机器人3D制造提供了更大的灵活性

机器人正在延长他们的范围。这些Multiaxis铰接器正在为新的高度，新的部分设计，更复杂和生产效率进行3D制造和制造。与系统集成以进一步扩展其覆盖率，它们的灵活性是无与伦比的。机器人几乎在添加剂制造（AM）中蔑视重力，在切割中处理复杂的几何形状，并与人类合作以提高复合材料上篮的效率。这是3D的未来。

机器人我走了很大

在几年内，机器人添加剂制造已经获得了显着的地面。从机器人激光熔覆和粘合剂喷射技术到激光热线AM过程在美国，在古老的焊接工艺的帮助下，机器人正在发展壮大。

3D打印已经是一个价值数十亿美元的行业，大部分活动都集中在用塑料和聚合物制造原型或小部件上。对于金属零件而言，机器人线弧增材制造(WAAM)是一种备受关注的增材工艺。

在机器人WAAM中，机器人配备了气体金属电弧焊(GMAW)焊枪，将金属丝逐层熔化成焊接珠，形成自由形状的3D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。

沿着公司克利夫兰总部的街道，林肯电气添加剂解决方案分部18个生产WAAM系统和一个激光热线系统。添加机器人和先进的运动控制与焊接技术提炼于一个世纪以来，添加剂解决方案团队为航空航天，汽车，海洋，采矿，建筑和石油和天然气行业生产大幅面金属3D印刷零件。遵循A.重大收购在美国，林肯电气还拥有巨大的加工能力，提供大型金属成品零件和模具。

“我们专注于以英尺和米，而不是米，而不是一英寸的大型零件，”林肯电气添加剂溶液的业务开发经理Mark Douglass表示。“这些部分中的一些重量数百甚至数千磅。”

完美的灵活性

仅受机器人的覆盖范围限制，金属部件和工具可以跨越6英尺。但机器人系统的灵活性使他们仍然更大。

“机器人的大益处是更大的灵活性 - 您可以使用和控制的轴数的灵活性，以及​​火炬到不同区域的可访问性 - 特别是与定位器一起使用时，”Douglass说。“当您使用带定位器的六轴铰接式机器人手臂时，我们在我们使用Skyhook定位器时，它们会给您提供大量的灵活性和无障碍，您无法备忘到。”

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

用户可以简单地通过将机器人移动到轨道上的不同位置来扩展机器人的覆盖范围机器人运输单位（RTU）与a连用定位器旋转或操纵部件的位置，以便与焊接炬有很大可访问性。

Douglass说，定位器也减少或消除了对支撑结构的需要。“特别是当你沉积熔化的金属时，如果你试图从部分的边缘向外延伸(称为悬垂），您只能进入到目前为止，直到重力抓住液体金属，克服了表面张力，并开始下垂。使用带定位器的机器人的美丽是您可以在开始构建悬垂功能时倾斜或甚至旋转零件。你旋转零件，所以你已经放下的材料成为下一层的支持结构。“

他说诀窍是这样做的，这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。

机器人和定位器之间的协调运动对于3D打印过程至关重要。规划软件和系统控制播放积分角色。

具有优势的机器人软件

该过程从要生产的部分的3D计算机辅助设计（CAD）模型开始。软件用于实际上将该部件切成一层。部分复杂，切片或层越多。

在WAAM过程中，这些层将包括多个金属焊珠。该软件必须确定焊接炬的最佳刀具路径，其随每个构建层而变化。

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。

“它不仅仅是协调，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。“

碰撞避免变得更加重要。通过添加过程，部分不断增长和变化。在此过程中，特定区域可能几乎没有任何材料，并且机器人可以自由地在该空间中移动。两个小时后，该部分的几个新层可以占用相同的空间。该软件必须考虑这些变更并相应地编程机器人，因此它不会进入开发部分。

总控制和快速转机

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

“因为我们制作了自己的电线和电源，我们知道弧形，焊接，冶金和过程，”Douglass说。“我们能够把它全部带到一起，在高质量的第一次获得零件。”

这些部件从制造航空航天用碳纤维部件的叠层模具，或工具模具行业的模具，到功能性金属原型，重工业的替换部件，以及像船舶螺旋桨这样的复杂部件。材料包括钢、不锈钢、青铜、铝和镍合金。

“我们的客户对添加剂的主要优势之一是周转时间，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，我们对整个过程有了很大的控制。同样重要的是，我们可以在几周内打印出一个价值数百甚至数千英镑的零件，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工具的交付时间比传统的制造方法快了几周。”

Douglass说，他们每天24小时运行，这是任何添加工艺的典型情况。这个过程一直持续到零件完成。3D打印零件所需的时间取决于零件的形状和复杂性。使用机器人WAAM，这个大型航空工具只花了6天就打印出来了。

在另一项应用中，500磅。叶轮花了大约一周的时间3D打印。因为叶轮上的叶片是空心的，这使得制造过程更加复杂。

“添加剂的一个好处是，你可以制造出用其他方法无法制造的组件。希望铸造空心叶片叶轮时好运。”道格拉斯说。

创建空心结构减少了零件的重量，打印所需的材料量，因此打印时间，这降低了生产成本。添加剂还允许集成内部结构，如模具中的冷却通道。

“尽可能地提供质量，特别是当您在24/7生产环境中运行多个系统时，”Douglass表示。“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。

机器人WAAM备件

与此同时，在荷兰，机器人正在塑造我们的添加剂未来。

荣耀使用机器人3D打印钢桥，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。

与之合作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。

“与基于粉末的技术相比，机器人WAAM能够更快，更大，更灵活和更实惠的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。”

利用工业机器人快速金属3D打印技术，重型设备制造商和销售商可以在内部制造零部件，甚至是机器人手臂。

3D切割在盒子外面

在大西洋的另一边，加拿大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。离市中心仅12英里的地方就是石溪社区，在这里，i - cube Industry Innovators Inc.以其机器人3D切割技术而闻名。

Automaton Integrator在2008年成立于2008年，与姐妹公司SouthPort Thermal Constence Inc.的设施，定制组件制造商，具有Waterjet切割技术的专业知识。另一部门销售品牌项目下的挤压铝产品。I-CUBED不仅为客户构建机器人系统，而且在他们的Southport工作商店中也使用它们。

“我们有大型六轴机器人，每天都有多个喷水头进行切割。i - cube的应用经理杰夫·马特尔(Jeff Martel)说。“我们使用工业机器人进行相对高精度的操作。”

i - cube专门从事机器人切割系统的设计、集成和离线编程，隔壁有一个生产“展厅”。除了机器人材料移除外，集成商还建立了机器人系统用于材料处理、机器护理和检查。他们还用机器人为建筑工业做混凝土结构的3D打印。

用于水射流，等离子体的机器人多功能性

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。

“在我们的商店里，我们有一个Kuka机器人，可以达到近10英尺的轨道，然后它在一个6米的轨道上，所以它的信封基本上是10乘24英尺长，这对于该行业来说是巨大的，”马克尔说。“如果您要使用大型信封购买机床，则授予它将更准确，但它将是价格约10倍。机器人允许您为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改主轴头的水射流，打印或其他过程，使细胞更多功能。水射流切割使用高压水流，有时在磨料水射流中混合磨料，切割各种材料，包括食品、织物、金属、石材、塑料、玻璃和复合材料。机器人waterjet.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。

“我们为喷气发动机（带有研磨水射流）做了很多飞机护罩轮辋，”马克尔说。“我们使用六轴机器人，护罩安装在一个位于水箱箱上的第七轴旋转，以捕获流。”

I-CUBED使用Waterjet机器人用于3D从航空航天部件和汽车地毯到热水浴池的一切。

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。

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。科技已准备好拯救它们．

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制造正在渗透每个行业部门。随着复合材料继续垂涎的高强度重量比，工业正在寻找自动化复合部件制造的方法。

3D综合汇编

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，复合材料因其结构强度和重量更轻而广受欢迎，有助于提高燃油效率并减少飞机排放。制造过程包括将几层碳纤维预浸料堆叠在一个轮廓表面上，以创建层压板。然后用热和压力将层压板固化，制成复合材料组件。

在模具或工具上的预浸料材料层上堆叠层的费力，称为叠层。两种主要类型的自动铺设工艺，自动化光纤放置（AFP）和自动磁带铺设（ATL），使用机器人或其他形式的自动化将窄胶带或纤维放在模具上。

对于具有更复杂几何形状的3D复合组件，铺设过程通常涉及大量的碳纤维预浸料材料。纸张叠加依赖于手工劳动力，需要一对工人，一个人能够在另一个工作人员帮助支撑和定位纸张上符合粘性薄片的灵巧的工作。为了打击手动上篮的人体工程学挑战并提高吞吐量，OEM正在寻找自动化过程的方法。USC的研究人员和机器人正在施用一只手。

在之前与洛克希德·马丁公司和联合技术研究中心合作的研究中，南加州大学的团队设计了一个完全自动化的单元，由三个机器人在一个相对简单的弯曲模具上处理薄板的堆积。

在最近波音公司的研究中君瑞工业研究所(RPI)，南加州大学团队设计了一个人-机器人协作细胞。在这种设置中，两个机器人握住薄板，同时一个人和第三个机器人一起工作以使薄板与模具一致，包括操纵薄板进入紧凹区域和模具的其他几何复杂区域。

这两个项目都是由ARM研究所其目标是通过机器人助手与人类一起工作，实现复合材料薄板的自动化，从而实现大规模生产，并为人类提供更符合人体工程学的工作条件。

人机协作

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，对保持社交距离的担忧又增加了一个挑战，因为手动叠床需要两人密切合作。

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。在全自动化机器人堆砌单元和人-机器人协同单元中，机器人之间的协调至关重要。首席研究员解释道。

麻省理工学院机械工程与计算机科学史密斯国际教授萨蒂安德拉·k·古普塔博士说:“如果有人要为机器人的每个动作编写所有代码，那么这个程序要花很长时间才能完成。苏尔维特比工程学院．“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。

传感器的进步及其新发现的负担性允许USC在其机器人上放入五个深度相机。“你可以想象，因为物理机器人单元格运行，在它运行数字双床的计算机中，”Gupta说。“那种方式，我们可以看到在单元格中应该发生模拟的预测，并且在电池中实际发生的是由传感器测量的。”

计算机视觉主要用于跟踪复合材料的位置。但板材的性能随着工艺的进展而变化。一旦床单从冰箱里拿出来，时间就开始倒计时了。环境温度和湿度会影响板材的性能。

人类非常善于适应这些变化，因为我们可以感觉到床单的粘性。机器人觉得这很有挑战性。

古普塔说:“目前，薄层工艺是设计在人类舒适的温度下工作的。”“这些过程的速度与人类一致。但机器人不必担心人类舒适的温度或速度。”

必须将片材升高到升高的温度以适当地符合模具。人类工人用热枪加热纸张，一次在局部工作，然后使用滚动工具将纸张与模具吻合。必须对片材和每层的每个部分重复该热卷工艺。

但是机器人不会出汗。在未来，全自动过程可以在较高的温度下运行，纸张更加符合。

“流程速度可能比三到四倍更快，”Gupta说。“在未来，当过程本身对机器人做得更加友好时，那么你会看到巨大的收益。”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。“

在具有越来越多的定制和部件复杂性的制造世界中，机器人可以很好地融为一起，这是成为常态而不是例外的高混合，低批量应用。随着直观的软件，AI和高级传感器，复杂的几何形状对于前所未有的控制不匹配。由于更大的灵活性和更多自由，机器人是3D的未来。

Tanya M. Anandan.是贡献编辑的推进自动化协会（A3），CFE媒体内容合作伙伴。本文最初出现在A3网站上．由Chris Vavra编辑，网页内容经理，控制工程，CFE媒体和技术，cvavra@cfemedia.com．