Приносът на 3D печата в приложенията на роботите

Технологията за метален 3D печат (SLM) чрез интегрирано формоване и оптимизиране на топологията се превърна в основен производствен метод за постигане на изключително леко тегло и висока производителност в хуманоидните роботи. Това не само намалява значително енергията, консумирана по време на движение, но също така значително подобрява скоростта на динамична реакция на робота и товароносимост-капацитета.

При разработването на хуманоидни роботи едно от най-трудните предизвикателства за големите технологични компании е да се даде на изкуствения интелект тяло, което да е едновременно здраво и леко.

Традиционните методи за обработка на метали, като например леене или обработка с ЦПУ, често са ограничени от траекторията на инструмента и геометрията на матрицата, което затруднява производството на сложни вътрешни кухи структури или био{0}}вдъхновени скелетни дизайни. Резултатът е обемисти компоненти, които натоварват допълнително двигателите. Появата на технологията за селективно лазерно топене (SLM) преодоля тази задънена улица. Тази технология използва лазерен лъч с висока-енергийна-плътност, под защита от инертен газ, за ​​разтопяване и втвърдяване на метални прахове като титаниева сплав и алуминиева сплав слой по слой - директно „отглеждане“ на предварително-проектираното три-твърдо тяло. Структурата е направена плътна в зони, които понасят големи натоварвания, и подобна на решетка-или издълбана-в зони, които понасят леки натоварвания, като се постига максимално намаляване на теглото, като същевременно се гарантира здравина.

Прилагането на технологията SLM в производството на хуманоидни роботи се отразява най-ясно в носещите -структури на ядрото и компонентите на ставите. Хуманоидните роботи трябва често да ходят, да носят товари и да извършват други движения, а ставите на краката и ръцете им понасят огромен въртящ момент.

За да намалят собственото{0}}тегло, изследователите са използвали SLM технология, съчетана с алгоритми за оптимизиране на топологията, за да проектират изцяло нов тип свързващ конектор. Вместо твърд блок от метал, този компонент е под формата на сложна мрежеста структура, наподобяваща биологична трабекуларна кост.

Вземете Optimus Gen2 на Tesla като пример - неговата поддържаща структура на колянната става е направена от 3D-отпечатана титаниева сплав. Този процес не само намали теглото на компонента с 42%, но и значително подобри устойчивостта му на удар. Прекият дивидент от това леко тегло е по-бързото движение на робота и по-дълъг живот на батерията.

Роботът IRON от ново -поколение на XPeng следва подобен подход. Неговата скелетна структура използва 3D-отпечатано решение, съчетаващо непрекъснати влакна или найлон-12 с метал, постигайки био-вдъхновен дизайн с кухи вътрешности и подсилващи ребра. Той е с 40% по-лек от традиционните метални компоненти, но въпреки това е в състояние да абсорбира енергия чрез структурна деформация по време на падане, предпазвайки скъпите вътрешни двигатели от повреда.

Освен намаляването на теглото, технологията SLM решава и предизвикателствата при прецизното производство, свързани с „координацията ръка-око" на робота.

Крайният ефектор на хуманоидния робот (т.е. неговата роботизирана ръка) изисква изключително висока сръчност и сензорни способности и обикновено трябва да интегрира двигатели, трансмисионни зъбни колела, кабели на сензори и други компоненти в изключително тясно пространство.

Традиционното производство изисква сглобяване на множество отделни части, което не само води до големи грешки при сглобяване, но също така е склонно към разхлабване с течение на времето. С технологията SLM функции като лагерни гнезда, телени канали и-решетки за разсейване на топлината могат да бъдат интегрирани директно в един отпечатан компонент, което позволява интегрирано производство на „-към-задвижващ механизъм“. Това интегрирано формоване елиминира монтажните хлабини и значително подобрява прецизността на движението. Например за прецизни компоненти като шест-осови сензори за сила, SLM може да ги отпечата директно -, което води не само до по-малък размер, но и до подобрен обхват на измерване с 50% до 250%, на по-ниска цена от традиционната партидна обработка с ЦПУ. Тази високо{11}}прецизна производствена способност позволява на хуманоидните роботи да изпълняват деликатни задачи като вдяване на конец в игла или вземане на яйце.

По отношение на разнообразието от материали, технологията SLM също така носи на хуманоидните роботи комбинация от твърдост и гъвкавост.

Докато SLM обработва предимно метали, основната му философия на дизайна се разпростира в областта на специалните инженерни пластмаси и композитни материали. Например, много{1}}слойният композитен материал тип пчелна пита, разработен от Boli Technology, имитира омекотяващия механизъм на човешката мускулна тъкан и е приложен към омекотяващите слоеве на лактите и коленете на Фигура 02.

Този материал е 3D отпечатан в пореста структура, подобна на пчелна пита-с плътност само 40% от тази на алуминиевата сплав, но въпреки това може да абсорбира енергията на удара и да издържи повече от 1 милион цикъла на огъване.

В същото време високоефективни инженерни пластмаси като PEEK (полиетер етер кетон) също се използват за отпечатване на опорни структури и зъбни колела на роботите. В сравнение с метала PEEK има изключително ниска плътност и само-смазващи свойства. Optimus Gen2 на Tesla го използва, за да замени алуминиевата сплав, постигайки общо намаляване на теглото с 10 килограма и в резултат на това увеличавайки скоростта на движение с 30%.

За по-интуитивно сравняване на ефектите от технологията SLM в различните компоненти на роботите, таблицата по-долу илюстрира скоковете в производителността, които осигурява:

SLM технологията също драматично ускори цикъла на итерация на R&D за хуманоидни роботи.

Разработването на хуманоиден робот е процес на непрекъснати проби и грешки - проектен чертеж, завършен днес, може да се нуждае от преразглеждане утре. При традиционното производство-базирано на матрици, цикълът-на производство на матрици е дълъг и скъп и след като дизайнът се промени, матрицата става скрап.

Технологията SLM изобщо не изисква матрица - след като бъде качен файл с дизайн, пълен прототип или мостра на основен компонент може да бъде отпечатан в рамките на 1 до 3 дни. Този модел на производство „каквото проектираш, това получаваш“ позволява на екипите за научноизследователска и развойна дейност да отпечатват части за една нощ и да започнат реално-тестване на машина още на следващата сутрин. При разработването на робота IRON на XPeng, тази способност за бързо създаване на прототипи беше използвана за компресиране на итерационния цикъл от „седмици“ до „дни“, помагайки на компанията да се възползва от ранно предимство на силно конкурентен пазар.

Тъй като цената на произведения в страната метален прах продължава да пада, бариерата пред комерсиализиране на SLM технологията също пада. През 2025 г. цената на произведения в страната титанов прах падна с до 50%, което направи възможно широко{3}}прилагането на 3D-отпечатани метални компоненти. Разумно е да се предвиди, че цените ще продължат да се движат към практическия си праг през следващите пет години.

Днес технологията за 3D отпечатване на метал се прилага не само в промишлени-клас хуманоидни роботи, но се разшири и в потребителската електроника - включително корпуса от титаниева сплав на Apple Watch и пантите за сгъваеми смартфони -, демонстрирайки своята зрялост за широко-прецизно производство.