Η συμβολή της τρισδιάστατης εκτύπωσης σε εφαρμογές ρομπότ

Η τεχνολογία μεταλλικής τρισδιάστατης εκτύπωσης (SLM), μέσω της ενσωματωμένης διαμόρφωσης και βελτιστοποίησης τοπολογίας, έχει γίνει μια βασική μέθοδος κατασκευής για την επίτευξη εξαιρετικά ελαφρού βάρους και υψηλής απόδοσης σε ανθρωποειδή ρομπότ. Αυτό όχι μόνο μειώνει σημαντικά την ενέργεια που καταναλώνεται κατά τη διάρκεια της κίνησης, αλλά βελτιώνει επίσης σημαντικά τη δυναμική ταχύτητα απόκρισης και τη φέρουσα ικανότητα-του ρομπότ.

Στην ανάπτυξη ανθρωποειδών ρομπότ, μία από τις πιο δύσκολες προκλήσεις για τις μεγάλες εταιρείες τεχνολογίας είναι να δώσουν στην τεχνητή νοημοσύνη ένα σώμα που είναι ταυτόχρονα δυνατό και ελαφρύ.

Οι παραδοσιακές μέθοδοι επεξεργασίας μετάλλων, όπως η χύτευση ή η κατεργασία με CNC, συχνά περιορίζονται από τις διαδρομές εργαλείων και τη γεωμετρία του καλουπιού, γεγονός που καθιστά δύσκολη την κατασκευή πολύπλοκων εσωτερικών κοίλων κατασκευών ή σκελετικών σχεδίων εμπνευσμένων από βιολογικά-έμπνευση. Το αποτέλεσμα είναι ογκώδη εξαρτήματα που επιβαρύνουν επιπλέον τους κινητήρες. Η εμφάνιση της τεχνολογίας Selective Laser Melting (SLM) έχει σπάσει αυτό το αδιέξοδο. Αυτή η τεχνολογία χρησιμοποιεί μια δέσμη λέιζερ υψηλής-ενέργειας-πυκνότητας, υπό προστασία αδρανούς αερίου, για να λιώσει και να στερεοποιήσει μεταλλικές σκόνες όπως το κράμα τιτανίου και το κράμα αλουμινίου στρώμα προς στρώμα - "αναπτύσσοντας" απευθείας το προ-σχεδιασμένο τρισδιάστατο στερεό. Η κατασκευή γίνεται πυκνή σε περιοχές που αντέχουν βαριά φορτία και πλέγμα{10}}όπως ή κούφιο-σε περιοχές που αντέχουν ελαφρά φορτία, επιτυγχάνοντας μέγιστη μείωση βάρους ενώ παράλληλα εγγυάται αντοχή.

Η εφαρμογή της τεχνολογίας SLM στην κατασκευή ανθρωποειδών ρομπότ αντικατοπτρίζεται με μεγαλύτερη σαφήνεια στις δομές που φέρουν-φορτίο πυρήνα και στα εξαρτήματα αρμών. Τα ανθρωποειδή ρομπότ πρέπει να περπατούν συχνά, να μεταφέρουν φορτία και να εκτελούν άλλες κινήσεις, και οι αρθρώσεις των ποδιών και των χεριών τους φέρουν τεράστια ροπή.

Για να μειώσουν το βάρος του εαυτού τους, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν την τεχνολογία SLM σε συνδυασμό με αλγόριθμους βελτιστοποίησης τοπολογίας για να σχεδιάσουν έναν εντελώς νέο τύπο συνδέσμου αρμών. Αντί για ένα συμπαγές μπλοκ από μέταλλο, αυτό το συστατικό έχει τη μορφή μιας πολύπλοκης δομής πλέγματος που μοιάζει με βιολογικό δοκιδωτό οστό.

Πάρτε για παράδειγμα το Optimus Gen2 της Tesla - η δομή στήριξης της άρθρωσης του γόνατος είναι κατασκευασμένη από 3D-εκτυπωμένο κράμα τιτανίου. Αυτή η διαδικασία όχι μόνο μείωσε το βάρος του εξαρτήματος κατά 42%, αλλά και βελτίωσε σημαντικά την αντοχή του στην κρούση. Το άμεσο μέρισμα αυτού του ελαφρού βάρους είναι η ταχύτερη κίνηση του ρομπότ και η μεγαλύτερη διάρκεια ζωής της μπαταρίας.

Το ρομπότ IRON νέας γενιάς-XPeng ακολουθεί παρόμοια προσέγγιση. Η σκελετική του δομή χρησιμοποιεί μια τρισδιάστατη-εκτυπωμένη λύση που συνδυάζει συνεχείς ίνες ή νάιλον-12 με μέταλλο, επιτυγχάνοντας ένα σχέδιο βιολογικής έμπνευσης με κοίλο εσωτερικό και ενισχυτικές νευρώσεις. Είναι 40% ελαφρύτερο από τα παραδοσιακά μεταλλικά εξαρτήματα, αλλά είναι σε θέση να απορροφά ενέργεια μέσω δομικής παραμόρφωσης κατά τη διάρκεια μιας πτώσης, προστατεύοντας τους δαπανηρούς εσωτερικούς κινητήρες από ζημιές.

Πέρα από τη μείωση βάρους, η τεχνολογία SLM επιλύει επίσης τις προκλήσεις κατασκευής ακριβείας που σχετίζονται με τον "συντονισμό των χεριών-ματιών ενός ρομπότ".

Ο τελικός τελεστής ενός ανθρωποειδούς ρομπότ (δηλαδή το ρομποτικό του χέρι) απαιτεί εξαιρετικά υψηλή επιδεξιότητα και ικανότητα αίσθησης και συνήθως χρειάζεται να ενσωματώσει κινητήρες, γρανάζια μετάδοσης, καλωδιώσεις αισθητήρων και άλλα εξαρτήματα σε έναν εξαιρετικά στενό χώρο.

Η παραδοσιακή κατασκευή απαιτεί τη συναρμολόγηση πολλαπλών ξεχωριστών εξαρτημάτων, τα οποία όχι μόνο εισάγουν μεγάλα σφάλματα συναρμολόγησης αλλά είναι επίσης επιρρεπή σε χαλάρωση με την πάροδο του χρόνου. Με την τεχνολογία SLM, χαρακτηριστικά όπως καθίσματα ρουλεμάν, συρμάτινα κανάλια και γρίλιες απαγωγής θερμότητας-μπορούν να ενσωματωθούν απευθείας σε ένα μεμονωμένο τυπωμένο εξάρτημα, επιτρέποντας την ενσωματωμένη κατασκευή "από κοινού{-σε-ενεργοποιητή". Αυτή η ενσωματωμένη φόρμα εξαλείφει τα διάκενα συναρμολόγησης και βελτιώνει σημαντικά την ακρίβεια της κίνησης. Για παράδειγμα, για εξαρτήματα ακριβείας όπως έξι-αισθητήρες δύναμης αξόνων, η SLM μπορεί να τα εκτυπώσει απευθείας - με αποτέλεσμα όχι μόνο σε μικρότερο μέγεθος αλλά και βελτιωμένο εύρος μέτρησης κατά 50% έως 250%, με χαμηλότερο κόστος από την παραδοσιακή κατεργασία παρτίδας CNC. Αυτή η ικανότητα κατασκευής υψηλής

Όσον αφορά την ποικιλομορφία των υλικών, η τεχνολογία SLM φέρνει επίσης στα ανθρωποειδή ρομπότ έναν συνδυασμό ακαμψίας και ευελιξίας.

Ενώ η SLM επεξεργάζεται κυρίως μέταλλα, η υποκείμενη σχεδιαστική φιλοσοφία της έχει επεκταθεί στη σφαίρα των εξειδικευμένων πλαστικών μηχανικής και των σύνθετων υλικών. Για παράδειγμα, το σύνθετο υλικό με κυψελοειδή πολλαπλών{1}}στρώσεων που αναπτύχθηκε από την Boli Technology μιμείται τον μηχανισμό απορρόφησης του ανθρώπινου μυϊκού ιστού και έχει εφαρμοστεί στα στρώματα απορρόφησης του αγκώνα και του γονάτου του Σχήματος 02.

Αυτό το υλικό εκτυπώνεται τρισδιάστατα σε μια πορώδη δομή-όπως κηρήθρα με πυκνότητα μόλις 40% εκείνης του κράματος αλουμινίου, ωστόσο μπορεί να απορροφήσει την ενέργεια κρούσης και να αντέξει περισσότερους από 1 εκατομμύριο κύκλους κάμψης.

Ταυτόχρονα, τα πλαστικά μηχανικής υψηλής απόδοσης{{0}, όπως το PEEK (κετόνη πολυαιθερικού αιθέρα) χρησιμοποιούνται επίσης για την εκτύπωση των δομών στήριξης της σπονδυλικής στήλης και των γραναζιών των ρομπότ. Σε σύγκριση με το μέταλλο, το PEEK έχει εξαιρετικά χαμηλή πυκνότητα και αυτο{2}}λιπαντικές ιδιότητες. Το Optimus Gen2 της Tesla το χρησιμοποίησε για να αντικαταστήσει το κράμα αλουμινίου, επιτυγχάνοντας συνολική μείωση βάρους κατά 10 κιλά και ενισχύοντας την ταχύτητα κίνησης κατά 30% ως αποτέλεσμα.

Για να συγκρίνετε πιο διαισθητικά τα αποτελέσματα της τεχνολογίας SLM σε διαφορετικά εξαρτήματα ρομπότ, ο παρακάτω πίνακας απεικονίζει τα άλματα απόδοσης που προσφέρει:

Η τεχνολογία SLM έχει επίσης επιταχύνει δραματικά τον κύκλο επανάληψης Ε&Α για ανθρωποειδή ρομπότ.

Η ανάπτυξη ενός ανθρωποειδούς ρομπότ είναι μια διαδικασία συνεχούς δοκιμής και λάθους - ένα σχέδιο σχεδίασης που ολοκληρώθηκε σήμερα μπορεί να χρειαστεί αναθεώρηση αύριο. Με την παραδοσιακή κατασκευή με βάση το καλούπι-, ο κύκλος κατασκευής καλουπιών-είναι μακρύς και δαπανηρός, και μόλις αλλάξει το σχέδιο, το καλούπι γίνεται σκραπ.

Η τεχνολογία SLM δεν απαιτεί καθόλου καλούπι - μετά τη μεταφόρτωση ενός αρχείου σχεδίασης, ένα πλήρες πρωτότυπο ή δείγμα βασικού στοιχείου μπορεί να εκτυπωθεί εντός 1 έως 3 ημερών. Αυτό το μοντέλο κατασκευής "ό,τι σχεδιάζετε είναι αυτό που παίρνετε" επιτρέπει στις ομάδες Ε&Α να εκτυπώνουν εξαρτήματα κατά τη διάρκεια της νύχτας και να ξεκινούν πραγματικές δοκιμές μηχανών το επόμενο πρωί. Στην ανάπτυξη του ρομπότ IRON της XPeng, αυτή η δυνατότητα ταχείας δημιουργίας πρωτοτύπων χρησιμοποιήθηκε για τη συμπίεση του κύκλου επανάληψης από "εβδομάδες" σε "ημέρες", βοηθώντας την εταιρεία να εκμεταλλευτεί ένα πρώιμο πλεονέκτημα σε μια σκληρά ανταγωνιστική αγορά.

Καθώς το κόστος της εγχώριας παραγόμενης σκόνης μετάλλου συνεχίζει να μειώνεται, το εμπόδιο για την εμπορευματοποίηση της τεχνολογίας SLM πέφτει επίσης. Το 2025, η τιμή της εγχώριας παραγόμενης σκόνης τιτανίου μειώθηκε έως και 50%, καθιστώντας δυνατή-με μεγάλη κλίμακα την εφαρμογή τρισδιάστατων-εκτυπωμένων μεταλλικών εξαρτημάτων. Είναι λογικό να προβλεφθεί ότι οι τιμές θα συνεχίσουν να κινούνται προς το πρακτικό κατώτατο όριο τα επόμενα πέντε χρόνια.

Σήμερα, η μεταλλική τεχνολογία τρισδιάστατης εκτύπωσης εφαρμόζεται όχι μόνο σε βιομηχανικά-ανθρωποειδή ρομπότ, αλλά έχει επεκταθεί και σε ηλεκτρονικά είδη ευρείας κατανάλωσης - συμπεριλαμβανομένης της θήκης από κράμα τιτανίου του Apple Watch και των μεντεσέδων για πτυσσόμενα smartphone -, επιδεικνύοντας την ωριμότητά της για κατασκευή ακριβείας μεγάλης κλίμακας.