3D-printimise panus robotrakendustesse

Metallist 3D-printimise (SLM) tehnoloogiast on integreeritud vormimise ja topoloogia optimeerimise kaudu saanud peamine tootmismeetod humanoidrobotite äärmise kergekaalulisuse ja suure jõudluse saavutamiseks. See mitte ainult ei vähenda märkimisväärselt liikumise ajal tarbitavat energiat, vaid parandab märkimisväärselt ka roboti dünaamilist reageerimiskiirust ja koormustaluvust{2}}.

Humanoidrobotite arendamisel on suurte tehnoloogiaettevõtete jaoks üks raskemaid väljakutseid tehisintellektile nii tugeva kui ka kerge keha andmine.

Traditsioonilisi metallitöötlemismeetodeid, nagu valamine või CNC-mehaaniline töötlemine, piiravad sageli tööriistade rajad ja vormi geomeetria, mistõttu on keerukate sisemiste õõneskonstruktsioonide või bio-inspireeritud skeleti kujunduste tootmine keeruline. Tulemuseks on mahukad komponendid, mis koormavad mootoreid täiendavalt. Selektiivse lasersulatustehnoloogia (SLM) esilekerkimine on sellest ummikseisust välja murdnud. See tehnoloogia kasutab suure-energiatihedusega-laserkiirt inertgaasi kaitse all metallipulbrite (nt titaanisulami ja alumiiniumisulami) sulatamiseks ja tahkestamiseks kihthaaval -, "kasvatades" otseselt eelnevalt-kujundatud kolme-dimensioonilist tahket ainet. Konstruktsioon on tihendatud tugevat koormust kandvates piirkondades ja võre{10}}sarnaselt või õõnestatud{11}}aladel, mis kannavad väikest koormust, saavutades maksimaalse kaalulanguse, tagades samas tugevuse.

SLM-tehnoloogia rakendamine humanoidrobotite valmistamisel kajastub kõige selgemalt südamiku-kandekonstruktsioonides ja liigendkomponentides. Humanoidrobotid peavad sageli kõndima, kandma koormaid ja tegema muid liigutusi ning nende jalgade ja käte liigesed kannavad tohutut pöördemomenti.

Omakaalu vähendamiseks{0}} on teadlased kasutanud SLM-tehnoloogiat koos topoloogia optimeerimise algoritmidega, et kujundada täiesti uut tüüpi ühenduspistikud. Tahke metallploki asemel on see komponent keeruka võrkstruktuuri kujul, mis sarnaneb bioloogilise trabekulaarse luuga.

Võtke näiteks Tesla Optimus Gen2 - selle põlveliigese tugistruktuur on valmistatud 3D-prinditud titaanisulamist. See protsess mitte ainult ei vähendanud komponendi kaalu 42%, vaid parandas oluliselt ka selle löögikindlust. Selle kergekaalulisuse otsene dividend on roboti kiirem liikumine ja pikem aku kasutusiga.

XPengi uue{0}}põlvkonna IRON robot järgib sarnast lähenemist. Selle skeleti struktuuris on kasutatud 3D-prinditud lahendust, mis ühendab pideva kiu või nailon-12 metalliga, saavutades õõnsate sisemuste ja tugevdavate ribidega bio-inspireeritud disaini. See on 40% kergem kui traditsioonilised metallkomponendid, kuid suudab kukkumisel konstruktsiooni deformatsiooni tõttu energiat neelata, kaitstes kulukaid sisemisi mootoreid kahjustuste eest.

Lisaks kaalu vähendamisele lahendab SLM-tehnoloogia ka täppistootmise väljakutsed, mis on seotud roboti "käe{0}}silma koordineerimisega."

Humanoidroboti lõppefektor (st selle robotkäsi) nõuab äärmiselt suurt osavust ja tundlikkust ning tavaliselt peab see integreerima mootorid, käigukastid, anduri juhtmestiku ja muud komponendid äärmiselt kitsasse ruumi.

Traditsiooniline tootmine nõuab mitme eraldi osa kokkupanemist, mis mitte ainult ei too kaasa suuri montaaživigu, vaid võib aja jooksul ka lahti tulla. SLM-tehnoloogia abil saab selliseid funktsioone nagu laagripesad, traatkanalid ja soojus{1}}eraldusvõred integreerida otse ühte prinditud komponenti, mis võimaldab integreeritud ühendus-to{3}}täiturmehhanismi. See integreeritud vormimine välistab koostevahed ja parandab oluliselt liikumise täpsust. Näiteks täppiskomponentide, nagu kuue-teljejõu anduri puhul, saab SLM neid otse printida -, mille tulemuseks on mitte ainult väiksem suurus, vaid ka mõõtmisvahemik, mis paranevad 50% kuni 250%, madalama hinnaga kui traditsiooniline partii-CNC-töötlus. See{11}}täpne tootmisvõime võimaldab humanoidrobotidel täita delikaatseid ülesandeid, nagu nõelale niidistamine või muna ülesvõtmine.

Materjali mitmekesisuse osas toob SLM-tehnoloogia humanoidrobotite hulka ka jäikuse ja paindlikkuse kombinatsiooni.

Kuigi SLM töötleb peamiselt metalle, on selle aluseks olev disainifilosoofia laienenud ka spetsiaalsete tehniliste plastide ja komposiitmaterjalide valdkonda. Näiteks Boli Technology välja töötatud mitmekihiline kärgstruktuuri komposiitmaterjal jäljendab inimese lihaskoe amortisatsioonimehhanismi ja seda on kantud joonisel 02 kujutatud küünarnuki- ja põlvepolsterduskihtidele.

See materjal on 3D-prinditud kärgstruktuuri sarnaseks poorseks struktuuriks, mille tihedus on ainult 40% alumiiniumisulami tihedusest, kuid see võib neelata löögienergiat ja taluda enam kui 1 miljonit painutustsüklit.

Samal ajal kasutatakse robotite selgroo tugistruktuuride ja hammasrataste printimiseks ka suure jõudlusega{0}}tehnilisi plastmassi, nagu PEEK (polüeeterketoon). Võrreldes metalliga on PEEKil äärmiselt madal tihedus ja isemäärduvad omadused. Tesla Optimus Gen2 kasutas seda alumiiniumisulami asendamiseks, saavutades üldise kaalulanguse 10 kilogrammi ja suurendades selle tulemusel liikumiskiirust 30%.

SLM-tehnoloogia mõjude intuitiivsemaks võrdlemiseks erinevate roboti komponentide vahel illustreerib allolev tabel selle jõudlushüppeid.

SLM-tehnoloogia on dramaatiliselt kiirendanud ka humanoidrobotite uurimis- ja arendustegevuse iteratsioonitsüklit.

Humanoidroboti arendamine on pidev katse-eksitusprotsess - täna valminud kujundusjoonis võib vajada homme ülevaatamist. Traditsioonilise vormi{2}}põhise tootmise korral on vormi valmistamise tsükkel pikk ja kulukas ning kui disaini muutub, muutub vorm vanarauaks.

SLM-tehnoloogia ei vaja üldse vormimist - kui kujundusfail on üles laaditud, saab täieliku prototüübi või põhikomponendi näidise printida 1–3 päeva jooksul. See tootmismudel „mida te kujundate, seda ka saad” võimaldab uurimis- ja arendusmeeskondadel üleöö osi printida ja alustada masinate tegelikku-testimist juba järgmisel hommikul. XPengi IRON-roboti väljatöötamisel kasutati seda kiiret prototüüpimisvõimalust iteratsioonitsükli tihendamiseks "nädalatest" "päevadeks", aidates ettevõttel ägeda konkurentsiga turul varakult eeliseid kasutada.

Kuna kodumaal toodetud metallipulbri hind langeb jätkuvalt, väheneb ka SLM-tehnoloogia turustamise takistus. 2025. aastal langes kodumaise titaanipulbri hind koguni 50%, muutes võimalikuks 3D-prinditud metallkomponentide ulatusliku-rakenduse. On mõistlik ennustada, et hinnad jätkavad suundumust oma praktilise põranda poole ka järgmise viie aasta jooksul.

Tänapäeval ei rakendata metallist 3D-printimise tehnoloogiat mitte ainult tööstuslikes -klassi humanoidrobotites, vaid see on laienenud ka olmeelektroonikasse, - sealhulgas Apple Watchi titaanisulamist korpusesse ja kokkupandavate nutitelefonide hinged -, mis näitab selle küpsust suureks-täppistootmiseks.