用机器人增材制造构建未来

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件设计师的思维方式。他们必须忘记传统制造方法带来的限制，并开拓新的设计可能性。这些可能性预计将使AM行业在2020年达到170亿美元。AM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，通过使用计算机辅助设计(CAD)数据，通过添加一层又一层的材料，无论是液体、粉末还是薄片，还是其他类型的材料，来制造一个3d物体。甚至人体组织也可以被使用。AM被用于创造无数的结构，从牙科设备，到先进的飞机部件，整座桥，甚至是艺术品。

机器人让这一切成为可能。机器人不仅使增材制造成为可能，它们还在发展3d打印机器(也是机器人)，自动化AM后处理，并允许建筑师设想新的建造方式。

一层一层地

在威斯康辛州沃基夏的中西部工程系统公司(MWES)。在美国，他们正在使用激光AM制造复杂的金属部件，否则这些部件即使不是不可能制造，也是极其困难的。一个六轴关节机器人驱动这一过程，将热丝沉积和激光结合起来，在现有的基板上一层一层地制造金属零件。奇异金属以精确和快速的速度沉积，以构建原型和小批量高价值的复杂部件。

MWES将其在复杂系统集成方面超过25年的专业知识用于开发这一工艺，并在2016年国际制造技术展上公布。在展示现场的演示中，一个螺旋桨在一层一层的过程中成型。

MWES将他们的系统命名为ADDere，这个词来源于拉丁语，意思是添加。该过程类似于金属丝和激光增材制造(WLAM)，将金属丝放入由基片上的激光束产生的熔池中。导线和衬底因此形成冶金结合。不同之处在于MWES使用热线流程。

“我们将金属丝加热到尖端熔化的程度，”MWES的总裁兼创始人斯科特·沃伊达(Scott Woida)说。“由于电线已经熔化了，然后我们使用适量的激光功率熔化下面的基板，形成牢固的粘合。你可以使用更少的激光功率，当你不试图融化电线以及基板。热丝可以让你得到更高的沉积，并减少对零件的热量。”

这个过程总是从衬底开始。在展示现场演示螺旋桨时，它是一个圆柱体。

Woida说:“我们可以使用基板作为最终部件的一部分，或者我们可以切割基板，只使用焊接珠制成部分。”“但我们必须有所行动。它可以简单到只有八分之一英寸厚的钢板。”

电线和激光，还有机器人

该系统的主要部件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，以便在构建之前、期间和之后密切监视该过程。

首先，CAD数据被导入CAD/CAM软件，在那里为添加工艺做好准备。然后将该部件“切片”成层，并离线生成机器人路径。流程信息可以自动添加，也可以手动操作。生成的路径和过程信息通过后置处理器进行转换，并自动传输到机器人控制器。然后机器人执行程序，一层一层地构建零件。

应用程序包括:

• 原型
• 小批量生产运行
• 替换零件
• 重建表面
• 包层。

ADDere系统采用六轴长臂机器人，提供了路径灵活性和大的工作范围。它与一个多轴零件定位器合并。Woida表示，2 × 8 × 40米的工作范围是可能的。可实现的公差为+/- 0.5到+/- 1.5毫米，取决于沉积速率。后处理通常需要一些加工。添加过程会使材料硬化，所以软金属也需要退火。

自由曲面制造减少了浪费

该系统的优点包括快速开发新的金属部件，快速设计更改而不增加模具成本，以及较低的初始生产成本。Woida表示，该系统的主要优势之一是能够将多个部件组合成一个整体。

例如，GE航空公司将这一概念带到了一个全新的水平，其先进涡轮螺旋桨发动机的AM工艺。通用电气的设计师能够将855个独立的部件减少到12个。超过三分之一的发动机是3d打印的。

使用MWES的ADDere系统，固体自由曲面制造允许在零件的不同区域使用不同的金属，以创建特定于应用的工程特性。当你想用一种更奇特的金属覆盖一种更便宜的金属，以获得特定的性能，如高耐磨性时，这是特别划算的。该工艺也可用于维修，首先加工一个部件到一个稳定的结构，然后将该部件建造到其原始状态。

Woida说:“我们得到了类似铸造的特性，更接近锻造。”“与减法相比，你浪费的基础材料更少，因为你的建筑接近净形状。”

线材AM也比基于粉末的AM工艺产生更少的浪费。Woida说他们的利用率达到了99%。“当我们为制造我们的组件而运行电线时，所有的电线最终都被用来制造那个部件，”他说。“金属丝的浪费非常少(与粉末金属AM工艺相反，多余的粉末被丢弃在路边，需要回收)。唯一发生的事情是你在加工这个部件的外部从你的接近净形状到你的净形状。通常情况下，你只加工匹配的表面。你不需要用机器加工整个零件。”

对于演示单元中的螺旋桨，Woida表示，在AM工艺之后，您可能只需要加工大约5%的部件。他说，这也是基于粉末的AM工艺的10倍。

“我们可以减重32磅。每小时消耗不锈钢的能量，而且是用14千瓦的激光。很快我们就会有一台20千瓦的激光器。当这种材料价值很高，很难加工时，这个过程是有意义的，”他说。

不适合这种工艺的是小部件，制造成本低的部件，以及从坯料中加工的部件。

“当这个角色完成时，它有一种铸造的品质，”沃伊达说。“你可以用机器加工零件，也可以用激光打磨表面，以获得更好的表面光洁度。但我们的许多客户对表面光洁度不太感兴趣，他们更感兴趣的是功能。”

高价值零件，外来金属

ADDere系统可作为交钥匙产品购买或作为制造服务。

Woida说:“到目前为止，我们正在研发的部件基本上是对客户的验证，证明我们可以按照他们的规格制造组件。”“大规模生产还没有开始，但我们正在向客户提供样品，以验证系统的能力。他们会评估产品的质量，然后从我们这里大量购买，或者购买系统。”

其中一个在MWES研发系统中进行测试的部件重达1800磅。航空母舰的舱壁。与其在船上浪费宝贵的备件库存空间，想象一下能够在海上使用AM按需创建或修复部件。

ADDere AM系统应用于航空航天，传动系统，悬挂，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外来金属，如不锈钢、铝、钛、钴、铬镍铁合金和钨合金。Woida表示，他们在激光焊接方面的经验正在得到回报。

“我们通常参与高度工程化的系统，所以我们有很多最新的技术，无论是最新的激光技术还是机器人技术，”他说。“在日常生活中，我们设计的系统并不存在于目录中，它们是高度工程化的。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。你需要做软件的人来让这个在公开市场上销售变得简单可行。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并确保冶金性能符合要求。你需要很多人把它团结起来。”

金属铸造

AM和机器人自动化也为金属铸造行业带来了一个新的数字世界。3d打印技术于20世纪90年代在麻省理工学院诞生，当时的学生吉姆·布雷特正在写他的博士论文，研究粉末喷墨技术的发明。

3d打印一词最初是用来描述粉末材料和液体粘合剂的间歇层是如何以编程模式分布以形成3d物体的。Bredt说，这个词是他的论文导师创造的，最终被整个行业所采用。现在，3d打印经常与AM互换使用，并包含许多不同类型的过程。

Bredt是马萨诸塞州沃本市Viridis3D公司的研发总监。他在3d打印行业工作了近30年，但他从未忘记自己的初恋。他的专长之一是陶瓷，特别是金属铸造的模具制作。他从小就对金属铸造感兴趣。这可能帮助他进入麻省理工学院。这所大学对Bredt很感兴趣，因为他在高中时在后院建了一个铸造厂。

布雷特从麻省理工学院毕业后，于1995年帮助创办了Z公司。Z Corp.被认为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系统公司收购，后者的联合创始人发明了立体光刻技术。

Bredt在2010年离开了3d系统公司，创建了Viridis3D，在那里他渴望回到金属铸造行业。他们的目标是建造一台3d打印机，它可以加工的材料类型更通用，在工业上更坚固，以应对铸造工作的严格要求。Viridis3D团队专注于砂型铸造行业。

Bredt说:“很多你真正需要3d打印机的部件是你不能用传统工艺制造的，尤其是核心，它可能非常复杂。”“它增加了您的流程的能力，使您可以在设计中承担更多风险。你不需要在工具上花那么多钱。如果你3d打印了一个零件，因为设计太脆弱而失败了，那么你并没有损失那么多。通过在设计中承担更多风险，它扩大了你可以用该技术创造的几何形状的范围。”

打破常规

在对制造方式的重新构想中，Bredt质疑3d打印机是如何设计的。Bredt说:“3d打印机基本上是一个机器人，上面装有一个材料分发器。”“当我们创建Viridis3D时，我问自己为什么要尝试建造自己的机器人。我的专业是材料，不是机械设计。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3d打印系统中使用现成的工业机器人是在竞争中取得的重大突破。

“我们使用商业机器人是一个有趣的区别，”Bredt说。“我们的竞争对手基本上使用龙门系统来拖拽他们更重的打印引擎。通过使用手臂代替龙门系统，我们的打印头设计得更轻、坚固、可靠。”

他指出，任何运动控制系统都有其复杂性。

“他们每个人都有自己的挑战。在Viridis3D之前，我的整个职业生涯都在使用龙门架系统，实际上我对机械臂非常满意。我们的成本很低，因为机器人很经济。精度和负载限制相对于我们的系统需要是非常慷慨的。”

机器人3d打印

在机器人AM系统的开发过程中，Viridis3D与3d打印解决方案提供商EnvisionTEC合作。现在Viridis3D是一家全资子公司，可以继续为进一步的开发提供资金。今年早些时候，Viridis3D将第一台机器人3d打印机RAM 123商业化。

该系统使用标准的四轴机器人来创建铸造金属零件的砂型和芯。该机器人配备了一个粉状材料给料机，用于分配沙子和一个打印头，用于将液体粘合剂分配到沙子中。机器人3-D打印机间歇性地撒砂和分发粘合剂，一层一层地构建模具。

打印头可能很重，特别是当装载沙子时。Bredt说，四轴机器人比六轴机器人更受欢迎，因为它有更大的负载能力。

“这些打印元件只有在水平放置时才能工作，”他说。“打印头在平面上移动，并逐渐上升。四轴是理想的，因为它们总是被限制在一个平面上，至少手腕是这样。它具有高负载能力，并且保持精度。”

Viridis3D的RAM系统具有开放的架构。模具建在一个固定的桌子上。桌面是一个托盘，可以用叉车将零件移上或移下机器。

Bredt说:“我们的设计是一个开放式的工作台，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。”“我们使用固定工作台的原因之一是，在Z公司的后期，当我们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。我们使用的一些重型铸造砂，如果你装满盒子，它比机器还重。”

它是如何工作的

这个过程从设计师创建一个CAD模型开始。一旦上传，它就会被桌面软件打开，等待打印头按顺序请求模具每一层的数据。然后，它会提前几层排队，一层一层地向机器人发送数据。

“我们的桌面软件类似于你的打印管理程序，它将每一页都发送到打印机，”Bredt说。“只不过这是3d的，涉及到很多代数运算。”

Viridis3D的专有桌面软件负责获取CAD系统上创建的数据，并将其转换为机器人和打印头实际构建模具所使用的机器代码。在模具建成后，你可能需要等待一段时间，让化学反应使其凝固。然后把它从堆在桌子上的其他沙子中拿出来，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。砂子材料可以经过热处理以清理干净(将其与粘合剂分离)，然后再次使用。留在桌子上的沙子没有被制成模具，就可以被舀起来，然后反馈到机器中。”

交货时间短，节省空间

对于RAM系统的用户来说，主要的优势是他们可以在较短的交货时间内报价零件。形状复杂的模具和芯可以在不需要大量工具的情况下制造出来。数字化也更容易。

Bredt说:“砂型铸造仍然是由古老的木模技术主导的，你拿一个盒子，把沙子压在木模上，做出某种形状的型腔。”“然后你把它组装成一个模具来铸造。这是制作模具的一个相对快速的过程。事实上，它比3d打印机更快，但你必须在某个地方有一个仓库来保存这些模式。”

模式会被损坏或放错地方。库存所有这些模式的仓库空间成本继续上升。

“制版是一门正在消亡的艺术，”Bredt说。“有50年历史的公司会派人拿着一罐邦多(Bondo)巧克力来试着修复它。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切换到数字制造的选择，因为你摆脱了存储这些模式的开销。这是颠覆性技术取代旧技术的一个完美例子。”

Bredt说，除了沙子，他们还将目光投向了其他分辨率更高的材料，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任。AM和机器人技术将一起改变我们对制造业的看法。

Tanya M. Anandan是特约编辑机器人工业协会(RIA)和机器人在线．RIA是一个非营利性的行业协会，致力于通过机器人技术和相关自动化来提高北美制造业和服务业的区域、国家和全球竞争力。本文最初发表于RIA网站．RIA是CFE媒体内容合作伙伴推进自动化协会(A3)的一部分。由制作编辑克里斯·瓦夫拉编辑，控制工程， CFE传媒，cvavra@cfemedia.com．

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www.globalelove.com关键词:机器人，增材制造

关键概念

加法制造正在改变事物的制造方式，并为工程师和零件设计师提供了新的设计可能性。

机器人帮助增材制造变得更加精确和高效，并允许它执行更敏感的任务。

加法制造机器人自动化正在改变金属铸造行业，使其更加数字化和精确。

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