮助创办了Z公司。Z公司是第一个将基于喷墨的3D打印技术商业化的公司。Z Corp.随后被3D Systems收购，后者以其共同创始人的发明而闻名有限元．

Bredt最终离开了3D系统，在2010年推出了Viridis3D，在那里他渴望回到金属铸造。他们的目标是建造一台3D打印机器，它在可以加工的材料类型上更加通用，在工业上更加坚固，以应对铸造车间的苛刻工作。Viridis3D的新团队将目光投向了砂型铸造行业。

“您真正需要3D打印机的许多组件是您不能通过传统过程所做的事情，如核心，尤其是可以非常复杂的核心，”Bredt说。“它提高了您的过程的能力，使您可以在设计中采取更多的风险。您不必在工具上花费所有这些。如果您3D打印了一部分，这是一个失败，因为设计太脆弱了然后，你没有真正失去那么多。通过能够在您的设计中采取更多风险，它会扩展您可以使用该技术创建的几何形状的色域。“

打破模具
在重新设想制造东西的方式时，Bredt质疑3D打印机器是如何设计的。

Bredt解释说:“3D打印机基本上就是一个安装了材料分配器的机器人。”“当我们创建Viridis3D时，我问我为什么要尝试制作自己的机器人。我的专业是材料，不是机器设计。我为什么不买个机器人呢?然后我就可以专注于材料分配了。”

对于Viridis3D来说，在其3D打印系统中使用现成的工业机器人是一个重大突破。

“我们使用商业机器人是一个有趣的区别，”Bredtt说。“我们的竞争对手和大型使用龙门系统铺设了较重的印刷发动机。通过使用手臂而不是龙门系统，我们的打印头设计为轻，坚固耐用。”

他指出，任何运动控制系统都有其复杂性。

“它们各自构成了各自的挑战。在Viridis3D之前，我的整个职业生涯都在与龙门系统打交道，实际上我对机器人手臂非常满意。我们的成本很低，因为机器人非常经济。与我们对系统的需求相比，精度和负载限制非常高。”

3D打印与机器人
在研发机器人增材制造系统的同时，Viridis3D与EnvisionTEC(一家专业级3D打印解决方案的全球供应商)展开了合作。Viridis3D现在是一家全资子公司，可以继续资助进一步的开发。今年早些时候，Viridis3D将第一台机器人3D打印机RAM 123商业化。

观察RAM运行情况正如Bredt在这个视频中讨论的金属铸造行业的未来。

专利申请系统使用标准的四轴ABB IRB460机器人来制造用于铸造金属部件的砂模和核心。机器人配备有粉末材料进料器，该粉末材料进料器分配砂和打印头，该纸条将液体粘合剂分配到砂中。散布砂和分配粘合剂间歇性，机器人3D打印机通过层构建模具层。

打印头可能很重，尤其是装了沙子的时候。这就是为什么Bredt说四轴机器人比六轴机器人更受青睐，因为它有更大的承载能力。

他解释说:“这些打印元件只有在水平放置时才能工作。”“打印头在一个平面上移动，非常缓慢地上升。四轴是理想的，因为它们总是在一个平面上运动，至少在手腕上。它具有很高的承载能力，而且保持准确。”

Viridis3D的RAM系统有一个开放的架构。模具建在固定的桌子上。桌面是一个托盘，可以用叉车在机器上和下移动部件。

“竞争对手的机器使用一个固定大小的盒子来制造零件，”Bredt说。“我们的桌子是开放式的，所以你可以制作不同尺寸的部件，而不必用材料填满整个盒子。

“我们采用固定工作台的原因之一是，在Z公司的最后几年里，当我们在制造越来越大的机器时，我很清楚，很快基板的重量就会超过机器，”Bredt继续说。“我们使用的一些重型铸造砂，如果你填满了盒子，重量比机器还要重。”

它是如何工作的
这个过程从设计师创建一个CAD模型开始。上传。你用桌面软件打开它，它只是等待打印头按顺序请求模具每一层的数据。然后，它提前几层排队，逐层向机器人发送数据。

“我们的桌面软件类似于您的打印机管理器程序，将每个页面发送到打印机，”Bredt说。“除了这是3D，还有很多代数。”

Viridis3D的专有桌面软件负责获取CAD系统上创建的数据，并将其转换成机器代码，由机器人和打印头使用，以实际建造模具。在模具成型后，你可能需要等待一段时间，以等待化学反应使其凝固。然后把它从堆积在桌子上的其他沙子中取出来，刷掉，带到铸造厂。

“你可以把熔化的金属倒在它上面，它就像传统的模具一样工作，”Bredt说。“模具本身不能重复使用。砂料可以通过热处理来清理(从粘结剂中分离出来)，然后再次使用。留在桌子上的沙子，没有进入模具，可以直接舀起来，反馈到机器。”

交货时间短，节省空间
对于RAM系统的用户来说，主要的优点是他们可以在短的交货时间内报价零件。形状复杂的模具和型芯可以在不使用大量工具的情况下制作。数字化也更容易。Viridis3D的客户Trident alloy看到了机器人增材制造系统的未来。观看视频

Bredt解释说:“砂型铸造仍然是由老式的木模技术主导的，你拿一个盒子，把沙子压在木模上，形成一个特定形状的空腔。”然后你把它组装成一个模子来铸造。这是一个相对快速的制作模具的过程。事实上，它比3D打印机更快，但你必须有一个仓库，在某处保存模式。”

图案受损或错位。所有这些模式的库存空间成本继续上升。

布雷特说:“制模是一门正在消亡的艺术。”“有这些50年历史的模式的公司会派一个带着一罐Bondo的人来试着修复它。在某些情况下，他们只有图纸，或者可能他们必须对现有产品进行逆向工程。购买我们系统的人真的很喜欢转换到数字制造的选择，因为你摆脱了存储这些模式的开销。这是颠覆性技术接管旧技术的完美例子。”

Bredt说，他们正在将目光扩展到沙子以外的其他材料上，这些材料可以提供更高的分辨率，包括塑料粉末、陶瓷，甚至粉末金属。机器人将继续承担这一重担。

从复杂的几何形状和多材料部件，到多个组件合并成一个。加法制造和机器人技术将一起改变我们对制造的看法。