塑料注射成型, 金属铸造和金属冲压是构成制造业支柱的古老工艺. 传统上，没有更好的方法来大规模生产塑料或金属部件.

然而, 加法制造, 它使工程师能够整合零件并生产复杂形状的部件, 正在迅速成为另一种选择吗. 该技术正在从小批量原型向大批量生产准备就绪的部件发展.

直到现在, 阻碍3D打印广泛应用的唯一因素之一是缺乏自动化. 但, 涉及自动导引车(agv)的最新应用, 协作机器人, 高速打印机和其他设备将使制造商提高吞吐量, 质量控制, 降低成本，加快产品上市速度.

“劳动力占生产零部件成本的30%以上,John Dulchinos说, Jabil Inc .数字制造副总裁., 一家全球制造服务公司，在其装配线上应用增材制造技术方面处于领先地位. “通常, 这是后处理和检验, (这会推高)成本，导致效率低下和不一致. 增加自动化可以最大限度地减少触摸劳动，节省成本，提高一致性和质量.”

除了直接的人工成本, 还有一些隐性成本，比如调度打印作业的操作员时间, 上传CAD文件和装载机器, 此外，由于缺乏操作人员来移除零件或打印床在后期生产中从零件中移除的成本，打印机的利用率很低.

根据Dulchinos的说法, 自动化将帮助增材制造迈出下一步，使其不仅仅是小批量应用的工具. Jabil正在使用机器人自动化二次加工中的零件处理，并使用计算机视觉自动化检测过程.

“今天，3D打印主要集中在原型设计上，”Dulchinos解释说. “最终应用需要高水平的一致性、严格的公差和低成本. 自动化可以帮助减少物料处理，提高质量.”

“自动化对于使增材制造在大批量应用中发挥作用至关重要,哈罗德·西尔斯补充道, 福特汽车公司增材制造技术负责人. “这将有助于解决差异和不一致的部件构建问题. 自动化将增加稳定性，使我们能够将3D打印从批量过程转变为连续过程，从而在批量生产设置中更好地工作.”

“我们听到一级汽车零部件供应商和合同制造商等公司对自动化的兴趣越来越大,拉里·莱昂斯说, 桌面金属威尼斯注册送38元副总裁.这家公司已经吸引了宝马(BMW)和福特(Ford)的投资.  “他们告诉我们，增材制造设备需要适应已经高度自动化的现有工厂生态系统. 他们要求机器能够与传送带、机器人和工厂管理软件共存.”

Lyons声称，自动化对于将3D打印带入大批量制造市场至关重要，到目前为止，它几乎没有触及表面. “如果没有自动化，建造拥有数百台打印机的工厂是不经济的,他指出. “为了获得合适的零件价格，自动化材料处理至关重要.

“我们在硬件和软件中加入了很多挂钩，这样我们的设备就可以很容易地迁移到传统的自动化工厂设置中,莱昂斯说。. “我们正在吸取传统制造业的经验教训，并将其应用于下一代汽车的开发, 高通量添加剂系统.

“例如, 我们正在设计我们的设备，使其具有灵活性，可以轻松地与机器人和自动化工业环境中常见的其他物品连接,莱昂斯说。. “我们正在安装真空输送系统，以便更快地移动粉末. 自动脱粉也使机器能够去除零件周围的松散粉末，而无需操作员参与.

“许多手工流程都很耗时, 劳动密集型和符合人体工程学的挑战, 此外，它们还会带来安全问题,莱昂斯补充道。. “从打印机中移除构建盒的过程就是一个典型的手动处理的例子. 一名操作员把一辆手推车拉上来, 将构建盒从打印机中取出，并将其转移到生产过程的下一个阶段. 在不久的将来，手推车将被AGV、传送带或机器人取代.”

自动化的优点

使用增材制造，即使是快速原型应用程序通常也需要许多手动步骤. 零件的设计需要考虑到工艺约束和限制. 另外，零件打印后需要检查. 支撑材料也需要移除，后处理步骤也需要进行.

“当我们将增材制造过渡到生产环境时，自动化变得至关重要,Wojciech Matusik说, 他是麻省理工学院电子工程和计算机科学副教授。. 在这种情况下, 制造零件的成本不能取决于设计和生产这些零件所需的人工劳动.

“增材制造自动化将使公司能够以最少的人力从功能规格到完全定制的产品,Matusik说, 他领导着麻省理工学院计算机科学与人工智能实验室的计算制造小组. “自动化的每个阶段都将有效地减少繁琐的人力劳动.

“所有阶段的自动化最终将降低制造产品的总体成本,Matusik解释道. “这, 反过来, 增材制造将成为广泛产品的成本效益解决方案吗.”

“自动化是成功的增材制造项目的一个重要方面，主要是因为它对零件成本有积极的影响,安德鲁·埃德曼补充道, 产品设计行业经理, Formlabs的工程和制造部门, 这家3D打印机制造商为福特等公司供货, 吉列, 索尼和特斯拉. “随着增材制造的零部件成本下降, 它越来越接近于传统制造技术, 特别是对于高混合, 小批量或中批量生产场景.

“除了单纯的零件成本考虑, 自动化帮助制造商开发出零件制造方式和地点的新模型,埃德曼说。. 按需备件, 准时制生产, 更短的供应链——当生产手段更加自动化时，所有这些事情都变得更有可能发生.”

就像任何制造过程或技术一样, Erdman说，这实际上是关于识别正确的应用程序和运行数字. 现在有一些零件的几何形状和应用可以用增材制造来生产, 但这些通常来自于采用与其他生产方法相同的制造和装配设计方法.

自动化将扩大增材制造的范围, 使其能够用于较少优化的设计或更简单的部件.

“当涉及到生产数十万或数百万个相同的零件时, 添加剂还远远不够,厄德曼警告说. “匹配传统制造业的生产速度并不是增材制造的核心价值主张, 它的灵活性.

“让你现在的塑料零件供应商生产一个零件的五个零件, 另一个的11倍，另一个的300倍, 都是不同的材料，这周末给你，每份不收500美元的安装费,厄德曼说. “如果他们使用传统的制造方法来生产这些零件, 这将是一个问题.

“如果他们使用增材制造, 这种机器级别的自动化可以很容易地实现这些数字,厄德曼说. “增材制造在解决复杂的需求和供应问题或帮助维持低风险的精益库存方面非常出色.”

早期采用者

Fast Radius Inc .等公司.， Voodoo制造公司. 和Xometry公司. 是否已经在谱写增材制造的新篇章. 服务机构运营着大量的机器，这些机器可以大量打印各种可供生产的零件. 自动化在他们的商业计划中扮演着关键的角色.

“目前, 许多增材制造都是精品, 被逐案处理, 逐个文件, 基础,格雷格·保尔森说, Xometry的应用总监, 与宝马等制造商合作, 戴尔和通用电气. “规模, 结果需要一定程度的自动化，以提供端到端的可预测和可重复的结果.

“(增加自动化的使用)将解决两个问题:对产品的信任和吞吐量,保尔森说。. “现在, 有一小部分过程从3D打印伞可以扩展到高容量.

“大多数都是塑料的, 激光粉末床熔合工艺类似于选择性激光烧结,保尔森说。. “这是因为材料有限，后处理相对规范. 从构建计划到后期处理，许多过程仍然非常复杂. 这限制了您的扩展效率.”

“关于增材制造的一个误解是，你可以买一台打印机, 插上电源，取出好的部件,Lou Rassey补充道, Fast Radius首席执行官. “实际上, 这是一个复杂得多的过程，需要调用和控制许多变量.

“增材制造现在已经越过了临界点，”拉西说. “它已经从一个小批量的原型制作工具变成了一个大批量的过程，可以批量生产可以固定在飞机上或固定在汽车引擎盖下的零件.”

Fast Radius为各行各业的客户批量生产塑料和金属零件, 包括汽车, 航空航天, 消费品和医疗器械. 客户范围从Husqvarna到Steelcase.

“许多新的增材制造机器是为大批量生产而设计的，而不是一次性的原型,拉西解释道。. “通过应用自动化，我们看到了提高效率的机会. 例如，我们正在使用机器人通过移除托盘和清洗部件来自动化构建过程.”

另一家走在增材自动化前沿的公司是Voodoo Manufacturing, 拥有200多台打印机的3D打印“农场”. 该公司最终计划将业务规模扩大到10万台打印机. 为了实现这一雄心勃勃的目标，Voodoo最近启动了一项“天行者计划”. 目标是利用自动化来经济有效地处理可以与传统塑料注射成型竞争的大规模生产.

“自动化不仅仅是一种削减成本的方式,乔纳森·施瓦茨说。, Voodoo制造公司的首席产品官. “这是我们成为一家拥有数百名员工的大公司的唯一出路, 如果不是成千上万的话, 的人. 在承担这样一个庞大的和根深蒂固的行业，如注塑, 自动化将成为我们的主要武器.”

下游的挑战

提高增材制造效率和产量, 公司需要将零件打印后发生的所有下游流程自动化. 这包括一些乏味的步骤，比如从打印机上移除构建盒, 回收多余粉末, 装卸固化炉, 并对零件进行测试和检查.

移除3d打印部件的简单任务通常需要手工劳动.  3DQue Systems公司首席执行官斯蒂芬•夏普表示:“对于运营商来说，这仍然是一个持续的挑战.，一家加拿大创业公司. “最常见的‘自动化’解决方案之一是使用传送带式系统或机器人将零件和打印床作为一个单元从打印机上拆卸下来. These solutions do not reduce the cost or time required for 删除一部分; they simply defer it to the post-production stage.

后期制作中的手工任务包括从打印床上分离零件和修整表面,夏普解释道。. “由于设备和材料成本相对较低, 即使是额外一分钟的体力劳动也会显著增加单位成本，并抑制操作规模的能力.”

“后处理对每个打印过程来说都是一个挑战, 每个人都有不同的要求,Formlabs的埃德曼补充道. “在印刷, 零件的几何形状必须以某种方式得到支持, 但当轮到你的时候, 就时间而言，这些相同的支持结构变成了敌人, 自动化和材料浪费. 在某些情况下, 您可以选择将零件几何形状设计为自支持的, 这大大减少了后期处理的时间.”

劳动最集中的步骤包括零件卸载和检查.

Jabil的Dulchinos说:“自动化零件卸载可以提高打印机的利用率。. 自动化后处理和检验可以减少人工, 提高操作效率，减少零件处理带来的缺陷.

“从打印机中自动移除零件是最容易的，因为零件位于已知位置，工作范围也很明确,Dulchinos说. “也就是说，今天的3D打印机是围绕批量处理设计的. 开始构建, 已完成并停止，直到部件可以移除, 新材料装入，打印机开始下一个周期.

“未来的打印机需要设计成连续生产, 其中包括自动材料装载和零件移除,Dulchinos指出. “这将实现更高的吞吐量和更低的零件成本.”

由于零件的形状和尺寸经常变化很大，因此后处理的自动化难度要大得多. 此外，许多零件的位置没有很好地定义. 后处理步骤包括释放零件, 从搭板上拆下支撑物，回收粉末. 它还包括与表面处理有关的过程，如喷漆、机加工和打磨.

“这涉及到很多变数, 取决于应用程序,瑞恩·马丁说, ABI Research智能制造首席分析师. “例如, 一个小批量的基于粉末床的航空部件可能不需要大量的后处理，除了去除支撑. 大批量的汽车内饰部件可能需要更好的表面处理, 因为适合, 完成和外观需要考虑.

“熔炉的操作成本很高，零件烧结和硬化需要时间, 所以有些过程可以自动化,马丁解释道。. “此外，增材制造的测试和检测方面也需要自动化.”

重要的是，未来的自动化解决方案打破了与后处理和材料移动相关的瓶颈. 必须适当地分解任务以最大限度地提高吞吐量.

“如果您可以标准化各种几何形状的零件处理或使用灵活的夹持和工件保持解决方案，那么机器装卸是一个自然的优先事项,博泽北美公司座椅工业工程总监乔·拉鲁萨说.美国一级汽车供应商.

“物料交付和管理是另一个自动化时机成熟的领域, 因为你有这些系统用于其他需要粉末或颗粒输送的过程，比如涂层或注塑成型操作,拉鲁萨补充道. “当然, 这些都是由基础设施驱动的, 但它们仍然可以减轻大量为机器提供原材料所需的间接劳动力.

“添加剂机器给粉末工艺带来了一个独特的小挑战，因为在进入下一个工艺之前，它们需要进行一些初步的清洁或提取,拉鲁萨指出. “这与熄灯减法工艺不同，在减法工艺中，加工中心可以制造零件，然后从夹具上取下零件，立即为下一道工序做好准备.”

质量控制

据拉鲁萨说, 质量控制是增材制造自动化最具挑战性的方面之一.

“流程设计和开发的经典培训是实现稳定的流程, 能够控制并有能力(统计)生产质量,拉鲁萨说. “用冲压等传统制造方法, 成型加工, 这种方法很自然.

“通过增材制造, 然而, 这个过程对于每一个零件来说都是可变的,拉鲁萨说. “So, 传统的统计过程控制方法具有挑战性, 特别是对于安全关键部件.

在这种情况下, 制造商被迫对每件产品的质量进行100%的验证, 这将要求车间和质量功能的高度自动化, 因为您必须处理从生产系统生成的大量数据,拉鲁萨指出. “人工分析永远无法跟上生产系统的步伐.”

Brose目前面临的最大挑战是解决产品和工艺验证主题. LaRussa和他的同事们也面临着独特的挑战，因为他们的许多部件都很大，而且产量很大，与增材制造相比，增材制造仍然没有竞争力. 传统制造方法.

“这在很大程度上取决于具体的过程,大卫·谢尔说, SmarTech Markets Publishing LLC高级分析师, 一家专门从事增材制造的市场研究公司. 在金属粉末床熔合, 最大的问题是后处理:主要是移除支持, 这需要时间和几何限制.

“在金属粘合剂喷射中, 主要问题是炉膛烧结, 因此，最大的挑战是自动化设计过程，以考虑烧结过程中的零件减少,谢尔补充道。. 自动卸粉和筛分, 粉末回收和粉末供应是所有粉末基工艺中一个具有挑战性的问题.

“在自动化过程监控方面也存在重大挑战，即机器能够识别错误并停止过程甚至自动修复它们,谢尔警告说。. “这需要传感器和先进的人工智能
智能(人工智能).”

增材制造尚未达到可以根据给定应用需求自动生成和制造设计的成熟点. 生成式设计软件不能正确处理复杂的约束和需求，也不能确保它生成的设计是可制造的. 数字工作流程也不能在问题发生之前预测和解决问题.

“再加上制造速度慢, 昂贵的材料和缺乏经验的劳动力, 增材制造成为一种昂贵的试错实验，不太适合批量生产,Ersin Uzun说, 帕洛阿尔托研究中心系统科学实验室副总裁兼主任, 施乐公司.  “然而, 增材制造工艺不断加快, 通常，更高的材料成本可以用更好的设计来证明，用更少的材料来提供更好的性能.

“只有当我们拥有自动化工作流程，能够帮助生成和验证给定应用和工程需求的最佳设计时，增材制造的财务状况才会开始对批量应用产生意义,Uzun说。.

“人工智能已经进入生成设计和拓扑优化领域, 以及工艺规划, 将多物理场建模与机器学习相结合的建模和监控, 计划和高级推理,乌祖恩解释道。. “这些都是非常重要和困难的问题, 当这些问题得到解决时，它们将通过更好的设计放大增材制造的价值主张, [导致]稳定的, 可预测的, 可重复和更自动化的制造流程.”

机器人救援

增加机器人的使用有望减少变化，提高一致性和提高吞吐量.

“在你尝试规模化之前，增材制造是一个非常有竞争力的过程,乔·坎贝尔说。, 优傲机器人战略营销和应用高级经理. “如果你在没有自动化的情况下扩展它，它需要大量的劳动力. 最终，机器人将具有经济意义.

“因为增材制造的批量特性, 多台机器运行不同的部件，公司处于恒定的设置模式,坎贝尔解释道。. “小批量、高混合的生产环境很常见. 通常，新部件不断涌入，因此快速重新部署是必不可少的.

“协作机器人是一个完美的解决方案, 因为操作员可以根据需要在机器内部和周围工作，而不必关闭机器进行切换,坎贝尔说。.

有几家公司目前正在使用UR10机器来简化他们的增材制造业务. 例如, Fast Radius使用一个连接在移动平台上的机器人，可以在芝加哥西区的工厂周围手动移动. Voodoo Manufacturing在其位于布鲁克林的工厂里，使用一个机器人来收获(装载和卸载建造板)超过25台打印机.

在德国, 戴姆勒公司(Daimler AG)的工程师最近开发了一种集成的工艺单元，配备了六轴发那科(Fanuc)和库卡(Kuka)机器人, 除了Grenzebach agv.

agv在各个站点之间运输增材制造的部件,Jasmin Eichler说, 他是戴姆勒未来技术的负责人. “它们使工厂布局具有高度的灵活性, 导致易于扩展的增材制造生产单元.

“机器人被用于下游生产过程的自动化，”艾希勒解释说. “后处理区域的所有运输、放置和移除活动都由机器人完成.

“他们从安装站取出带有零件的构建平台，并将其放置在熔炉中进行后续热处理,艾希勒指出. 然后，同样的机器人再次移除平台，并将其带到3D光学测量系统，以保证质量. 最后, 构建平台被传送到锯上, 是什么将部件与平台分开, 使组件为进一步使用做好准备.”

机器人也可以用来做实际的打印. 而不是用3D打印机, 它们通常在堆叠的水平面上以2D形式打印, 打印头可以安装在四轴或六轴机械臂的末端，以提供额外的运动程度.

“机器人是涉及大型零件的增材制造应用的理想选择,Nicolas De Keijser说, ABB机器人装配和测试解决方案生产线经理. “它们具有传统3D打印机无法实现的广泛构建范围.

额外的运动度使制造商能够改变点胶路径,De Keijser指出. “而不是2D路径, 它们可以增加被打印部件的结构动力学，使其更坚固.

DeKeijser解释说:“此外，机器人可以用来维护标准的3D打印机。. 机器抚育操作的程序可以很容易地从塑料注射成型工业中长期使用的各种抚育和后处理应用中进行调整.”

 

新一代的打印机

新一代3D打印机正在解决大批量生产和快速生产的需求. 有些机器具有内置的输送机和给料机, 而另一些则是为了方便与机器人互动而设计的.

“对于增材制造行业来说，这是一个有趣的时期，”ABI Research的马丁表示. “在未来4年，我们将看到大批量生产系统方面发生很多事情. 将这些设备集成为常规工作流程的一部分将会更有兴趣.”

例如, Brose最近投资了一家名为AIM3D的德国初创公司, 是谁在开发像ExAM 255这样配备自动给料机的机器.

LaRussa指出:“公司已经开发出一种新的增材制造方法. “这使得首次打印汽车系列生产中常见的材料成为可能.”

ExAM 225机器可以打印金属或塑料部件. 除了, 这是第一台工业3D打印机，可以处理传统上用于注塑成型的颗粒, 使其能够比任何其他竞争对手使用更广泛的材料. 该机器包含一个自动给料机，每台挤出机可容纳1升的物料. 料斗也可在印刷过程中进行补料.

“直到现在, 由于零件去除成本高，缺乏端到端自动化，塑料3D打印已无法满足当今的制造需求,3D Que’s Sharp说. 为了解决这个问题, 该公司最近推出了QSuite, 这样就不需要诸如作业调度之类的手动任务了, 删除一部分, 打印床复位和打印机重启. 而不是, QSuite使用专有的硬件和软件技术套件来批量生产高质量的塑料部件.

“不需要专门的操作员，”夏普说. “QSuite具有完全自动化的动态调度功能，可以根据不断变化的截止日期或部件重新确定工作的优先级，并在连续的生产循环中全天候运行. 它提供了完全自主的零件拆卸和交付，并通过实时报告和管理数据为操作人员提供了完全的控制——所有这些都是远程管理的，因此用户可以在打印机交付零件的同时做其他工作.”

3DQue最近还开发了一个名为OPoD的模块，该模块具有内部输送机和收集箱, 实现“真正自主制造塑料部件”.”

“人们对自动化的兴趣日益浓厚，这有助于验证增材制造正在得到更广泛的采用，并表明该行业的发展正在加速,斯科特·特纳说。, 3d系统公司高级研发总监. “你不需要自动化一个缓慢的过程.

特纳解释说:“随着企业规模扩大到批量生产，它们的自动化程度越来越高. “这就是为什么我们推出了一个自动化材料处理模块，完全将操作员从这一步中解放出来.

“DMP Factory 500是一个可扩展的制造系统，旨在通过简化工作流程来改变金属[打印]，以更低的总运营成本构建更高质量的无缝金属零件,特纳说。.

可定制的机器有五个功能模块, 包括一个粉末管理单元，可以在构建平台上自动脱粉, 自动回收未使用的粉末材料，并为下一次构建做准备.

“DMP Factory 500的模块化设计使所有金属3D打印和粉末管理模块能够连续运行，从而最大限度地延长正常运行时间, 吞吐量和操作价值,特纳说。. “集成自动化最大限度地减少了人工流程，降低了总运营成本.

“零点夹紧可以实现构建板的最佳定位, 便于从3D打印机到后处理步骤的快速过渡,特纳补充道。. “这一集成功能减少了安装时间，并通过快速将构建板从增材工艺过渡到下游进行后处理，提供了更高的灵活性, 节省大量的时间和金钱.

“这台机器将大大有助于提高自动化的可能性，并降低制造成本,特纳说。.

另一个解决自动化挑战的打印机是Desktop Metal的新生产系统, 它使用粘合剂喷射工艺，通过喷墨头打印将金属粉末“粘合”在一起.

两个最先进的打印酒吧包含32,768喷嘴与粉末散布器一起工作，以分散金属粉末并在整个构建区域内进行单次打印, 喷射速度高达每秒30亿滴. 零件自动从构建盒中取出，清除残留在通道和缝隙中的任何松散粉末，为烧结做准备. 加热到接近融化的温度, 剩余的粘合剂被去除，导致金属颗粒融合在一起，零件变得致密.

生产系统的特点是双向印刷，印刷过程的所有步骤-粉末沉积, 传播, 压实, 弹道抑制和粘结剂喷射打印-应用于每一个通过构建区域.

“只要有动静, 有一种是打印技术——使其成为打印复杂金属部件的最快方法,莱昂斯说。. “它提供了速度, 与传统制造方法竞争所需的质量和每件成本. 这是大规模打印金属部件最快的方法.

“目前可用的绝大多数金属打印系统都是基于激光的系统，可以逐层熔化粉末,莱昂斯说。. “这是一个固有的缓慢过程，每层可能需要30秒或更长时间，不适合大批量应用.

“我们想采用一种不同的3D打印方法，”莱昂斯说. “我们的生产系统比目前可用的任何系统都具有更高的吞吐量. 事实上，它要快100倍.

“我们已经有客户计划将这台机器用于需要100台的大批量应用,每年000个或更多的金属零件,莱昂斯解释道。. “在未来两年内，这种巨大的产量进步应该是可以实现的. 这将是印数达到100万的垫脚石, 接下来是1000万的门槛.”

Fast Radius最近成为世界上第一批使用生产系统的公司之一.

“(它)代表了一个全新的制造平台，将实现新的零件几何形状, 改进的功能性能, 为创新产品开发者提供更有利的成本结构,拉西说。. “这台机器可以打印各种各样的金属, 包括工具钢, 低合金钢, 钛和工具钢. 它还拥有速度, 与传统制造工艺竞争所需的质量和每件成本."

进一步解决自动化问题, 拉西和他的同事开发了一个名为“快速半径操作系统”的软件平台. “它支持客户的整个产品生命周期，是快速半径应用启动计划的关键推动者,他解释道. “该平台帮助他们识别潜在的应用, 进行工程和经济评估, 加快新产品开发, 并最终使用最新的增材技术大规模生产工业级零件.”