机器人系统辅助3D打印

激光天地导读：

增材制造和机器人应用在制造领域中正在急剧增长，机器人系统辅助增材制造也正被广泛应用。

近年来，增材制造和先进的机器人技术得到了发展，并被不同领域越来越多地使用，这从根本上改变了产品的制造方式。增材制造（AM）描述了一组通过逐层沉积材料来制造对象的过程，它在1980年代后期以快速原型设计的名义出现。该技术最初用于产生概念模型以讨论设计思想，用于形式和装配应用，或用于建筑或解剖模型的产生。材料仅限于几种聚合物，陶瓷和金属。逐渐地，技术从快速原型发展到快速加工，允许直接或间接制造用于注塑，热成型或吹塑应用或用于放电加工应用的电极的工具。最后，增材制造从快速原型制作或快速加工转变为快速制造，从而制造出最终的和功能齐全的产品。

3D打印无需工具即可生产几乎任何形状的物体。争对复杂的产品可以在一个单一的处理步骤中生产，从而省去了生产步骤，并且可以通过稍稍增加一些生产成本而加快了上市时间。此外，增材制造打破了传统的供应链，允许在需要时将产品生产到更接近使用点的位置，这限制了材料浪费，并改善了规模经济和交货时间。通过减少由迭代设计引起的工作量和计划影响，以及通过增加组织一致性以加快决策制定，它还大大减少了设计创建和原型制作之间的时间。增材制造已成功应用于众多领域，包括时装，航空航天，航空航天和国防，医疗保健和建筑。尽管最近的发展表明，AM系统在制造大型结构中的使用有所增加，但大多数商用AM机器都是三轴直角坐标机器人或龙门系统，其平台尺寸有限。根据物体的形状和尺寸，可能需要支撑结构，这会增加制造时间，材料消耗和制造成本。而且，三轴增材制造机器与严格的逐层制造方法相关联，从而创建具有典型阶梯效应的物体。

除了常规增材制造应用的所有优点和缺点外，多轴机器人操纵的制造方法被广泛用于焊接和拾取和放置任务，可提供更好的质量和一致性，最高的生产率，重复性任务的安全性和可靠性。降低了劳动力成本。机器人的灵活功能可满足制造的动态需求。多轴机器人系统和增材制造技术的组合使用为多轴增材制造和在不同制造环境中制造复杂几何形状提供了可能性。

材料挤压是一种增材制造技术，其中材料通过喷嘴或孔口选择性沉积。斯科特·克鲁普（Scott Crump）以融合沉积模型（FDM）的名义开发的这项技术通过将材料（通常是长丝形式的热塑性聚合物）通过计算机控制的喷嘴挤出到XY平台中来制造零件。在Crump的最初工作之后，该技术得到了进一步发展，不仅可以加工长丝形式的材料，还可以加工托盘形式的材料。目前，挤出头可分为压力辅助技术和螺杆辅助技术，可印刷多种聚合物材料，聚合物基复合材料，混凝土，食品和生物材料。大多数基于机器人辅助挤出的系统正被用于生产自由形式的有机形状，为设计目的构建结构元素，并且通常是大型物体。

下图展示了使用ABB机器人来控制基于长丝的挤出印刷头（图1a）；使用称为Robot Studio（由ABB开发）的计算平台进行工艺制造仿真，优化和可视化（图 1b）；生产了ABS零件（图 1c），但是该系统可以扩展到其他材料，例如使用碳纤维生产复合零件。

图1.（a）由ABB机械臂控制的基于细丝的打印头；（b）RobotStudio平台；（c）印刷的聚合

美国密歇根大学的研究人员使用机器人挤压系统，使用热塑性弹性体（TPE）制成了整体式弹性网。螺杆辅助挤出机头安装在七轴KUKA机器人上，与类似FDM的系统相反，该材料以托盘形式提供，在所用材料的范围，功能定义和特点方面具有很高的通用性材料特性（图2）。该系统是Infundibuliforms项目的一部分，旨在开发轻型动力学表面，以最少的材料创建可重构的空间围栏。机器人系统的高度自由度允许在没有支撑结构的情况下制造复杂的物体，从而提高了精度，减少了后处理步骤并最大程度地减少了材料浪费。

图2. 七轴KUKA机械臂的类FDM系统，（b）FDM打印头，（c）TPE净沉积

图3.（a）ABB Robotstudio的陶瓷印刷（b）热固性聚合物印刷

由于建筑构件的尺寸和形状，在建筑设计和建筑领域中，使用多种材料对机器人辅助挤压进行了广泛的研究。受到蜗牛壳建造过程的启发，Felbrich等人。使用ABB机器人和两个泵一起使用混凝土和软木塞的不同组合来创建功能分级的混凝土元素（图4）。目的是开发具有提高的热效率，最小化混凝土量并减少建筑元素对环境的影响的建筑元素。该代码是使用可视化编程语言草hopper插件HAL生成的，该工具将刀具路径信息与所需的材料成分结合在一起。

图4。混凝土软木AM系统：（a）机器人控制器，（b）ABB示教器，（c）Arduino开发的模块，（d）功能分级的挤压组件，（e）混凝土泵，（f）ABB机器人。

机器人辅助制造系统也为现场制造开辟了新路线，从而在生产平台的约束之下扩展了机器人制造过程。受蜘蛛丝的几何形态启发，旨在提高建筑结构的结构性能，来自同济大学的研究人员（中国）使用了类似FDM的打印头和6轴KUKA机械臂（图5）。他们开发了一种基于主曲线结构和辅助曲线与主曲线接触的组合的策略，而不是使用常规的逐层沉积方法。为了同时打印主曲线和辅助曲线，设计了一个原理喷嘴和三个辅助喷嘴来打印ABS材料。

图5.（a）电缆机械手系统，（b）最终泡沫产品

图6.（a）具有6轴KUKA臂的机器人系统（b）用于主曲线和辅助曲线的打印