当机器人遇上3D打印——联手打造未来

图1 ：增材制造工艺使用一个安装有激光头和热丝沉积的机器人来通过层叠方式制造金属零件。图片来源： RIA

增材制造正在改变工程师和零件设计师的思维，

机器人技术的使用，

让增材制造设备和处理过程更快、更精确。

增材制造（也称为3D 打印）不仅仅转变了我们制造物品的方式，也在改变工程师和零件设计师的思维方式。他们必须忘记传统制造方式所规定的各种限制条件，并且打开思路寻求新的设计可能性。有了这些可能性，预计到2020 年增材制造工业可以突破170 亿美元。目前已经有几种不同的增材制造工艺，包括选择性激光烧结（SLS）、立体光刻（SLA）、以及熔融沉积造型（FDM）。

所有这些都使用数字化制造方法，通过计算机辅助设计（CAD）数据，使材料一层一层的叠加在一起来制造出3D 的物体，不管材料是液体、粉末、薄片，还是其他类型的材料，甚至也能使用人体组织。增材制造技术已被用来创造了无数的结构件，从口腔矫治器到先进的飞机部件、一整座大桥、到艺术品。

机器人有助于实现这一目标。机器人不仅仅让增材制造成为现实，它们还可以管理3D打印机（它们也是机器人），实现增材制造后期处理自动化，而且让设计师看到新构建方式的可能性。

逐 层 构 建

位于美国威斯康辛州的中西部工程系统公司（MWES）里，他们使用激光增材制造来创造复杂的金属部件，用其他方式来制造的话即便不是做不到，也会极其困难。一台六轴多关节机器人负责驱动该工艺，将热丝沉积和激光相结合，在现有的基板上逐层构建新的金属零件。金属原料需要精度和速度来进行沉积，进而制造出雏形以及小批量高价值的复杂零件。

拥有超过25 年的复杂系统集成专业经验的MWES 公司开发了这个工艺，并且在2016 年国际制造科技展上向外界进行了展示。在一个展厅演示中，在逐层工艺处理下，一台螺旋桨显现出其外形。

MWES 将其系统命名为ADDere，这个名字源自代表增加的拉丁语。该工艺与金属丝和激光增材制造类似，即将一根金属线装进一个由安装在基底上的激光束形成的熔化槽里。金属线和基底最终形成金属的结合体。区别就在于MWES 使用热丝工艺。

“我们将金属丝加热到其顶端开始熔化，”MWES 的董事长兼创始人Scott Woida 说道，“等金属丝已经熔化，接下来我们使用适量的激光能量将下面的基板熔化，从而形成一个坚固的结合体。如果你不想熔化金属丝和基板，那就可以使用更低的激光能量。热丝可以让你获得更高的沉积而且在零件上投入更少的热量。”

“我们既可以将基板作为最终零件的一部分，也可以将基板切除，并只保留由焊道构成的部分。”Woida说，“不过我们必须以每个物体开始。它可以简单到只是一个八分之一英寸厚的钢板。”

与 工 业 机 器 人 协 作

该系统的主要部件包括一台高精度的工业机器人、激光系统、集成的MIG 金属线和激光头、以及MWES控制系统。该工艺包括有效的激光头控制和动态的沉积测量，目的是制造过程前、中、后期对工艺进行严密的监测。

CAD 数据会导入到CAD/CAM软件中，该软件会准备增材工艺。之后零件会被“切”成很多层，然后离线生成机器人的路径。工艺信息可以自动加载，也可以手动操控。生成的路径和工艺信息会通过一个后置处理器进行翻译，然后自动传送到机器人控制器。接下来机器人执行程序并且逐层构建零件。其应用包括：

●  原型；

●  小批量生产；

●  零件更换；

●  表面再造；

●  覆层。

ADDere 系统使用一个六轴的长行程机器人， 它可以提供路径灵活性以及大的工作范围。它和一部多轴零件定位器组合在一起， 可实现2x8x40 米的工作范围。

根据沉积率的不同，可以实现的公差是+/- 0.5 毫米到+/- 1.5 毫米。后续处理一般需要一些机械加工。增材工艺制造出了材料的一个硬化形式，因此软金属还需要退火处理。

无 模 制 造 减 少 浪 费

增材制造系统的优势包括可实现快速开发新的金属零件，在不需要增加工具成本的前提下快速进行设计变更，以及生产的初始成本低。其中一项主要的优势是可以将多个半成品零件组合成一个整体。

举例来说，GE 航空部门利用这个概念并将其发展到全新的水平，将增材制造工艺应用于先进的涡轮螺旋桨发动机。GE 的设计师们可以将855 个零件减少到仅仅12 个，超过三分之一的发动机是通过3D 打印出来的。

有了MWES 的ADDere 系统，无模实体制造可以在零件的不同位置使用不同的金属， 从而创造出针对不同应用的特定的工程特性。如果你想使用更加稀有的金属来覆盖在相对经济的金属上面来达到一些特定的属性，例如高耐磨性，那么这种做法就特别经济有效。该工艺也可以用于修复，首先通过机器加工将零件处理到一个稳定的结构，然后再将该零件恢复到最初的状态。

“ 我们的产品性能与铸造类似，接近锻造的性能。”Woida 说，“与做减法的方式相比较，你浪费的基础材料更少，因为你建造的零件几乎和净成形一样。”

金属线材增材制造比基于粉末的增材制造工艺会减少对材料的浪费。Woida 说他们可以实现99%的利用率。采用金属线材进行增材制造，所有的原料最终都会被用来制造零件 “金属线浪费的非常少，相反，粉末金属增材制造工艺会有大量的粉末掉在走道上并且需要回收。唯一发生的事情就是你要给部件进行外部机械加工，让零件从接近的净形到达到你预期的净形。一般来说，你只需要对你的零件进行表面加工，不需要对整个零件进行机械加工。”他说。

采用金属线材增材制造工艺生产出的螺旋桨，在增材制造工艺之后，可能仅需对零件的5%进行机械加工。Woida 说其速度是基于粉末的增材制造工艺的10 倍。

“现在我们可以每小时放进去32磅的不锈钢，而那是在使用14 千瓦激光的情况下。很快我们会有一个20 千瓦的激光。如果材料价值很高而且真的很难机械加工，这个工艺就很有意义了。”他说。不适合这个工艺的是小部件、制造成本低的零件、以及对于坯料仅需要很少机械加工的零件。

“零件完成以后，其质量和铸造水平相近。”Woida 说，“为了实现更好的表面处理，你可以对零件机械加工，也可以使用激光来抛光表面。不过很多我们的客户对于功能性的兴趣要大于对表面处理的兴趣。”

图2 ：使用一套机器人激光增材制造工艺所制造的螺旋桨桨叶在最终加工之前显示了接近净形的样子。

高 价 值 零 件

对于采购或制造服务来说，ADDere 系统可以作为一个交钥匙产品。“我们现在加工的零件基本上对客户来说是有效的，我们可以按照他们的要求制造部件。”Woida 说，“大规模生产还没开始，不过我们为客户提供样品来验证系统的能力。他们会评估它们的质量然后从我们这里采购该系统。”

正在MWES 的研发系统中进行测试的部件是重达1800 磅用于航空母舰的舱壁。与其不得不在船运的时候因为备件而浪费宝贵的空间，想象一下在海上就能够根据需求使用增材制造制造或维修部件的好处。

ADDere 增材制造系统适用的应用场合包括航空、动车、悬浮、军舰、军事、石油天然气、建筑、采矿以及农业设备。最适合于这些应用的材料一般是稀有金属，例如不锈钢、铝、钛、钴、镍基合金、以及钨基合金。

Woida 说他们在激光焊接方面的经验正在收到回报。“我们通常参与经过高度工程设计的系统，因此我们有很多机会接触最新的科技，不管是最新的激光科技还是机器人科技。”他说，“每天我们都在设计一些产品目录中没有的系统，是经过高度工程设计的。你需要很多各个方面的经验。你需要机械工程师，因为这些系统是相当复杂的。你需要软件人员来是系统简单可行的，并且可以在开放的市场上进行销售。你需要机器人工程师来整合所有的部分。你需要焊接工程师来验证并确认其金属性能与所期待的性能一致。你需要很大一批人来将这一切都实现。”

改 变 金 属 铸 造 行 业

在新的数字化世界里，增材制造和机器人自动化也因为铸造工业而获得更多关注。3D打印技术是在90 年代由麻省理工学院的学生Jim Bredt 开创的，当时他正在准备博士论文，论文要求调查为粉末科技打造喷墨装置。

3D 打印这个词最早是用于描述，粉末材料以及液体粘合剂的中间层是如何在程序模式下被处理并形成一个3D 的物体。Bredt 说这个词最开始是由他的论文导师创造出来的，并最终被整个行业所采用。现在，3D 打印通常可以与增材制造互换使用，并包含许多不同类型的工艺。

Bredt 现在是位于美国马塞诸塞州沃本市的Viridis3D 公司研发部门总监，他已经在3D打印行业里工作将近30 年了，可是他从来没有丢弃他的“一见钟情”。从麻省理工学院毕业以后，Bredt 在1995 年帮助创建了Z 公司。Z公司以第一款基于喷墨的商业3D 打印技术而闻名。接下来Z 公司被3DSYSTEMS 公司收购了，后者的联合创始人投资于立体光刻技术。

Bredt 在2010 年离开了3D SYSTEMS公司并且创建了Viridis3D 公司，在这里他渴望重新回到金属铸造领域。其目标是建造一种3D 打印机，该机器在它所能处理的材料类型方面更加通用，更适应工业领域的应用，以应对铸造厂的严苛工作。Viridis3D 的团队关注砂模铸造行业。

“很多你真的需要3D 打印机才能制造的部件是那些你无法通过传统工艺制造出来的，特别是像砂芯这样的核心部件，这可能是非常复杂的。”Bredt 说，“通过在设计中承担更多的风险，它可以提升你的工艺能力。你不需要把所有的精力都花在工具作业上。如果你3D打印一个零件，因为设计问题而失败了，那么你并没有真的失去那么多。通过可以在设计中承担更大的风险，它扩展了你可以使用该技术创建几何图形的范围。”

图3 ：机器人增材制造系统使用了一套企业专有的3D 打印工艺来为金属铸造行业提供砂型和砂芯。

打 破 现 有 模 式

在重新构想制造方式的过程中，Bredt也在思考3D 打印机器是如何设计的。“3D打印机基本上是一个装有物料分配器的机器人。”Bredt 说。“在我们创建Viridis3D 的时候，我就问过我为什么要建造自己的机器人。我的专长是在材料方面，不是机械设计。我为什么不去买一部机器人？那么我就能专心在材料分配方面了。”

对于Viridis3D 公司来说，在其3D 打印系统中使用一部现成的工业机器人是突破竞争的主要手段。“我们使用商业的机器人是一项有意思的差异，”Bredt 说。“大多数我们的竞争者使用龙门系统来拉动他们重得多的打印引擎。通过使用机械臂而不龙门系统，我们的打印头设计轻巧、坚固、并且可靠。”

使 用 机 器 人 进 行 3D 打 印

尽管Viridis3D 的机器人增材制造系统正在开发过程中，但Viridis3D 已经与3D 打印解决方案供应商EnvisionTEC 开展了深入合作。。今年早些时候，Viridis3D 成功使第一款机器人3D 打印机RAM123 商业化。

系统使用了一部标准的4 轴机器人来创造砂型和砂芯，用于铸造金属零件。机器人配置了一个粉末材料给料器，用于分配砂子，还有一个打印头，用于在砂子内分配液体粘合剂。间歇地分布砂子并且分配粘合剂，机器人3D打印机逐层地构建模具。

打印头可能很重，特别是在装载了砂子以后。Bredt 说更喜欢4 轴机器人而不是6 轴机器人，因为前者的负载能力更大。

“这些打印组件只有在水平放置的时候才能正常工作，”他说，“打印头在一个平面上移动，并且慢慢的逐渐提高。4 轴是理想的，因为他们总是限制在一个平面内移动，至少腕部是这样的。它具有高负载的能力而且可以保持精确。”

Viridis3D 的RAM 系统有着开放的架构。模具是在一个固定的桌子上制成的。桌面上是一个托盘，通过叉车来使得零件可以在机器内外移动。

“我们的工作台是开放的，你可以制造不同尺寸的零件，而不需要用材料将整个盒子填满。”Bredt 说，另外，选用固定工作台的原因是，我们发现在建造越来越大的机器的时候，很快基底的重量就会超过机器的重量。

交 货 期 短 ，节 省 空 间

“制模工作是一个濒临绝迹的艺术，”Bredt说，“具有50 年模具的企业派出一个经验很少的人去尝试修复它。 在某些情况下，他们仅有的就是图纸，或者他们只能对现有产品做反向工程。购买过我们系统的人真的很喜欢可以切换到数字制造的选择，因为你可以去掉那些因为储存模具所需要的费用。这是颠覆性的科技取代老的技术的完美的案例。”

Bredt 说他们将选择材料目光放得更宽，不仅仅是砂子，其他材料会提供更高的分辨率，包括塑料粉末、陶瓷、甚至还有金属粉末。机器人会继续承担起负载。增材制造和机器人在一起会转变我们对于加工制造已有的思维模式。

关键概念

■增材制造转变了事物制造的方式，并且为工程师和零件设计师开辟了全新的设计可能性。

■机器人有助于增材制造，因为机器人更加精确、更加高效的特点使得它可以完成更加敏感的任务。

■增材制造和机器人自动化正在改变金属铸造行业，使其更加数字化、更加精确。

思考一下

机器人和增材制造还可以用于哪些其他的行业？

本文来自于《控制工程中文版》（CONTROL ENGINEERING China ）2018年9月刊《聚焦机器自动化》栏目，原标题为：使用机器人和增材制造联手打造未来。

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