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自科幻小說面世以來，描繪過各種各樣的機器人，從生活到太空，無所不能，無所不有。3D打印機在某種意義上代表了邁向全面自動化的第一步：拋出一個設計，機器就能制造出實物，就像憑空出現(xiàn)的一樣。因此MakerBot公司將其臺式3D打印機以“星際迷航”中的設備命名：“Replicator”，意思是可以將物質隨意重組。
Stratasys的Infinite Build Demonstrator，工業(yè)機器人手臂在替換球團容器或工具頭
一旦拋開臺式3D打印機身上的光環(huán)，人們就會發(fā)現(xiàn)增材制造（AM）機器需要的工序遠比單純按下“打印”按鈕復雜，尤其是工業(yè)用機器。3D打印機給人的深刻印象就是使用金屬、塑料、陶瓷等材料制造出形狀復雜的部件。但是為了確保制造出來的實物沒有偏差，需要前期大量的數(shù)據準備和后期處理。
從目前發(fā)表的有關金屬3D打印文章就可以了解到，該技術需要極其精細的前期準備，從部件彎曲度到裂紋及微觀孔隙，甚至是涉及切割或數(shù)控銑削的金屬部件等。
因此，在全面實現(xiàn)生產自動化之前，我們需要先使機器本身實現(xiàn)自動化。這正是需要3D打印系統(tǒng)制造商研究的課題。本文將介紹3D Systems，GE Additive的子公司Concept Laser，Stratasys和Voodoo Manufacturing等公司是如何實現(xiàn)3D打印技術自動化的。
他們通常研究如何使3D打印機自動化或引入協(xié)助生產過程的機器人手臂。制造商的目的是增加生產量，加快生產速度，降低運營成本并增加營收。
Voodoo Manufacturing
該公司利用臺式3D打印機，以比一般工業(yè)AM系統(tǒng)所需的更低成本批量生產3D打印產品。
“3D打印的核心優(yōu)勢之一就是其基于CAD / CAM的數(shù)字技術，而非依賴特定的模具或者工具才能進行新部件的制作?！盫oodoo Manufacturing的共同創(chuàng)始人兼首席產品官Jonathan Schwartz說道，“與后者相比，前者的前期準備時間與成本幾乎為零，這是與其他制造技術的根本區(qū)別。當今塑料部件最常用的制作方法是注塑成型，而我們正在與這種方式競爭。傳統(tǒng)注塑技術需要先制作模具，其價格從1萬美元至1000萬美元不等。不止價格昂貴，而且缺少靈活性。如果需要調整，就必須重新制作模具?！?/p>
完善后的工作流程通常由九個MakerBot Replicator打印單元組成，Skywalker項目發(fā)布后還包括比Raise3D的大得多的N2 Plus系統(tǒng)。
通過Skywalker項目實現(xiàn)制造過程中重要部分的自動化
Skywalker目的是通過在打印過程完成后自動執(zhí)行所需的簡單步驟，從而提高3D打印效率。該系統(tǒng)在位于傳送帶旁邊的Universal Robots部署了一個低成本的UR10機器人手臂，用于從單個單元內的機器上移除打印部件，然后將仍附著在打印版上的部件放置在傳送帶上，再將新打印床放入系統(tǒng)中。這個步驟可以全天候不間斷運行，無需人工干預。
這個過程占總工作量的10％，有機器人手臂運行的所有機器生產率均提高3倍。員工只需每天早上收集頭天晚上制作好的部件并脫模，就可以進行后期處理及出貨。
UR10機器人（售價僅為5萬美元）將完成的定制打印產品放到傳送帶上
為了簡化收集過程，機器人手臂已預先寫入設定路徑程序，可用機器視覺精確地從打印機床取下制作好的部件。Voodoo公司還開發(fā)了文件自動化軟件，可在準備過程實現(xiàn)部分自動化：定位3D模型，確定打印設置，放入打印隊列并將其發(fā)送到隊列中指定的打印機。
由于成本的關系，3D打印越來越多的采用自動化技術。過去采用3D打印設計原型是因為大規(guī)模投產前是不會單獨制作少量零件的。使用類似注塑的工藝，能夠以更低的成本大批量生產零部件。然而由于現(xiàn)在使用3D打印來創(chuàng)建工程級零部件，因此需要采取措施使流程更具可擴展性。
Voodoo公司表示，Skywalker項目的主要目標是通過在工廠進行全天候不間斷的生產，增加產能及利用率。隨著產量的增加，提高跟注塑制作的成本競爭力。
與此同時，該公司還利用3D打印的優(yōu)勢進行批量生產。3D打印機不僅能夠定制其他制作無法達成的幾何圖形，還可以進行大規(guī)模生產。由于每臺3D打印機都能生產定制的零部件，該公司可以一次性批量生產各種定制產品，這是其他制作技術無法做到的。
但是將機器人手臂固定在一個位置并不能發(fā)揮它的全部潛力，因此該公司開發(fā)了可移動的機器人系統(tǒng)，使其從9臺打印機的工作單元擴展到全廠的100臺打印機。
這個概念到目前為止已取得重大進展，即：在機器人內裝置不同的組件，經由物理定位系統(tǒng)移動到每臺打印機邊上并使用視覺系統(tǒng)不差分毫地取下制作好的部件。
隨著MakerBot機器擴展到其他系統(tǒng)以及得益于Skywalker系統(tǒng)的靈活性，Voodoo公司希望接下來的一年里能使此概念成為現(xiàn)實。這也是研發(fā)團隊的核心，只有足夠的靈活性，才能保證該系統(tǒng)可以與目前市場推出的打印機兼容。如果無法兼容，就要采取相應措施解決。
選擇低成本機器人手臂的原因之一也在于此。與大型工業(yè)機器人手臂不同，UR10的適應性很強，更容易集成到現(xiàn)有的工廠環(huán)境中。隨著Voodoo公司的發(fā)展，Skywalker也會再次升級。
Stratasys
在2017年RAPID + TCT上，Stratasys公布了與Voodoo公司相似打印產品的工業(yè)版：Continuous Build 3D Demonstrator。 該系統(tǒng)由一系列可擴展的FDM 3D打印機組成，可連續(xù)打印多批零部件。打印完成后，零部件就會從機器中自動彈出，然后啟動新的打印作業(yè)。
FATHOM等公司已采用Continuous Build 3D Demonstrator進行生產
該系統(tǒng)具有自動隊列管理功能，可平衡整個平臺的打印作業(yè)。如果一臺機器打印失敗，另一臺打印機會繼續(xù)作業(yè)。薩瓦納（Savannah）藝術設計學院和制造服務提供商In‘Tech Industries與FATHOM公司已經開始應用此系統(tǒng)。
為了實現(xiàn)自動化熄燈生產，該系統(tǒng)可以自行開關打印機門并自動開始打印，同時還包括一系列構建表單，打印完成后就會自動彈出。
與Voodoo公司的打印單元類似，Continuous Build Demonstrator可以實現(xiàn)大規(guī)模定制。Stratasys負責人Sevcik解釋說：“注塑是批量生產相同的部件，而我們的系統(tǒng)是在大型3D打印機上打印不同物體。這可以實現(xiàn)快速且高質量的定制，還可優(yōu)化吞吐量，進行大規(guī)模生產?！?/p>
除此之外，Stratasys還采取措施使其他FDM技術更適合于生產環(huán)境。Voodoo的設計概念無法使用大型機器人手臂，所以工業(yè)應用仍需要工業(yè)措施來解決。Stratasys已經著手開發(fā)依賴于工業(yè)機器人手臂的AM解決方案，并將解決方案集成到應用大型機器人系統(tǒng)進行制造的工廠設置中。
2016年推出的Infinite Build Demonstrator使用工業(yè)機器人手臂來填充打印機料斗。 因為可以預設打印長度，因此非工作時間內打印機都可自動作業(yè)。如果沉積頭需要更換，機器人手臂就可進行操作。
當打印頭將碳纖維增強塑料擠出到平臺上時，旋轉臺翻轉打印件
借助Robotics Composite Demonstrator器，Stratasys將機器人手臂與3D打印頭相結合。該系統(tǒng)可將復合材料擠到五軸打印平臺上，從而保證材料的增強纖維的最佳朝向，同時還增加了制造的靈活性。
全自動運行，減少了打印和后期處理的時間和人力
“我們正在使用工業(yè)機器人和工業(yè)運動管理程序作為沉積頭的運作系統(tǒng)”，Sevcik說，“這樣我們就能將目前已知的車間管理系統(tǒng)完美結合成新的系統(tǒng)。新的系統(tǒng)具有互連技術所必需的接口，因此可以收集系統(tǒng)數(shù)據并反饋回使用的工廠，達到額外分析的目的?！?/p>
目前，復合材料制造需要大量人力并且成本高昂，因此自動化設備的需求迫在眉睫。出于這個原因，Markforged和Impossible Objects等多家公司都開發(fā)了復合材料3D打印機。
Sevcik強調，Continuous Build Demonstrator與Robotics Composite Demonstrator都能不限配置使用。例如Continuous Build系統(tǒng)可以與其他類型的3D打印機一起使用。而Robotics Composite Demonstrator的優(yōu)點在于其依賴顆粒原料而非絲材，并且擠出速率優(yōu)于絲材機器，這項技術也有可能應用于其他系統(tǒng)。
3D Systems
3D Systems公司也同樣在3D打印流程中引進機器人手臂——Figure 4。雖然業(yè)內對該打印平臺的定義是獨立式打印機，但3D Systems還展示了機器人手臂協(xié)助生產過程的多種配置。
將快速打印與自動化技術（如材料前后期處理）結合起來，用于面向工廠生產的模塊化系統(tǒng)
該系統(tǒng)包括多臺打印機和機器人手臂，可將完成的部件從構建平臺轉移到后期處理站進行額外的紫外線固化。該公司甚至還展示了一個零件檢測模塊，其中一個機器人手臂在掃描儀前旋轉制成的零件，使零件與其3D模型相匹配，以確保準確性。生產過程中的物料傳送也是自動化的。
3D Systems的高級研究員Scott Turner詳細闡述了如何根據客戶需求進行配置：對于高容量的應用，它將被配置為一個靈活的制造單元，F(xiàn)igure 4所需的工作引擎將由全自動機器人提供，并可以隨著需求的增加進行拓展。不僅如此，該產品還針對工廠環(huán)境進行了配置，包括了工業(yè)4.0數(shù)據收集和客戶交付智能制造系統(tǒng)。
針對不同的工廠環(huán)境，F(xiàn)igure 4還有另一款模塊化的版本。它具有中央控制臺，可以在各個工作站的本地化打印引擎間協(xié)調生產。該技術的設計從工作車間的環(huán)境出發(fā)，旨在滿足每個工廠的生產。圖中的獨立3D打印機將會承擔小批量生產的工作。
自動化對于提高Figure 4的打印吞吐量和減少停機時間至關重要，持續(xù)數(shù)字光處理技術（cDLP）以及材料也起到了很大的作用。由于cDLP技術制作的部件中沒有可見的層，所以所需的后期處理較少。
DMP 8500是一個模塊化的金屬3D打印解決方案，將于 2018年第四季度發(fā)布
然而這并不是3D Systems實現(xiàn)自動化的唯一技術。2017年，3D Systems還推出了DMP 8500工廠解決方案，并稱其為“第一個真正可拓展、自動化和集成化的3D打印制造解決方案”。
該解決方案由幾個模塊構成，包括用于制造的打印機模塊；用于粉末傳送和零件傳送的可移動模塊（RPMs）；用于回收粉末、去除粉末的粉末管理模塊；用于運輸可移動模塊的傳輸模塊。
該公司Metals & Healthcare部門的執(zhí)行副總裁Kevin McAlea解釋了該平臺針對金屬增材制造相關問題的解決方法。當前的產業(yè)現(xiàn)狀下，沒有一刀切的生產流程，因此DMP 8500模塊化的設計就可以為特定的工作站點用戶提供特定的配置，以適配其生產流程，最大限度的利用每個模塊的價值。與其他的金屬制造技術相比，金屬3D打印仍舊有較高的成本。DMP8500工廠解決方案旨在使工作流程自動化，以降低總操作成本，實現(xiàn)規(guī)?；⒋笈康纳a，并確保部件準確，可在多個打印機間重復制作。
GE Additive/Concept Laser
Concept Laser的產品經理Oliver Kaczmarzik認為，隨著3D打印逐漸轉化為一門生產技術，這些機器的產生導向了更大的轉變過程。近些年，增材制造正在經歷一個從原型制造向直接生產轉變的過程，對許多公司來說，如何滿足市場日益增長的需求已經成了一個挑戰(zhàn)。工廠需要更多的機器，但車間的空間是有限的，訂單的增加也給粉末材料的管理帶來了壓力?，F(xiàn)有的生產機器，大多為獨立的解決方案，若客戶需要進行框架調整，就幾乎無法進行有效率的生產。面對這個挑戰(zhàn)，Concept Laser開發(fā)了一系列創(chuàng)新的解決方案，為消費者提供了模塊化的機器架構，以達到工業(yè)規(guī)模下的經濟系列化生產。
Concept Laser旗下的M LINE FACTORY，圖右為M LINE FACTORY PRD生產單元，圖左為M LINE FACTORY PCG安裝拆除單元。
為了平衡機器的大小和生產力，Concept Laser在2016年推出了幾種解決方案。M LINE FACTORY PRD就是其中之一，該系統(tǒng)由三個模塊組成，分別用于裝粉、打印、溢流回收，所有模塊均由內部管道系統(tǒng)連接。據Kaczmarzik稱，該機器還具有四個激光束，可以保證更快的構建速度和更高的生產率，降低每部分的成本。
該系統(tǒng)可以自動進粉，不必中斷打印作業(yè)，可以進一步提高打印機的生產效率。未來Concept Laser可能會在該系統(tǒng)中內置一個自動化的工具轉換系統(tǒng)，使之將增材制造和傳統(tǒng)的減法制造相結合。
圖中所示為兩個生產單元，安裝在粉末基站的兩邊，可以進行平行生產。
該系統(tǒng)與M LINE FACTORY PCG相配套，是一個獨立的封閉單元，操作人員可以在不接觸粉末的情況下，直接將粉末用于新的打印項目或者處理已完成的打印件。該系統(tǒng)的設計初衷是在PRD機器開始打印新的部件的時候直接將完成打印的部件轉移到PCG機器中，這些機器網絡將通過平板電腦通過互聯(lián)網控制，共同構成”AM Factory of the Future”生態(tài)系統(tǒng)。
該圖為”AM Factory of Tomorrow”系統(tǒng)的示意圖，多臺機器以如圖的方式排列，可以批量生產3D打印部件。
據稱，該解決方案中的每一部分都是自動化的，包括從打印件中去除殘余粉末，并在機器之間傳送模塊，該系統(tǒng)將不斷的進行工業(yè)化和自動化的升級，直到實現(xiàn)完全的自動化。
自動化趨勢
為了更好地理解自動化是如何適應行業(yè)前景的，我們采訪了3D Printing Business Media的首席執(zhí)行官和創(chuàng)始人Davide Sher，他同時也是SmarTech Markets Publishing的高級分析師。
Sher認為自動化趨勢是3D打印技術向生產技術轉變的一部分，而并不是孤立的一部分。
“大多數(shù)運營商不再認為3D打印機是獨立的機器，而是作為端到端生產流程的一部分，包括：材料處理系統(tǒng)、多個增材制造系統(tǒng)、部件處理系統(tǒng)、部件清潔系統(tǒng)、固化/熱處理系統(tǒng)、支撐物/粉末去除和回收系統(tǒng)、部件檢查系統(tǒng)和部件完善系統(tǒng)，”Sher說?！芭c此同時，這種轉變也發(fā)生在軟件層面，CAD/CAM/CAE軟件輸入到仿真、制造系統(tǒng)（MES）和PLM軟件工具當中。隨著3D打印機從獨立的原型生產設備轉向批量生產機器，這將會是一個很自然的轉變?！?/p>
據稱，自動化將增加更多的打印系統(tǒng)訂單，因為工廠內的生產機器數(shù)量和生產能力之間有著直接的聯(lián)系。目前被忽視的行業(yè)領域例如零件加工處理，也將變得更加重要，反過來，機器人行業(yè)的運營商也將在增材制造的過程中獲得更加豐厚的利益。
社會對于自動化的關注
拋開勞動力轉移來談自動化是不可能的，根據牛津大學的一項研究，美國47%的職位在未來的20年內處于自動化的風險中。這不僅包括了工業(yè)機械臂可以完成的任務，甚至還包括了能夠取代呼叫中心的操作員以及初級律師的人工智能。
當被問及這些問題的解決方法時，每一位接受采訪的公司代表都給出了類似但不同的答案：某些技術的自動化將解放其他就業(yè)領域，甚至創(chuàng)造更多的就業(yè)機會。
例如，Stratasys公司的Scott Sevcik認為，一旦復合材料的手工鋪設實現(xiàn)了自動化，對于零件設計和改進3D打印工藝有關的工程技能的需求就會進一步提升。一部分需要熟練工的崗位將會被自動化，但他們仍然有機會去操作這些系統(tǒng)并對其加以維護，最終推動它們向前發(fā)展。
來自3D Systems的Scott Turner也同意Sevcik的觀點，他表示，未來的勞動力不會參與到大批量生產相同產品的過程中，相反，他們將在自動化工廠定制、優(yōu)化產品的過程中起到很大的作用。
Turner還指出，隨著分布式制造的發(fā)展，3D打印機將會被布局在離生產點更近的地方，這就為我們帶來了更多的就業(yè)崗位。Turner表示，為了讓企業(yè)在自動化生產的新模式中取得成功，他們將需要大量的員工，這些員工能夠在客戶附近利用當?shù)氐纳a中心工作，為客戶們提供優(yōu)質的產品。對于增材制造技術的充分利用，會將我們進一步推向全球數(shù)字技術時代。
雖然自動化程度的提高，某些領域會產生更多的就業(yè)機會，但現(xiàn)有的員工仍然會擔心失業(yè)問題。一個部門的工作機會可能意味著另一個部門的失業(yè)問題，原來的機器操作員可能會被解雇，而新的市場營銷人員或銷售人員將被雇用。
Davide Sher表示他不認為工業(yè)制造自動化與整體的失業(yè)之間存在著直接聯(lián)系，在他看來，從事基本醫(yī)療或法律分析等職業(yè)的人員比復雜的體力勞動更容易實現(xiàn)自動化。
他認為，高級別的手工工作將最后被自動化所替代。新的工作將在自動化軟硬件工具開發(fā)的過程中產生，而關鍵的工人將繼續(xù)發(fā)展成為高度專業(yè)化的機器操作員。理論情況下，完全優(yōu)化的生產過程可以使生產完全可持續(xù)，這樣的社會中，生產是沒有上限的，更好地生產實踐可能會意味著更多的工作，而不是工作的匱乏。
來自Voodoo的Jonathan Schwartz表示，他一直熱衷于用自己的員工來解決這些問題。在他的工廠中，每個員工負責20臺打印機。在一兩年內，這個數(shù)字將會變成每個員工100臺打印機，并且，隨著時間的推移，這個數(shù)字也會不斷地上升。沒有員工會因為機械化被解雇，這只意味著公司的更高速拓展。
他還強調，由于操作任務是自動化的，新的維護任務就被提上了日程，但他也指出，機器操作員在定期的工程決策中發(fā)揮著越來越重要的作用。Voodoo還計劃投資對員工進行培訓，以確保員工的技能與公司所需的工作保持同步。
他解釋道：“我們希望他們能夠熟練地使用技術，并幫助我們在時間的推移過程中維護、優(yōu)化工廠。多年來我們將投資用于培訓，并有所成效，接下來我們將會進一步培訓我們的團隊，以便在職業(yè)生涯后，讓員工們學到更多東西，我相信薪餉等級也會相應地有所提升。”
Voodoo的員工一定會倍感欣慰，他們不僅可以確保自己工作的安全，還可以感受到自動化給公司帶來的上行流動性的提升。然而并非每個增材制造行業(yè)的公司都會做出這樣的承諾。
工商網監(jiān)
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