机器人3D制造用于无与伦比的灵活性

机器人正在扩展他们的触角。这些多轴牙合架将3D制造和制造推向了新的高度、新的零件设计、更高的复杂性和生产效率。与系统集成以进一步扩展其覆盖范围，其灵活性是无与伦比的。

了解机器人如何在附加制造（AM）中克服重力，在切割中处理复杂的几何图形，以及如何与人类合作提高复合材料铺层的效率。这就是3D的未来。

机器人AM大显身手

在短短的几年里，机器人增材制造已经取得了重大进展。从机器人激光熔覆和粘合剂喷射技术*到激光热线AM工艺现在的机器人在古老的焊接过程中有很大的帮助。

*更新:Viridis3D机器人仍在打印部件。在工作中观看这一点．

3D打印已经是一个价值数十亿美元的产业，其主要活动是用塑料和聚合物制造原型或小部件。对于金属零件，机器人丝弧增材制造(WAAM)是一种倍受关注的增材工艺。

在WAAM机器人中，一个机器人配备了气体金属电弧焊(GMAW)火炬，将金属丝熔化成连续的焊珠，一层一层地创建一个自由的三维形状。林肯电气公司在这项技术方面取得了大量的投资，所得到的部件尺寸和范围更加强大。

机器人丝弧增材制造一层一层地构建大型、自由形状的金属三维形状。(由林肯电气公司提供)

在该公司位于克利夫兰的总部所在的街道上，林肯电气添加剂解决方案部门拥有18套生产WAAM系统和一个激光热线系统。Additive Solutions团队将机器人技术、先进的运动控制与一个多世纪以来精炼的焊接技术相结合，为航空航天、汽车、海洋、采矿、建筑和油气行业生产大尺寸金属3D打印部件。后重大收购此外，林肯电气还拥有超大型机械加工能力，可提供大型成品金属零件和工装。

“我们专注于以英尺和米为单位测量的大型零件，而不是一英寸的千米米或级分，”林肯电气添加剂溶液的业务发展经理Mark Douglass说。“这些部分中的一些重量数百甚至数千磅。”

看看3D打印机器人是如何发展壮大的,在家里。

完美的灵活性

只受限于机器人的触及范围，金属零件和工具的跨度可达6英尺。但机器人系统的灵活性让它们可以做得更大。

Douglass说:“机器人技术的最大好处是更大的灵活性——在你可以使用和控制的轴的数量上的灵活性，以及火炬对不同部位的可访问性——特别是当与定位器一起使用时。”“当你使用带有定位器的六轴铰接式机器人手臂时，在我们的案例中，我们使用了天钩定位器，它们给你带来了很多灵活性和便利性，这是你在其他情况下无法获得的。”

机器人技术很容易扩展到更大的部件。“把机器人放到轨道上很简单。你也可以把机器人放在一个可移动的基座上。”

只需将机器人移动到轨道上的不同位置，或机器人运输单元(RTU)，与定位器旋转或操纵部件的位置以使焊枪易于接近。

定位器还减少或消除了对支撑结构的需要。道格拉斯解释道:

“特别是当你在沉积熔融金属时，如果你试图从边缘向外延伸(称为悬垂)，你只能走这么远，直到重力抓住液态金属，克服表面张力，它开始下垂。使用带有定位器的机器人的美妙之处在于，当你开始构建悬挑功能时，你可以倾斜甚至旋转部件。你旋转这个部分，这样你已经放置的材料就会成为下一层的支撑结构。”

他说诀窍是这样做的，使得重力对你不起作用。在添加过程后需要除去支持结构，因此减少它们减少了废物和额外的去除成本。

协调机器人和定位器之间的运动是3D打印过程的关键。规划软件和系统控制起着不可或缺的作用。

具有优势的软件

该过程从要生产的零件的三维CAD模型开始。软件被用来虚拟地将零件切成几层。零件越复杂，切片或层就越多。

在WAAM过程中，这些层将由多个金属焊接珠组成。软件必须确定焊枪的最优刀具路径，它随每个构建层的不同而不同。

大航空航天复合工具面板在3D打印后，带有机器人WAAM工艺和完成加工。(由林肯电气公司提供)

林肯电添加解决方案采用自己的专有SculptPrint™OS CAD-to-Path软件切片CAD模型，确定材料沉积的理想刀具路径，并优化每层的工艺参数。该软件还将机器人和机器人和定位器之间的运动进行编程。

“它不仅需要协调，复杂的运动控制来操纵机器人和定位器，也是理解过程的物理，能够在软件中正确建模，”Douglass说。“还有很多变量进入它。如果你在层中堆叠多个珠子然后数百或数千层，那么它很快就会变得复杂。“

避免碰撞变得更加重要。通过添加工艺，零件不断地增长和变化。在早期的过程中，在特定区域可能很少或没有材料，机器人可以在该空间自由移动。两个小时后，同样的空间可以被零件的新层所占据。软件必须考虑到这些变化，并为机器人编写相应的程序，这样它就不会进入开发部分。

总控制，快速转机

控制在这些过程的成功中扮演着重要的角色。林肯电气从开始到结束控制了整个过程。

“因为我们自己制造电线和电源，我们知道电弧、焊接、冶金和过程，”道格拉斯说。“我们能够把所有的东西结合在一起，第一次就能以高质量把零件做好。”

这些部件包括用于制造航空航天碳纤维部件的铺层模具，或用于工具模具行业的模具，功能金属原型，重工业的替换部件，以及复杂的部件，如船舶螺旋桨。材料包括钢、不锈钢、青铜、铝和镍合金。

“我们客户对添加剂欣赏的主要优势之一是周转时间，这通常比铸件快得多，”Douglass说。“随着铸件，很多工程和设计工作都在图解了如何倒出金属，其中金属在部分内固化并减少厚度变异性。各种各样的事情都弄清了模具设计。然后，在您对此感到满意之前，您可能必须进行夫妇迭代。

“有了添加剂，我们就能控制整个过程。同样重要的是，我们可以在几周内打印出几百英镑甚至几千英镑的零件，而这需要几个月的铸造时间。我们赢得了一些航空工具的工作，特别是因为我们完成的工具交付时间比传统的制造方法快了几周。”

Douglass说，他们24/7运行，这是任何添加剂过程的典型。该过程持续运行，直到零件完成。3D打印一个零件所需的时间取决于它的形状和复杂性。使用机器人WAAM，这个大型航天工具只需6天就能打印出来。

在另一个申请中，500磅重的叶轮花了大约一周到3D打印。因为叶轮上的刀片是空心的，所以使构建过程更加复杂。

“添加剂的一个好处是您可以使您无法做出的组件。良好的运气铸造空心叶片，“迪格拉斯说。

创建中空结构减少了部件的重量，打印所需的材料量，从而减少了打印时间，从而降低了生产成本。添加剂还允许集成内部结构，如冷却通道的模具。

“提供质量比它看起来更难，特别是当您在24/7生产环境中运营多个系统时，”Douglass说。“要在高品质的第一次做到这一点不是一件容易的任务。我们很难达到这一点。“

展望未来，他预计更杂交细胞。毕竟，机器人是诞生的多任务人员。使用先进的工具更换器，机器人可以在相同的单元格中进行3D打印并完成零件。WAAM的一个局限性是缺乏基于线的添加剂过程的标准或认证。由于标准是书面和采纳，Douglass希望市场在未来5年内爆炸。

与此同时，在荷兰，机器人正在塑造我们的添加剂未来。

机器人零件WAAM

荣耀使用机器人可以用3D打印出一座钢桥，基于阿姆斯特丹的初创公司现在跨越了工业景观。Metal 3D印刷公司MX3D正在使用机器人添加剂制造来证明3D印刷大型金属部件的优势，包括重型工业的零件。

将机器人丝弧增材制造技术应用于机械臂的优化制造，展示了机器人用于重工业零件快速金属三维打印的优越性(由MX3D提供，贷方：Merlin Moritz）

与RIA白金供应商合作ABB机器人学此外，该机器人臂用MX3D的WAAM技术和MetalXL CAD-to-Print软件的先进版本在不锈钢中印有3D，以构建复杂的几何形状。通过连续的24/7生产，可以在4天内印刷73千克重新入门部分。在组件连接的精度加工之后，在机器人上重新安装该部件以证明功能。

观看整个过程呈现形状．

“与基于粉末的技术相比，机器人WAAM能够更快，更大，更灵活，更实惠的3D金属印刷，”MX3D首席商务官RenéBackx说。“这允许快速，自动化的大型部分，通常需要大量的工具和海外生产，导致长期的交付时间和定制选项有限。”

利用工业机器人进行快速金属3D打印，可以让重型设备制造商和销售商自行制造零部件，甚至是机器人手臂。

3D切割框外

回到池塘的另一边，安大略省东南部的港口城市汉密尔顿是加拿大最大的钢铁和金属制造业的所在地。离市中心只有12英里的地方是Stoney Creek社区，I-Cubed Industry Innovators Inc.以其机器人3D切割技术而闻名。

该自动化集成商成立于2008年，与姐妹公司Southport Thermal Components Inc.共享设施，后者是专业的水射流切割技术定制组件制造商。另一个部门以Item品牌销售挤压铝产品。I-Cubed不仅为客户建造机器人系统，而且每天在Southport的工作商店中使用它们。

“我们整天都有大型六轴机器人切割多个水滴头。Homitles上有锭子的机器人，用电锯，具有等离子切割头的机器人，“I-Cubed的应用经理Jeff Martel说。“我们使用工业机器人进行比较高精度的操作。”

I-Cubed隔壁是生产“展厅”，专注于机器人切割系统的设计、集成和离线编程。除了机器人材料清除之外，积分器还建立了用于材料处理、机器看护和检查的机器人系统。他们还使用机器人为建筑行业做混凝土结构的3D打印。

机器人等离子体切割系统在半英寸厚钢管中切割复杂的3D图案。（由I-Cubed Industry Innovators Inc.提供）

机器人多用途水射流，等离子体

类似于机器人添加剂工艺，机器人与轨道和部件定位器结合的灵活性在切割应用的尺寸和范围中起着重要作用。

“在我们店里，我们有一个KUKA机器人，它能伸到近10英尺外，然后放在6米长的铁轨上，所以它有一个基本上10×24英尺长的信封，这对这个行业来说是巨大的，”Martel说如果你要买一个信封那么大的机床，尽管它会更准确一点，但它大约是价格的10倍。机器人技术使您能够以更实惠的价格制造非常大的信封机械。”

机器人还允许您轻松地更换主轴头的喷水，打印或其他过程，使细胞更多才多艺。

在工作中观看3D切割机器人从事水射流，等离子切割，零件到工具的加工和多轴铣削金属，泡沫，木材和复合材料。

水射流切割使用高压水流，有时与磨料水射流中的磨料混合，切割各种材料，包括食品、织物、金属、石头、塑料、玻璃和复合材料。机器人的排水将六个自由度与切割过程带来六个自由度，可通过钢和钛合金在各种角度厚的厚度切片。

马特尔说:“我们为喷气发动机做了很多飞机防护罩环(使用磨料水射流)。”“我们使用一个六轴机器人，将裹尸布安装在一个位于喷水水箱上方的第七轴旋转装置上，以便捕捉水流。”

I-Cubed公司使用水射流机器人进行3D切割，从航空零部件、汽车地毯到热水浴缸，无所不包。

双区机器人水射流细胞切割热水浴缸中的孔，用于喷射器和其他固定装置。（由I-Cubed Industry Innovators Inc.提供）

3D铣削和离线编程

编程Multiaxis 3D切割可以复杂。为了协调机器人的运动以及部件定位器的运动，I-CUBED使用机器人离线编程（OLP）软件。OLP软件消除了对令人统一的点对点机器人编程的需求。

看着这个“战士”和你一起生活I-Cubed的机器人碾磨细胞编程与robotmaster.OLP的软件。

I-Cubed还建立了一个机器人系统，帮助将Century-Old Stone Carvings带回加拿大议会山的生活。时间并不善待华丽的哥特式复兴特征和许多资本建筑的石灰石雕塑。科技正准备拯救他们．

一旦雕塑从3D模型完全数字化，机器人就可以从石头铣削。然后，艺术家雕塑家手工添加细节。随着这种巨大遗产恢复完成的时候，数百个内部和外部石材雕塑将被高科技工具和自动化更新。

机器人3D制造正在渗透到工业的各个领域。随着复合材料因其高强度重量比而继续被垂涎，工业界正在寻找自动化复合材料组件制造的方法。

3 d复合上篮

南加州大学（USC）的研究人员正在使用航空航天OEM，使机器人，人工智能，先进的运动控制和传感技术共同，以自动化制造复合空气结构的铺设工艺。

与金属材料相比，复合材料的结构强度和重量更轻，因此很受欢迎，它们有助于提高燃油效率，减少飞机排放。制造过程涉及到堆叠几层碳纤维预浸材料到一个轮廓表面，以创建层压板。然后用热和压力固化层压板，制成复合材料组件。

将一层又一层的预浸料堆放在模具或工具上的艰苦过程称为铺层。自动铺层工艺有两种主要类型，自动纤维铺层(AFP)和自动胶带铺层(ATL)，它们使用机器人或其他形式的自动化将窄胶带或纤维铺在模具上。看看美国宇航局的AFP机器人．

对于具有更复杂几何形状的三维复合材料组件，铺层过程通常涉及大片碳纤维预浸材料。铺板是手工作业，需要两名工人，一名工人负责将粘着的板材与模具协调，另一名工人帮助支撑和定位板材。为了应对手工铺层的人体工程学挑战和提高产量，oem正在寻找自动化过程的方法。南加州大学的研究人员和机器人也伸出了援手。

用于复合材料板材铺层的人类-机器人协作研究单元具有与人类一起工作的机器人助手，以提高制造复合材料组件的吞吐量和人体工程学(加利福尼亚大学礼遇

在先前与洛克希德马丁公司和联合技术研究中心合作的研究中，USC团队设计了一个全自动单元，由三个机器人在相对简单的弯曲模具上处理板材叠层。查看运行中的单元格．

在最近与波音公司的研究中伦斯勒理工学院（RPI），USC团队设计了一个人类机器人协作牢房。在该设置中，两个机器人在人和第三机器人一起工作以使纸张与模具共同地，包括操纵片材的凹入区域和模具的其他几何复杂性。看合作．

这两个项目都是由ARM研究所该公司的目标是实现复合材料薄板的自动化铺层，通过机器人助手与人类一起工作，实现大规模生产和更符合人体工学的工作环境。

人-机器人协作

作为手动过程，人工人员从人体工程学的角度发现纸张上篮挑战，也可以在将一致的质量从层到层保持一致。一些复合结构可能需要高达20张。片材的每一侧是俗气的，所以要支撑模具上方的纸张并没有过早地释放它是很重要的。人类通常在串联支撑，悬垂和符合纸张上的底层工具形状。

在全球大流行的情况下，当人工上篮需要两个人紧密合作时，对社会距离的关注又增加了一个挑战。

机器人解决了所有这些问题，但也带来了自己的一系列挑战。在全自动机器人叠层单元和人-机器人协作单元中，机器人之间的协调至关重要。首席研究员解释道。

Satyandra K. Gupta博士是南加州大学维特比工程学院机械工程和计算机科学史密斯国际教授，他说:“如果有人要为这些机器人的每个动作编写所有的代码，那么这个程序需要很长时间才能完成。”这就是人工智能的用武之地。机器人可以自己编程。”

Gupta的团队撰写了所有的软件，使机器人能够在上层过程中适应不确定性，并在需要时提出人类的帮助。这部分是为了实现计算能力的进步，这使得可以实际运行AI。

研究人员利用机器人技术、人工智能算法、先进的运动控制和计算机视觉设计了用于复合材料零件制造的智能、自动化单元。(由加州大学提供)

传感器的进步和他们新发现的可负担性使得南加州大学在他们的机器人上安装了五个深度摄像头。”你可以想象，当物理机器人细胞运行时，它在计算机中运行的是一个数字孪生体这样我们就可以看到模拟所预测的细胞内应该发生的事情，以及细胞内实际发生的事情，这些都是由传感器测量的。”

计算机视觉主要用于跟踪复合片的位置。但随着工艺的发展，板材的性能会发生变化。一旦被单从冰箱中取出，时间就开始滴答。环境温度和湿度影响板材的性能。

人类非常善于适应这些变化，因为我们可以感受到纸张的粘性。机器人发现这一具有挑战性。

古普塔解释说:“目前，薄片层工艺的设计温度对人类来说是舒适的。”“这些过程的速度与人类是一致的。但机器人不需要担心人类觉得舒适的温度或速度。”

板材必须提高温度，以适当符合模具。工人用热风枪加热板材，每次在局部小区域工作，然后使用滚动工具使板材符合模具。这种热轧工艺必须在板材的每一段和每一层重复。

但是机器人不会流汗。在未来，全自动工艺可以在更高的温度下运行，这样板材会更符合要求。

古普塔说:“流程速度可以提高三到四倍。”“未来，当这个过程本身变得对机器人更友好时，你就会看到巨大的收益。”

Gupta和项目的行业合作伙伴对技术的潜力感到兴奋。“我们已经证明它可以完成。现在它在很大程度上是为了实现技术，具有正确的用户界面和正确的可靠性。如果它不是为了大流行和航空航天袭击，我很肯定人们就会开始建立自己的内部细胞。需求现在落后，因此有一些不愿投资新技术。但每个人都相信这是未来。“

在一个定制化和零件复杂性不断增长的制造业世界里，机器人很适合高混合、低产量的应用，这些应用正成为常态，而不是例外。凭借直观的软件、人工智能和先进的传感器，复杂的几何形状无法匹敌前所未有的控制。机器人是3D的未来。为了更多的灵活性，更多的自由。