开发出3d打印复杂形状的机器人

在制造业中，传统工艺可能意味着成本增加、灵活性降低和生产进度减慢。虽然许多行业已经采用3D打印来帮助促进更快、更经济的生产，但城市有其局限性，特别是对于小批量产品。

南加州大学维特比工程学院航空航天与机械工程系博士候选人Yeo Jung Yoon说:“当涉及到复杂的几何形状时，例如多个曲率或困难的悬垂，对于传统的3D打印机来说，无论多么努力，打印这些零件都是非常具有挑战性的。”

Yoon和一组研究人员南加州大学维特比先进制造中心在过去的一年里，他们一直在用机器人来解决这个问题。该团队开发了一种机器人3D打印系统，可以替代传统的增材制造工艺，提高表面质量，缩短制造时间，增强最终产品的机械性能。从本质上讲，挤出机是一种帮助创建具有固定横截面轮廓的物体的工具，它被放置在机械臂的末端，将其转化为3D打印机。

再加上一种算法，该算法可以规划机器人打印特定部件的路径，该团队使用机器人系统实现了比传统3D打印选项更快的打印速度。与传统的3D打印件相比，最终产品的机械性能也更强，包括支持更高的负载和更大的刚度。

Yoon说:“因为机器人可以将沉积头(一种放置材料以构建零件的工具)定向到任何方向，在打印时将材料沉积在曲面上并改变构建方向，因此它们可以在提高打印质量的同时处理这些复杂的形状。”

建造一个3D打印机器人

增材制造技术是一种通过逐层添加材料来制造三维物体的技术，已被广泛用于降低制造成本和时间。然而，特别是对于更复杂的设计，例如具有曲率的设计，传统的3D打印技术可能会带来许多挑战，Yoon说。

通常，使用一种称为材料挤压的技术来构建3D部件;Yoon说，材料通过挤出机加热，然后一层一层地沉积在构建平台上。在传统的增材制造装置中，3D打印机仅限于x轴和y轴的运动，也就是上下或左右。

研究人员使用了六自由度的机械臂，它允许在旋转和定位方面的自由运动(相比之下，三自由度的机械臂只允许定位自由)。为了将这些手臂转换成打印机，研究人员制作了定制的挤出机——一个三喷嘴挤出系统，用于沉积材料——连接到手臂的末端。

通过这种设置，研究人员发现他们能够将材料纤维定向到所需的方向。Yoon表示，与传统的3D打印机相比，机器人打印机生产的零件表面光洁度好，层数少，机械性能增强(例如高刚度，峰值载荷高)。

研究人员展示了许多改进机器人装置的方法，以改进不同的打印技术。Yoon说，例如，使用三喷嘴挤出系统，其中一个挤出机打印支撑材料，另外两个打印不同分辨率的结构材料，可以显着缩短构建时间，并显着提高表面光洁度。

路径规划算法

为了成功地使用机器人3D打印机打印，路径规划——或绘制机器人构建原型的确切路线——是必不可少的。在没有它的情况下，考虑到机械臂的众多角度和自由度，碰撞和中断的可能性更大。

一旦成功实施，路径规划可以帮助节省材料，提高打印速度并减少能源使用。为了确保这种优化，研究人员生成了位置和工具角度序列，以优化机器人的打印路径或方法。例如，在凹面上打印时，有一种风险，即挤出机尖端会撞击基材或已经打印的结构，它留在通常的默认位置，这是垂直于表面的。因此，在路径规划中，可以考虑不同的角度。Yoon说，具有不同纤维方向的打印层还有其他好处:这个过程使输出更平滑、更强。

自动化行业

从成本和生产率的角度来看，航空航天和汽车公司都受益于增材制造。Yoon说:“公司过去需要很多零件来制造产品，但现在，有了3D打印机，制造同样的产品所需的零件要少得多。”

最终，这些公司希望实现制造自动化，而机器人是实现自动化的一个很好的解决方案。此外，当它们不用于3D打印时，它们可以用于其他任务，如精加工、组装和零件处理，Yoon说。

接下来，Yoon和他的研究人员想要研究如何让这个系统更智能。他们想用人工智能来提高准确性和效率。

“当你打印一个复杂的部件时，细丝之间可能会有间隙，或者相反，在一个点上积累材料。这是传统3D打印机和机器人3D打印机的共同问题。”Yoon说。“我们想要打印无缺陷的部件，首先安装一个相机，拍摄打印样品的照片，并记录这些缺陷产生的时间。这样我们就可以观察到不同的变量是如何影响这个过程的。”从相机收集的数据将有助于训练一种算法，以防止产生缺陷的条件，帮助打印更好的零件。

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