机器人

机器人3D制造提供了更大的灵活性

由于添加剂制造(AM),机器人正在进行新的方向,这是让它们在切割和与人类进行切割和协作以提高复合效率的复杂几何形状。

由Tanya M. Anandan 2021年7月30日
Courtesy: Lincoln Electric Company/A3

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。

AM机器人变大

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工艺在美国,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。

在位于克利夫兰的公司总部的街道上,林肯电气添加剂解决方案部门拥有18个生产WAAM系统和一个激光热线系统。将机器人技术和先进的运动控制与一个多世纪以来完善的焊接技术相结合,添加剂解决方案团队为航空航天、汽车、船舶、采矿、建筑和石油天然气行业生产大尺寸金属3D打印部件。后重大收购,林肯电气也具有巨型加工能力,可提供大型成品金属零件和工具。

“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。”

机器人丝弧添加制造制造大,完全自由形状金属3D通过层进行层。Courtesy: Lincoln Electric Company/A3

机器人丝弧添加制造制造大,完全自由形状金属3D通过层进行层。Courtesy: Lincoln Electric Company/A3

完美的灵活性

仅受机器人触手的限制,金属部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。

“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。”

用户可以通过简单地将机器人移动到轨道上的不同位置,或机器人运输单元(RTU),结合一个定位器旋转或操纵零件的位置,使焊枪更容易接近零件。

Douglass所述定位器还减少或消除对支持结构的需求。“特别是当你沉积熔融金属时,如果你试图从部分边缘向外延伸(被叫悬垂),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。

在3D打印过程中,协调机器人和定位器之间的运动是至关重要的。规划软件和系统控制起着不可或缺的作用。

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。“

大型航空航天复合材料模具面表显示后3D打印与机器人WAAM工艺和精加工。Courtesy: Lincoln Electric Company/A3

大型航空航天复合材料模具面表显示后3D打印与机器人WAAM工艺和精加工。Courtesy: Lincoln Electric Company/A3

避免碰撞变得更加重要。通过添加工艺,零件不断增长和变化。在这个过程的早期,在一个特定的区域可能没有什么材料,机器人可以在那个空间自由移动。两小时后,同样的空间被几层新的部件所占据。软件必须考虑到这些变化,并相应地对机器人进行编程,这样它就不会陷入开发部分。

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。

“带有添加剂,我们对这个过程有很大控制。同样重要的是,我们可以打印一部分,如果在几周内需要数千磅,那么铸件需要数千磅。我们赢得了一些这些航空工具工作的工作,专门是因为我们完成工具的交货时间比传统的制造方法快。“

Douglass表示,它们运行24/7,这对于任何添加剂过程典型。该过程连续运行,直到部件完成。3D打印所花费的时间取决于其形状和复杂性。使用机器人WAAM,这个大型航空航天工具只需6天即可打印。

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您可以使您无法做出的组件。良好的运气铸造一个空心叶片叶轮,“Douglass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加法未来。

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。”

具有工业机器人的快速金属3D打印可以允许重型设备制造商和卖家在内部制造备件,甚至是机器人武器。

采用机器人线弧增材制造(WAAM)技术制造优化的机器人手臂,展示了利用机器人快速金属3D打印重工业零部件的优势。Courtesy: Merlin Moritz, MX3D/A3

采用机器人线弧增材制造(WAAM)技术制造优化的机器人手臂,展示了利用机器人快速金属3D打印重工业零部件的优势。Courtesy: Merlin Moritz, MX3D/A3

3D切割盒外

回到池塘的另一边,安大略省东南部的汉密尔顿港口城市是加拿大最大的钢铁和金属制造业的所在地。市中心以外的12英里是Stoney Creek的社区,即I-Cubed Indody Innovers Inc.以其机器人3D切割专业知识而闻名。

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。

“我们整天都有大型六轴机器人切割多个水滴头。带有锭子的机器人,用电锯,电锯有等离子体切割头,“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 - 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。

水射精的机器人多功能性,等离子

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。

马特尔说:“在我们的店里,我们有一个库卡(KUKA)机器人,它可以伸到近10英尺外,然后放在6米长的轨道上,所以它的外壳基本上是10 × 24英尺长,这对这个行业来说是巨大的。”“如果你买一台有这么大信封的机床,就算它会更精确一点,但价格大约是它的10倍。机器人技术可以让你以更实惠的价格制造非常大的信封机械。”

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。礼貌:I-CUBED INDUTY INNONATORS INC./A3

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。礼貌:I-CUBED INDUTY INNONATORS INC./A3

机器人还允许您轻松更换水射流,印刷或其他过程的主轴头,使细胞更加多样化。Waterjet切割使用高压水流,有时与磨料水射流混合磨料,用各种材料切片,包括食品,织物,金属,石,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(带有磨料水射流)制造了很多飞机护罩边缘。”“我们使用六轴机器人,将护罩安装在位于喷水罐上方的第七轴旋转装置上,以捕捉水流。”

I-Cubed使用喷水机器人进行3D切割,从航空部件、汽车地毯到热水浴缸,应有尽有。

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。技术准备拯救他们

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。

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。礼貌:I-CUBED INDUTY INNONATORS INC./A3

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。礼貌:I-CUBED INDUTY INNONATORS INC./A3

机器人3D制造正在渗透到工业的各个领域。由于复合材料的高强度-重量比继续令人垂涎,业界正在寻找自动化复合材料组件制造的方法。

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。

将一层一层的预浸料堆砌在模具或工具上的艰苦过程称为堆砌。两种主要类型的自动铺层过程,自动纤维铺层(AFP)和自动胶带铺层(ATL),使用机器人或其他形式的自动化将窄胶带或纤维铺到模具上。

对于几何形状更复杂的3D复合材料组件,铺层过程通常涉及大片碳纤维预浸料。薄板的堆砌依赖于体力劳动,需要一对工人,其中一个工人完成将粘滞的薄板贴合到模具上的灵巧工作,而另一个工人帮助支撑和定位薄板。为了应对手工铺层的人体工程学挑战,并提高产量,oem正在寻找方法来实现这一过程的自动化。南加州大学的研究人员和机器人正在伸出援手。

在以前的研究期间,与洛克希德马丁和联合技术研究中心一起,USC团队设计了一个全自动的单元,具有三个机器人在相对简单,弯曲的模具上铺设纸张上篮。

复合板叠层的人体机器人协作研究细胞具有与人类一起工作的机器人助剂,以提高制造复合部件的吞吐量和人体工程学。礼貌:USC Viterbi / A3

复合板叠层的人体机器人协作研究细胞具有与人类一起工作的机器人助剂,以提高制造复合部件的吞吐量和人体工程学。礼貌:USC Viterbi / A3

在最近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。

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。

人体机器人协作

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。

在全球流行病中,对社会疏散的担忧在手动上篮需要一对人类紧密地工作时增加了另一个挑战。

机器人解决了所有这些问题,而且还有自己的一系列挑战。在全自动机器人铺设电池和人机协同细胞中,机器人之间的协调至关重要。牵头研究员解释道。

“对于某人为每个机器人运动编写所有代码,它将永远采用要创建的计划,”斯蒂曼德拉·普普塔,博士,史密斯国际机械工程与计算机科学教授苏尔维特比工程学院.“那就是AI进来的地方。机器人可以编程自己。”

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。”

研究人员设计了用于复合部件制造的智能,自动化单元,使用机器人,AI算法,先进的运动控制和计算机视觉。礼貌:USC Viterbi / A3

研究人员设计了用于复合部件制造的智能,自动化单元,使用机器人,AI算法,先进的运动控制和计算机视觉。礼貌:USC Viterbi / A3

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,因为我们可以感受到纸张的粘性。机器人发现这一具有挑战性。

“现在,钣金层工艺旨在在对人类舒适的温度下工作,”Gupta说。“这些过程的速度与人类一致。但是机器人不必担心对人类舒适的温度或速度。“

必须把薄片加热到较高的温度,以使其与模具完全一致。工人用热风枪加热薄板,每次在一小块区域内局部工作,然后使用滚动工具使薄板符合模具。这种热轧过程必须对薄板的每一部分和每一层重复进行。

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。“

在一个定制化和部件复杂性不断增长的制造业世界,机器人很适合高混合、低批量的应用,这些应用正成为常态,而不是例外。有了直观的软件、人工智能和先进的传感器,复杂的几何图形无法匹敌前所未有的控制。由于更大的灵活性和更大的自由度,机器人是3D技术的未来。

Tanya M. Anandan.是贡献编辑的推进自动化协会(A3)CFE Media的内容合作伙伴。这篇文章最初出现在A3网站上.由Chris Vavra编辑,网页内容经理,控制工程, CFE Media and Technology,cvavra@cfemedia.com.


Tanya M. Anandan.
作者生物:贡献编辑,机器人行业协会(RIA)