Wkład druku 3D w zastosowaniach robotycznych

Technologia druku 3D z metalu (SLM), dzięki zintegrowanemu formowaniu i optymalizacji topologii, stała się podstawową metodą produkcji umożliwiającą osiągnięcie ekstremalnej lekkości i wysokiej wydajności robotów humanoidalnych. To nie tylko znacznie zmniejsza energię zużywaną podczas ruchu, ale także znacznie poprawia szybkość reakcji dynamicznej robota i nośność-.

W rozwoju robotów humanoidalnych jednym z najcięższych wyzwań stojących przed dużymi firmami technologicznymi jest zapewnienie sztucznej inteligencji ciała, które będzie jednocześnie mocne i lekkie.

Tradycyjne metody obróbki metalu, takie jak odlewanie lub obróbka CNC, są często ograniczone ścieżkami narzędzi i geometrią formy, co utrudnia wytwarzanie złożonych wewnętrznych pustych struktur lub projektów szkieletowych inspirowanych biologią-. Rezultatem są nieporęczne komponenty, które dodatkowo obciążają silniki. Pojawienie się technologii selektywnego topienia laserowego (SLM) przełamało ten impas. Technologia ta wykorzystuje wiązkę laserową o wysokiej-energii-w osłonie gazu obojętnego do topienia i zestalania proszków metali, takich jak stop tytanu i stop aluminium, warstwa po warstwie, - bezpośrednio „rodząc”-wstępnie-zaprojektowaną-wymiarową bryłę. Konstrukcja jest gęsta w obszarach przenoszących duże obciążenia, a kratownica-lub wydrążona-w obszarach przenoszących niewielkie obciążenia, pozwala uzyskać maksymalną redukcję masy, a jednocześnie gwarantuje wytrzymałość.

Zastosowanie technologii SLM w produkcji robotów humanoidalnych widać najwyraźniej w rdzeniowych konstrukcjach nośnych-i elementach połączeń. Roboty humanoidalne muszą często chodzić, przenosić ciężary i wykonywać inne ruchy, a ich stawy nóg i ramion przenoszą ogromny moment obrotowy.

Aby zmniejszyć-ciężar własny, badacze wykorzystali technologię SLM w połączeniu z algorytmami optymalizacji topologii, aby zaprojektować zupełnie nowy typ złącza przegubowego. Zamiast stałego bloku metalu, komponent ten ma postać złożonej struktury siatkowej przypominającej biologiczną kość beleczkową.

Weźmy na przykład Optimus Gen2 Tesli -, którego konstrukcja wspierająca staw kolanowy jest wykonana z-drukowanego w 3D stopu tytanu. Proces ten nie tylko zmniejszył masę elementu o 42%, ale także znacząco poprawił jego odporność na uderzenia. Bezpośrednią zaletą tej lekkości jest szybszy ruch robota i dłuższa żywotność baterii.

Robot IRON nowej-generacji XPeng stosuje podobne podejście. Jego szkieletowa struktura wykorzystuje rozwiązanie druku 3D-, łączące włókno ciągłe lub nylon-12 z metalem, co pozwala uzyskać konstrukcję inspirowaną biologią z pustymi wnętrzami i wzmacniającymi żebrami. Jest o 40% lżejszy od tradycyjnych elementów metalowych, a mimo to jest w stanie absorbować energię w wyniku odkształcenia konstrukcji podczas upadku, chroniąc kosztowne silniki wewnętrzne przed uszkodzeniem.

Oprócz zmniejszenia masy technologia SLM rozwiązuje także wyzwania związane z produkcją precyzyjną, związaną z „koordynacją-oko-ręki” robota.

Efektor końcowy robota humanoidalnego (tj. jego robotyczna ręka) wymaga niezwykle dużej zręczności i zdolności wykrywania i zazwyczaj musi integrować silniki, przekładnie, okablowanie czujników i inne komponenty w niezwykle małej przestrzeni.

Tradycyjna produkcja wymaga montażu wielu oddzielnych części, co nie tylko powoduje duże błędy montażowe, ale także jest podatne na poluzowanie w miarę upływu czasu. Dzięki technologii SLM takie elementy, jak gniazda łożysk, kanały kablowe i kratki-rozpraszające ciepło, można zintegrować bezpośrednio w pojedynczym drukowanym elemencie, umożliwiając zintegrowaną produkcję „połączeń-z-siłownikiem”. To zintegrowane formowanie eliminuje luzy montażowe i znacznie poprawia precyzję ruchu. Na przykład w przypadku precyzyjnych komponentów, takich jak sześcioosiowe-czujniki siły, SLM może je wydrukować bezpośrednio -, co skutkuje nie tylko mniejszym rozmiarem, ale także polepszeniem zakresu pomiarowego o 50% do 250%, przy niższych kosztach niż w przypadku tradycyjnej wsadowej obróbki CNC. Ta{11}}wysoka precyzja produkcji umożliwia robotom humanoidalnym wykonywanie delikatnych zadań, takich jak nawlekanie igły czy zbieranie jaja.

Jeśli chodzi o różnorodność materiałów, technologia SLM zapewnia robotom humanoidalnym połączenie sztywności i elastyczności.

Chociaż SLM przetwarza głównie metale, podstawowa filozofia projektowania rozszerzyła się na dziedzinę specjalistycznych tworzyw konstrukcyjnych i materiałów kompozytowych. Na przykład wielo-warstwowy materiał kompozytowy o strukturze plastra miodu opracowany przez firmę Boli Technology naśladuje mechanizm amortyzujący ludzkiej tkanki mięśniowej i został zastosowany w warstwach amortyzujących łokcie i kolana pokazanych na rysunku 02.

Materiał ten jest drukowany w 3D w celu uzyskania porowatej struktury-podobnej do plastra miodu, o gęstości zaledwie 40% gęstości stopu aluminium, a mimo to może absorbować energię uderzenia i wytrzymywać ponad 1 milion cykli zginania.

Jednocześnie-wysokowydajne tworzywa konstrukcyjne, takie jak PEEK (polieteroeteroketon), są również wykorzystywane do drukowania konstrukcji podtrzymujących kręgosłup i przekładni robotów. W porównaniu z metalem PEEK ma wyjątkowo niską gęstość i właściwości-samosmarujące. Optimus Gen2 Tesli zastosował go do zastąpienia stopu aluminium, uzyskując całkowitą redukcję masy o 10 kilogramów i w rezultacie zwiększając prędkość ruchu o 30%.

Aby bardziej intuicyjnie porównać wpływ technologii SLM na różne komponenty robota, poniższa tabela ilustruje zapewniany przez nią skok wydajności:

Technologia SLM radykalnie przyspieszyła także cykl iteracyjny prac badawczo-rozwojowych nad robotami humanoidalnymi.

Tworzenie robota humanoidalnego to proces ciągłych prób i błędów. - Rysunek projektowy ukończony dzisiaj może wymagać przeglądu jutro. W przypadku tradycyjnej produkcji-w oparciu o formy cykl-tworzenia form jest długi i kosztowny, a po zmianie projektu forma staje się złomem.

Technologia SLM nie wymaga żadnej formy - po przesłaniu pliku projektu pełny prototyp lub próbkę podstawowego komponentu można wydrukować w ciągu 1–3 dni. Ten model produkcji „to, co zaprojektujesz, to otrzymasz”, pozwala zespołom badawczo-rozwojowym drukować części w ciągu jednego dnia i rozpoczynać rzeczywiste-testowanie maszyn już następnego ranka. Podczas opracowywania robota IRON firmy XPeng tę możliwość szybkiego prototypowania wykorzystano do skrócenia cyklu iteracji z „tygodni” do „dni”, co pomogło firmie szybko uzyskać przewagę na niezwykle konkurencyjnym rynku.

Ponieważ koszt proszku metalicznego produkowanego w kraju stale spada, bariera w komercjalizacji technologii SLM również spada. W 2025 r. cena proszku tytanowego produkowanego w kraju spadła aż o 50%, co umożliwiło zastosowanie-na dużą skalę elementów metalowych drukowanych w 3D-. Rozsądnie można przewidzieć, że w ciągu najbliższych pięciu lat ceny będą nadal zmierzać w stronę praktycznego minimum.

Obecnie technologię druku 3D z metalu stosuje się nie tylko w robotach humanoidalnych-klasy przemysłowej, ale rozszerzono ją także na elektronikę użytkową -, w tym na obudowę Apple Watch ze stopu tytanu i zawiasy do składanych smartfonów -, co pokazuje jej dojrzałość do-precyzyjnej produkcji na dużą skalę.