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智能机器人技术将撬动巨大的3D打印市场

发表于:2019-10-21 15:13 作者:新闻小编 来源:新闻小编

  一、3D打印概述

  现在3D打印非常流行,是一个大家热议的词汇。我们先来认识一下3D打印,从字面来看,它就是三维立体打印的意思。目前,我们熟悉的平面打印机只能在纸上打印文字或图形,都没有高度,而3D打印可以打印一个立体的物品。所用的材料也可以选择,包括塑料、尼龙、木质、砂子、树脂、金属等,尺寸可以与完全一致,也可以按比例打印,实现了从设计图形数据直接生产实物的快速制造。举例来说,普通的平面打印机只能打印一个水杯的照片,而3D打印机可以打印一个真实的水杯,可以拿这个水杯喝水。

  虽然3D打印是新概念,但并不是一个新技术,因为从上世纪八十年代开始,国内外各研究院所就已经开始研究,其专业术语里称为快速成型或快速制造(英文简称RP)。现在也有人称之为增材制造,这个说法是从3D打印的特殊制造方式而提出来的。

3D打印

  确实,增材制造与传统的制造存在很大的区别。例如:传统制造技术一般都是通过下料或制造辅助的模具来形成毛坯件,然后再进行大量的后续机械切削加工,最终满足实用的尺寸要求。从各种型材坯料或铸锻毛坯件到成品,会采用各式各样的加工手段,但基本原理都一样--去除材料以获得尺寸要求,称为减材制造。而3D打印采用不同的工艺,即采用增材堆积的措施,根据最终尺寸要求在一块基板上进行材料的堆积,堆积成型的零件直接使用,或者成型零件的表面进行微量加工,提高表面光洁度后即可使用。相比传统制造工艺,3D打印具有很多优势,包括:

  1、材料总体利用率高;

  2、无需开模,制造工序少,周期短;

  3、可制造复杂结构的零件,如内部随形流道;

  4、根据力学性能要求自由设计,不用考虑制造工艺。

  就目前3D打印实现方式分析,主流的打印效率大约是0.1~2公斤/小时,其打印速度不高,通常用于单件或小批量零件的快速制造,免去开模费用和时间。虽然3D打印不适合于批量生产,但可以制造用于批量生产的各种模具的快速制造。

  那么,3D打印如何实现的呢,上面我们谈到了堆积法,是的,3D打印技术就是逐层堆积材料的方式,获得立体的实物。

  首先,通过扫描仪或电脑制图软件获得需要打印物体的三维数据,然后将数据导入3D打印机,用专用软件进行分层处理,每一层形成二维图形数据,然后专用软件根据每一层的二维图形数据进行线扫描或点打印路径规划和自动编程,形成打印机识别的数控G码程序,然后打印机启动这些程序,进行逐点逐线逐面打印,直到完成实物的成型。基本思路就是先将虚拟数据离散化处理,然后将离散数据用打印机变成实体,技术路径分解描述如下:

  3D体数据--2D面数据--1D线数据--0D点数据--G代码--打印头扫描--0D点成型--1D线成型--2D面成型--多层堆积3D立体成型。例如,金属叶片的3D打印技术路线如下图。

3D打印

  金属叶片3D打印技术路线图

  二、金属3D打印技术应用及现状

  最初3D打印技术的主要应用是原型制造,将设计三维模型转化为实物,进行设计结构的验证,这种3D打印零件属于非功能性的模型,使用的材料主要是纸张、塑料和胶水;随着3D打印技术的成熟,近几年国内外很多机构开始尝试直接打印零件,即3D打印带有功能性的实物零件,使用的材料包括金属、高分子和陶瓷材料等。从技术难度上分析,功能性的实物制造比模型制造更难,一方面因为实物制造增加了对内部缺陷的要求;另一方面因为金属等材料的成型温度更高(熔化温度比塑料高约10倍),耐高温的打印头设计更复杂,而且凝固时产生很大的内应力,容易出现开裂、变形、气孔等现象,成型工艺比较复杂。

  当然,目前大家关注的3D打印主要是具有功能性的实物制造,其中,金属零件的3D打印是最大的热点。

  目前,金属零件的3D打印主要应用领域是航空、航天、军工、模具制造及医疗领域,用于这些领域共同特点就是个性化、小批量的快速制造。相对来说,医疗行业3D打印的应用发展速度较快,而其他领域发展较缓慢,主要原因是医疗领域充分利用了3D打印个性化制造的特点,对3D打印产品的机械强度和效率等要求较低,其他领域都对打印零部件的内部质量、机械强度、成型速度、配合精度均提出高要求。

  从金属3D打印实现方式分类,主要有两种,分别是烧结式和熔覆式。采用激光烧结成型工艺的3D打印典型的国外公司包括德国的EOS、concept、SLM等公司,英国的雷尼绍公司,日本matsuura公司;中国的华中科技大学滨湖机电公司、华南理工大学;采用电子束烧结成型工艺的瑞典的ARCAM公司,中国的北京航空制造研究所(625所),这类产品主要优点是成型的精度较高,缺点是成型速度低,成型尺寸限制在300mm左右;主要应用于医疗和小型模具制造。

  采用激光熔覆成型工艺的3D打印典型企业包括美国POM公司和OPTOMEC公司,中国的北京航空航天大学天地激光公司、西北工业大学西安铂利特公司、沈阳新松机器人自动化股份有限公司,电子束熔覆成型工艺3D打印典型企业包括美国的Sciaky公司、中国的北京航空制造研究所(625所)。这类产品的主要优点是冶金质量好、成型速度快、成型尺寸大,但精度较低,需后续机加工,典型应用是航空高强度结构件、叶片制造、各种金属模具的直接成型。

3D打印  

航天领域金属回转件快速成型机加工前后效果图

  三、智能机器人和复合技术将真正启动3D打印应用市场

  虽然现在3D打印很热,有很多企业和政府也纷纷上马或推广3D打印项目,但真正用3D打印做出产品的较少。这里面关键问题还是技术问题,打印速度和精度、打印精度和强度等相互矛盾的技术指标困扰着制造商和最终用户,当然还有操作专业性强、原材料昂贵等问题,最终让他们保持观望态度。

  在现阶段技术条件下,3D打印的智能化及复合兼容技术非常有效地解决目前存在的弊端,大幅提升3D的性能。

  3.13D打印控制方式智能化

  目前国内外大部分3D都采用盲打工艺,需总结大量的工艺数据,成型工艺非常复杂,往往每一种形状零件、每一种材料都需要不断的试验,几乎每一层都需要总结出工艺参数。而且当成型过程中出现异常时,系统无法识别,也不能自动调整,如果不去人工干预,将造成无法继续成型或将缺陷留在工件里,必须由经验丰富的专业技术人员操作机器随时观察成型状态才能做出较合格的零件,严重影响了金属3D打印的普及性。

  因此,我认为3D打印机智能化非常重要,像人一样,给3D打印机装上眼睛是非常必要的,通过看外在物体状态随时调整人的姿态和行为,对于3D打印机来说,就是调整工艺参数。

  因此,智能识别和反馈功能将是目前快速成型系统的迫切需要解决的问题,通过较简便的工艺参数积累,让3D打印设备自己去判断,智能调整即可,让复杂的快速成型工艺变简单,更具有实用性和推广性。智能识别系统将提供大量成型过程的数据,希望通过实践积累大量数据,让3D打印机变更聪明,最终通过软件的开发让3D打印机具备自学习功能,这样的思路也就确确实实是3D打印系统需要具备的特征,同时也符合了机器人的特征。

  从3D打印的基本工艺来看,他每一层每一点的堆积都是一个特殊过程,可控性差,和切削的机床大有不同,机床每一刀下去都可控,这就是他们将采用不同控制方式的根本原因。相比数控技术,3D打印控制过程与焊接机器人系统更接近。

  那么,模糊控制、实时调控将是3D打印控制技术的重要特征,因此,确切来说我们的选择主控方式应该选机器人,而不是机床,不管是6轴关节还是3坐标,控制方式决定系统类型。因此,从专业角度来看,3D打印机器人的称呼更适合这个它,也符合它的发展方向。

  3.2增减材复合技术获得高速高分辨率3D打印产品

  对于高性能的金属构件,3D打印直接成型的光洁度和精度不能满足要求,尤其配合位置无法保证精度,不能装机使用,成型精度问题限制了3D打印的推广和应用。

  如下图为国内外一些研究机构进行飞机钛合金典型零件的3D打印实物的局部照片,表面精度为焊接状态,无法直接使用需进行大量切削才能使用。

3D打印

  为了提高3D打印零件的成型精度,常规的方法是减小3D打印点的尺寸,提高分辨率,比如提高激光束的汇聚性,让熔化区域变更小,单个熔化区域尺寸达到微米级,但同时给超细材料的供给带来很大难度,同时熔化区的变小会带来成型速度大幅降低,效率的降低不适于工业领域应用。总之,常规思路的3D打印是:

  高速3D打印获得低分辨率产品,低速3D打印获得高分辨率产品。

  那么,我们单从一个新技术发展特性来看,新技术对老技术的兼容和继承性非常重要,也是必须的,否则就是空中楼阁。显然,3D也须符合这个发展规律,增材制造结合切削减材制造技术,二者高度兼容才能让3D打印快速发展。

  具体来说,就是将传统铣削机床技术加入到3D打印成型过程中,仍然采用低分辨率的打印工艺,可保证高速成型工艺,然后用铣削的措施来保证成型精度,最终成型精度零件使用的技术标准。

  目前,日本松浦机械和美国Fabrisonic公司已经开始尝试将铣削技术和3D打印技术融合,国内的沈阳新松机器人自动化股份有限公司也已经开始进行3D打印复合技术开发,实现了随型流道注塑模具、叶片、螺旋桨及其它复杂零部件的快速制造。

  四、新松机器人稳健推进高端3D打印

  沈阳新松机器人自动化股份有限公司作为首批创业板上市企业,主要进行高端自动化工程项目或产品的研发和推广应用,鉴于自身在智能化控制技术和高端领域应用优势,一直在关注3D打印并投入研发,尤其在3D打印的智能化控制及打印技术创新方面,做了很多探索和工程实践应用,并成立3D打印专项研发部,进行相关标准产品的推广应用。

  新松机器人公司3D打印技术团队从2004年开始进行相关金属增材技术的研究和储备,经过3年积累,2007年实现激光熔覆工程应用,即实现了厚度为1~5mm高性能金属覆层,主要用于修复领域;掌握了金属堆积工艺,在航空、冶金、汽车、电力、军工等领域做了大量工程应用。在积累了大量金属成型技术的基础上,从2012年开始,公司开始推广激光快速成型系统,现在称为3D打印机,主要技术类型为熔覆式,即同轴送金属粉末结合激光快速熔化和凝固技术。基于熔覆技术,从表面成型迈向立体成型,即实现了2D到3D的跨越,为北航和西工大提供多套激光成型设备,用于航空领域重要零部件的快速成型和修复。

3D打印  

新松机器人大型三轴激光快速成型设备

3D打印

  新松机器人中型五轴激光快速成型设备

3D打印

  新松机器人三轴激光快速成型成套设备

3D打印

  预期铝合金复杂件激光3D打印效果

  新松机器人总结现有送粉熔覆技术的优缺点基础上,2013年上半年,研发出同轴智能随动送丝和送粉熔覆专利技术,并推出智能型复合金属3D打印机,主要用于汽车、家电等领域高端注塑模具的快速制造、用于航空、航天超高强度钛合金、铝合金零部件的快速制造、用于军用零部件现场的快速制造和修复,以及其他各领域小批量金属零件的快速制造。

  3D打印

新松机器人公司推出智能型增减材复合金属3D打印机

  五、3D打印的工业革命需要创新

  对于3D打印,大家褒贬不一,乐观者认为:3D打印技术的使用意味着一场变革,将给未来的制造业、社会生产模式与人类生活方式带来的深刻影响和变革,3D打印将颠覆传统制造业;消极者认为:3D打印存在很多问题,不会有什么前途,也根本不可能对传统产业造成影响。

  这两种态度都有道理,变革的观点是因为3D打印符合了工业发展的规律,是对3D打印思路的认可;反对的观点是说明了目前3D打印存在实用性问题。

  因此,我们将积极地、公正地来看待3D打印。

  我们从现有3D打印技术来看,它的很多问题确实需要改进,否则就像消极者所说的没有前途。当然,我们上面也分析了,智能化和复合技术将解决一些问题,当前看来会有很大突破,但从长远发展来看,3D打印方式必须革新,包括打印的材料、打印头的工作方式、打印控制技术等等。

  3D打印是一个新的数字化制造技术,它的发展将给我们的生活方式和工作方式带来变化,但它在一定时间内必定会继承现有技术,它是传统工业的有益补充。随着科技发展,尤其交叉科学的应用,会给3D打印技术带来巨大突破,也会发展成制造业的主角。将来真正做到简易操作、高效、高精度、低成本,3D打印就会带来工业革命!

  你准备好了吗?

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