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3D打印自动化:工业增材制造将如何发展?

来源:3D打印世界2018.07.03阅读 17492

  自科幻小说面世以来,描绘过各种各样的机器人,从生活到太空,无所不能,无所不有。3D打印机在某种意义上代表了迈向全面自动化的第一步:抛出一个设计,机器就能制造出实物,就像凭空出现的一样。因此MakerBot公司将其台式3D打印机以“星际迷航”中的设备命名:“Replicator”,意思是可以将物质随意重组。


  Stratasys的Infinite Build Demonstrator,工业机器人手臂在替换球团容器或工具头


  一旦抛开台式3D打印机身上的光环,人们就会发现增材制造(AM)机器需要的工序远比单纯按下“打印”按钮复杂,尤其是工业用机器。3D打印机给人的深刻印象就是使用金属、塑料、陶瓷等材料制造出形状复杂的部件。但是为了确保制造出来的实物没有偏差,需要前期大量的数据准备和后期处理。
  从目前发表的有关金属3D打印文章就可以了解到,该技术需要极其精细的前期准备,从部件弯曲度到裂纹及微观孔隙,甚至是涉及切割或数控铣削的金属部件等。
  因此,在全面实现生产自动化之前,我们需要先使机器本身实现自动化。这正是需要3D打印系统制造商研究的课题。本文将介绍3D Systems,GE Additive的子公司Concept Laser,Stratasys和Voodoo Manufacturing等公司是如何实现3D打印技术自动化的。
  他们通常研究如何使3D打印机自动化或引入协助生产过程的机器人手臂。制造商的目的是增加生产量,加快生产速度,降低运营成本并增加营收。
  Voodoo Manufacturing
  该公司利用台式3D打印机,以比一般工业AM系统所需的更低成本批量生产3D打印产品。
  “3D打印的核心优势之一就是其基于CAD / CAM的数字技术,而非依赖特定的模具或者工具才能进行新部件的制作。”Voodoo Manufacturing的共同创始人兼首席产品官Jonathan Schwartz说道,“与后者相比,前者的前期准备时间与成本几乎为零,这是与其他制造技术的根本区别。当今塑料部件最常用的制作方法是注塑成型,而我们正在与这种方式竞争。传统注塑技术需要先制作模具,其价格从1万美元至1000万美元不等。不止价格昂贵,而且缺少灵活性。如果需要调整,就必须重新制作模具。”
  完善后的工作流程通常由九个MakerBot Replicator打印单元组成,Skywalker项目发布后还包括比Raise3D的大得多的N2 Plus系统。


  通过Skywalker项目实现制造过程中重要部分的自动化


  Skywalker目的是通过在打印过程完成后自动执行所需的简单步骤,从而提高3D打印效率。该系统在位于传送带旁边的Universal Robots部署了一个低成本的UR10机器人手臂,用于从单个单元内的机器上移除打印部件,然后将仍附着在打印版上的部件放置在传送带上,再将新打印床放入系统中。这个步骤可以全天候不间断运行,无需人工干预。
  这个过程占总工作量的10%,有机器人手臂运行的所有机器生产率均提高3倍。员工只需每天早上收集头天晚上制作好的部件并脱模,就可以进行后期处理及出货。


  UR10机器人(售价仅为5万美元)将完成的定制打印产品放到传送带上


  为了简化收集过程,机器人手臂已预先写入设定路径程序,可用机器视觉精确地从打印机床取下制作好的部件。Voodoo公司还开发了文件自动化软件,可在准备过程实现部分自动化:定位3D模型,确定打印设置,放入打印队列并将其发送到队列中指定的打印机。
  由于成本的关系,3D打印越来越多的采用自动化技术。过去采用3D打印设计原型是因为大规模投产前是不会单独制作少量零件的。使用类似注塑的工艺,能够以更低的成本大批量生产零部件。然而由于现在使用3D打印来创建工程级零部件,因此需要采取措施使流程更具可扩展性。
  Voodoo公司表示,Skywalker项目的主要目标是通过在工厂进行全天候不间断的生产,增加产能及利用率。随着产量的增加,提高跟注塑制作的成本竞争力。
  与此同时,该公司还利用3D打印的优势进行批量生产。3D打印机不仅能够定制其他制作无法达成的几何图形,还可以进行大规模生产。由于每台3D打印机都能生产定制的零部件,该公司可以一次性批量生产各种定制产品,这是其他制作技术无法做到的。
  但是将机器人手臂固定在一个位置并不能发挥它的全部潜力,因此该公司开发了可移动的机器人系统,使其从9台打印机的工作单元扩展到全厂的100台打印机。
  这个概念到目前为止已取得重大进展,即:在机器人内装置不同的组件,经由物理定位系统移动到每台打印机边上并使用视觉系统不差分毫地取下制作好的部件。
  随着MakerBot机器扩展到其他系统以及得益于Skywalker系统的灵活性,Voodoo公司希望接下来的一年里能使此概念成为现实。这也是研发团队的核心,只有足够的灵活性,才能保证该系统可以与目前市场推出的打印机兼容。如果无法兼容,就要采取相应措施解决。
  选择低成本机器人手臂的原因之一也在于此。与大型工业机器人手臂不同,UR10的适应性很强,更容易集成到现有的工厂环境中。随着Voodoo公司的发展,Skywalker也会再次升级。
  Stratasys
  在2017年RAPID + TCT上,Stratasys公布了与Voodoo公司相似打印产品的工业版:Continuous Build 3D Demonstrator。 该系统由一系列可扩展的FDM 3D打印机组成,可连续打印多批零部件。打印完成后,零部件就会从机器中自动弹出,然后启动新的打印作业。


  FATHOM等公司已采用Continuous Build 3D Demonstrator进行生产


  该系统具有自动队列管理功能,可平衡整个平台的打印作业。如果一台机器打印失败,另一台打印机会继续作业。萨瓦纳(Savannah)艺术设计学院和制造服务提供商In'Tech Industries与FATHOM公司已经开始应用此系统。
  为了实现自动化熄灯生产,该系统可以自行开关打印机门并自动开始打印,同时还包括一系列构建表单,打印完成后就会自动弹出。
  与Voodoo公司的打印单元类似,Continuous Build Demonstrator可以实现大规模定制。Stratasys负责人Sevcik解释说:“注塑是批量生产相同的部件,而我们的系统是在大型3D打印机上打印不同物体。这可以实现快速且高质量的定制,还可优化吞吐量,进行大规模生产。”
  除此之外,Stratasys还采取措施使其他FDM技术更适合于生产环境。Voodoo的设计概念无法使用大型机器人手臂,所以工业应用仍需要工业措施来解决。Stratasys已经着手开发依赖于工业机器人手臂的AM解决方案,并将解决方案集成到应用大型机器人系统进行制造的工厂设置中。
  2016年推出的Infinite Build Demonstrator使用工业机器人手臂来填充打印机料斗。 因为可以预设打印长度,因此非工作时间内打印机都可自动作业。如果沉积头需要更换,机器人手臂就可进行操作。


  当打印头将碳纤维增强塑料挤出到平台上时,旋转台翻转打印件


  借助Robotics Composite Demonstrator器,Stratasys将机器人手臂与3D打印头相结合。该系统可将复合材料挤到五轴打印平台上,从而保证材料的增强纤维的最佳朝向,同时还增加了制造的灵活性。


  全自动运行,减少了打印和后期处理的时间和人力


  “我们正在使用工业机器人和工业运动管理程序作为沉积头的运作系统”,Sevcik说,“这样我们就能将目前已知的车间管理系统完美结合成新的系统。新的系统具有互连技术所必需的接口,因此可以收集系统数据并反馈回使用的工厂,达到额外分析的目的。”
  目前,复合材料制造需要大量人力并且成本高昂,因此自动化设备的需求迫在眉睫。出于这个原因,Markforged和Impossible Objects等多家公司都开发了复合材料3D打印机。
  Sevcik强调,Continuous Build Demonstrator与Robotics Composite Demonstrator都能不限配置使用。例如Continuous Build系统可以与其他类型的3D打印机一起使用。而Robotics Composite Demonstrator的优点在于其依赖颗粒原料而非丝材,并且挤出速率优于丝材机器,这项技术也有可能应用于其他系统。
  3D Systems
  3D Systems公司也同样在3D打印流程中引进机器人手臂——Figure 4。虽然业内对该打印平台的定义是独立式打印机,但3D Systems还展示了机器人手臂协助生产过程的多种配置。


  将快速打印与自动化技术(如材料前后期处理)结合起来,用于面向工厂生产的模块化系统


  该系统包括多台打印机和机器人手臂,可将完成的部件从构建平台转移到后期处理站进行额外的紫外线固化。该公司甚至还展示了一个零件检测模块,其中一个机器人手臂在扫描仪前旋转制成的零件,使零件与其3D模型相匹配,以确保准确性。生产过程中的物料传送也是自动化的。
  3D Systems的高级研究员Scott Turner详细阐述了如何根据客户需求进行配置:对于高容量的应用,它将被配置为一个灵活的制造单元,Figure 4所需的工作引擎将由全自动机器人提供,并可以随着需求的增加进行拓展。不仅如此,该产品还针对工厂环境进行了配置,包括了工业4.0数据收集和客户交付智能制造系统。
  针对不同的工厂环境,Figure 4还有另一款模块化的版本。它具有中央控制台,可以在各个工作站的本地化打印引擎间协调生产。该技术的设计从工作车间的环境出发,旨在满足每个工厂的生产。图中的独立3D打印机将会承担小批量生产的工作。
  自动化对于提高Figure 4的打印吞吐量和减少停机时间至关重要,持续数字光处理技术(cDLP)以及材料也起到了很大的作用。由于cDLP技术制作的部件中没有可见的层,所以所需的后期处理较少。


  DMP 8500是一个模块化的金属3D打印解决方案,将于 2018年第四季度发布


  然而这并不是3D Systems实现自动化的唯一技术。2017年,3D Systems还推出了DMP 8500工厂解决方案,并称其为“第一个真正可拓展、自动化和集成化的3D打印制造解决方案”。
  该解决方案由几个模块构成,包括用于制造的打印机模块;用于粉末传送和零件传送的可移动模块(RPMs);用于回收粉末、去除粉末的粉末管理模块;用于运输可移动模块的传输模块。
  该公司Metals & Healthcare部门的执行副总裁Kevin McAlea解释了该平台针对金属增材制造相关问题的解决方法。当前的产业现状下,没有一刀切的生产流程,因此DMP 8500模块化的设计就可以为特定的工作站点用户提供特定的配置,以适配其生产流程,最大限度的利用每个模块的价值。与其他的金属制造技术相比,金属3D打印仍旧有较高的成本。DMP8500工厂解决方案旨在使工作流程自动化,以降低总操作成本,实现规模化、大批量的生产,并确保部件准确,可在多个打印机间重复制作。
  GE Additive/Concept Laser
  Concept Laser的产品经理Oliver Kaczmarzik认为,随着3D打印逐渐转化为一门生产技术,这些机器的产生导向了更大的转变过程。近些年,增材制造正在经历一个从原型制造向直接生产转变的过程,对许多公司来说,如何满足市场日益增长的需求已经成了一个挑战。工厂需要更多的机器,但车间的空间是有限的,订单的增加也给粉末材料的管理带来了压力。现有的生产机器,大多为独立的解决方案,若客户需要进行框架调整,就几乎无法进行有效率的生产。面对这个挑战,Concept Laser开发了一系列创新的解决方案,为消费者提供了模块化的机器架构,以达到工业规模下的经济系列化生产。


  Concept Laser旗下的M LINE FACTORY,图右为M LINE FACTORY PRD生产单元,图左为M LINE FACTORY PCG安装拆除单元。


  为了平衡机器的大小和生产力,Concept Laser在2016年推出了几种解决方案。M LINE FACTORY PRD就是其中之一,该系统由三个模块组成,分别用于装粉、打印、溢流回收,所有模块均由内部管道系统连接。据Kaczmarzik称,该机器还具有四个激光束,可以保证更快的构建速度和更高的生产率,降低每部分的成本。
  该系统可以自动进粉,不必中断打印作业,可以进一步提高打印机的生产效率。未来Concept Laser可能会在该系统中内置一个自动化的工具转换系统,使之将增材制造和传统的减法制造相结合。


  图中所示为两个生产单元,安装在粉末基站的两边,可以进行平行生产。


  该系统与M LINE FACTORY PCG相配套,是一个独立的封闭单元,操作人员可以在不接触粉末的情况下,直接将粉末用于新的打印项目或者处理已完成的打印件。该系统的设计初衷是在PRD机器开始打印新的部件的时候直接将完成打印的部件转移到PCG机器中,这些机器网络将通过平板电脑通过互联网控制,共同构成”AM Factory of the Future”生态系统。


  该图为”AM Factory of Tomorrow”系统的示意图,多台机器以如图的方式排列,可以批量生产3D打印部件。


  据称,该解决方案中的每一部分都是自动化的,包括从打印件中去除残余粉末,并在机器之间传送模块,该系统将不断的进行工业化和自动化的升级,直到实现完全的自动化。
  自动化趋势
  为了更好地理解自动化是如何适应行业前景的,我们采访了3D Printing Business Media的首席执行官和创始人Davide Sher,他同时也是SmarTech Markets Publishing的高级分析师。
  Sher认为自动化趋势是3D打印技术向生产技术转变的一部分,而并不是孤立的一部分。
  “大多数运营商不再认为3D打印机是独立的机器,而是作为端到端生产流程的一部分,包括:材料处理系统、多个增材制造系统、部件处理系统、部件清洁系统、固化/热处理系统、支撑物/粉末去除和回收系统、部件检查系统和部件完善系统,”Sher说。“与此同时,这种转变也发生在软件层面,CAD/CAM/CAE软件输入到仿真、制造系统(MES)和PLM软件工具当中。随着3D打印机从独立的原型生产设备转向批量生产机器,这将会是一个很自然的转变。”
  据称,自动化将增加更多的打印系统订单,因为工厂内的生产机器数量和生产能力之间有着直接的联系。目前被忽视的行业领域例如零件加工处理,也将变得更加重要,反过来,机器人行业的运营商也将在增材制造的过程中获得更加丰厚的利益。


  社会对于自动化的关注
  抛开劳动力转移来谈自动化是不可能的,根据牛津大学的一项研究,美国47%的职位在未来的20年内处于自动化的风险中。这不仅包括了工业机械臂可以完成的任务,甚至还包括了能够取代呼叫中心的操作员以及初级律师的人工智能。
  当被问及这些问题的解决方法时,每一位接受采访的公司代表都给出了类似但不同的答案:某些技术的自动化将解放其他就业领域,甚至创造更多的就业机会。
  例如,Stratasys公司的Scott Sevcik认为,一旦复合材料的手工铺设实现了自动化,对于零件设计和改进3D打印工艺有关的工程技能的需求就会进一步提升。一部分需要熟练工的岗位将会被自动化,但他们仍然有机会去操作这些系统并对其加以维护,最终推动它们向前发展。
  来自3D Systems的Scott Turner也同意Sevcik的观点,他表示,未来的劳动力不会参与到大批量生产相同产品的过程中,相反,他们将在自动化工厂定制、优化产品的过程中起到很大的作用。
  Turner还指出,随着分布式制造的发展,3D打印机将会被布局在离生产点更近的地方,这就为我们带来了更多的就业岗位。Turner表示,为了让企业在自动化生产的新模式中取得成功,他们将需要大量的员工,这些员工能够在客户附近利用当地的生产中心工作,为客户们提供优质的产品。对于增材制造技术的充分利用,会将我们进一步推向全球数字技术时代。


  虽然自动化程度的提高,某些领域会产生更多的就业机会,但现有的员工仍然会担心失业问题。一个部门的工作机会可能意味着另一个部门的失业问题,原来的机器操作员可能会被解雇,而新的市场营销人员或销售人员将被雇用。
  Davide Sher表示他不认为工业制造自动化与整体的失业之间存在着直接联系,在他看来,从事基本医疗或法律分析等职业的人员比复杂的体力劳动更容易实现自动化。
  他认为,高级别的手工工作将最后被自动化所替代。新的工作将在自动化软硬件工具开发的过程中产生,而关键的工人将继续发展成为高度专业化的机器操作员。理论情况下,完全优化的生产过程可以使生产完全可持续,这样的社会中,生产是没有上限的,更好地生产实践可能会意味着更多的工作,而不是工作的匮乏。
  来自Voodoo的Jonathan Schwartz表示,他一直热衷于用自己的员工来解决这些问题。在他的工厂中,每个员工负责20台打印机。在一两年内,这个数字将会变成每个员工100台打印机,并且,随着时间的推移,这个数字也会不断地上升。没有员工会因为机械化被解雇,这只意味着公司的更高速拓展。
  他还强调,由于操作任务是自动化的,新的维护任务就被提上了日程,但他也指出,机器操作员在定期的工程决策中发挥着越来越重要的作用。Voodoo还计划投资对员工进行培训,以确保员工的技能与公司所需的工作保持同步。
  他解释道:“我们希望他们能够熟练地使用技术,并帮助我们在时间的推移过程中维护、优化工厂。多年来我们将投资用于培训,并有所成效,接下来我们将会进一步培训我们的团队,以便在职业生涯后,让员工们学到更多东西,我相信薪饷等级也会相应地有所提升。”
  Voodoo的员工一定会倍感欣慰,他们不仅可以确保自己工作的安全,还可以感受到自动化给公司带来的上行流动性的提升。然而并非每个增材制造行业的公司都会做出这样的承诺。