Prínos 3D tlače v robotických aplikáciách

Technológia kovovej 3D tlače (SLM) sa prostredníctvom integrovaného tvarovania a optimalizácie topológie stala základnou výrobnou metódou na dosiahnutie extrémneho odľahčenia a vysokého výkonu u humanoidných robotov. To nielenže výrazne znižuje energiu spotrebovanú počas pohybu, ale tiež výrazne zlepšuje rýchlosť dynamickej odozvy robota a{2}}únosnosť.

Pri vývoji humanoidných robotov je jednou z najťažších výziev pre veľké technologické spoločnosti poskytnúť umelej inteligencii telo, ktoré je pevné a zároveň ľahké.

Tradičné metódy spracovania kovov, ako je odlievanie alebo CNC obrábanie, sú často obmedzené dráhami nástrojov a geometriou foriem, čo sťažuje výrobu zložitých vnútorných dutých štruktúr alebo bio{0}}inšpirovaných skeletových návrhov. Výsledkom sú objemné komponenty, ktoré navyše zaťažujú motory. Vznik technológie selektívneho laserového tavenia (SLM) prelomil túto patovú situáciu. Táto technológia využíva laserový lúč s vysokou -energiou- pod ochranou inertným plynom na tavenie a tuhnutie kovových práškov, ako je zliatina titánu a zliatiny hliníka, vrstvu po vrstve -, čím priamo „rastie“ pred-navrhnutá trojrozmerná tuhá látka. Konštrukcia je hustá v oblastiach, ktoré znášajú veľké zaťaženie, a mriežka-ako alebo vyhĺbená{11}}v oblastiach, ktoré znášajú ľahké zaťaženie, čím sa dosahuje maximálne zníženie hmotnosti a zároveň je zaručená pevnosť.

Aplikácia technológie SLM pri výrobe humanoidných robotov sa najzreteľnejšie odráža v nosných-štruktúrach jadra a kĺbových komponentoch. Humanoidné roboty potrebujú často chodiť, prenášať bremená a vykonávať iné pohyby a ich kĺby na nohách a rukách znášajú obrovský krútiaci moment.

Na zníženie vlastnej hmotnosti{0}}výskumníci použili technológiu SLM v kombinácii s algoritmami optimalizácie topológie na návrh úplne nového typu spojovacieho konektora. Skôr ako pevný blok kovu má táto zložka formu komplexnej sieťovej štruktúry pripomínajúcej biologickú trabekulárnu kosť.

Ako príklad si vezmite Optimus Gen2 od Tesly -, jeho nosná konštrukcia kolenného kĺbu je vyrobená z 3D-tlačenej titánovej zliatiny. Tento proces nielen znížil hmotnosť súčiastky o 42 %, ale výrazne zlepšil aj jej odolnosť proti nárazu. Priamou dividendou tohto odľahčenia je rýchlejší pohyb robota a dlhšia výdrž batérie.

IRON robot novej{0}}generácie XPeng sa riadi podobným prístupom. Jeho kostrová štruktúra využíva 3D-vytlačené riešenie kombinujúce súvislé vlákno alebo nylon-12 s kovom, čím sa dosiahol bioinšpirovaný dizajn s dutým vnútrom a vystužovacími rebrami. Je o 40 % ľahší ako tradičné kovové komponenty, napriek tomu je schopný absorbovať energiu prostredníctvom štrukturálnej deformácie počas pádu, čím chráni nákladné vnútorné motory pred poškodením.

Okrem znižovania hmotnosti technológia SLM rieši aj problémy s presnou výrobou spojené s „koordináciou rúk-oka“ robota.

Koncový efektor humanoidného robota (tj jeho robotická ruka) vyžaduje extrémne vysokú obratnosť a schopnosť snímania a zvyčajne potrebuje integrovať motory, prevodové prevody, kabeláž snímačov a ďalšie komponenty do extrémne tesného priestoru.

Tradičná výroba vyžaduje montáž viacerých samostatných dielov, čo nielenže prináša veľké chyby pri montáži, ale je tiež náchylné na uvoľnenie v priebehu času. Pomocou technológie SLM možno prvky, ako sú ložiskové sedlá, drôtené kanály a mriežky-odvádzania tepla, integrovať priamo do jedného vytlačeného komponentu, čo umožňuje integrovanú výrobu-s-pohonom. Toto integrované tvarovanie eliminuje montážne vôle a výrazne zlepšuje presnosť pohybu. Napríklad presné komponenty, ako sú šesť{6}}osové snímače sily, ich môže SLM vytlačiť priamo -, výsledkom čoho je nielen menšia veľkosť, ale aj rozsah merania vylepšený o 50 % až 250 % pri nižších nákladoch ako pri tradičnom dávkovom CNC obrábaní. Táto vysoko presná{11}}výrobná schopnosť umožňuje humanoidným robotom vykonávať chúlostivé úlohy, ako je navliekanie nite do ihly alebo vyberanie vajíčka.

Z hľadiska materiálovej rozmanitosti prináša technológia SLM aj humanoidným robotom kombináciu tuhosti a flexibility.

Zatiaľ čo SLM primárne spracováva kovy, jeho základná filozofia dizajnu sa rozšírila aj do oblasti špeciálnych technických plastov a kompozitných materiálov. Napríklad viacvrstvový voštinový kompozitný materiál vyvinutý spoločnosťou Boli Technology napodobňuje tlmiaci mechanizmus ľudského svalového tkaniva a bol aplikovaný na tlmiace vrstvy lakťov a kolien na obrázku 02.

Tento materiál je 3D vytlačený do voštinovej-poréznej štruktúry s hustotou iba 40 % hustoty hliníkovej zliatiny, no dokáže absorbovať energiu nárazu a vydržať viac ako 1 milión ohybových cyklov.

Súčasne sa na tlač podporných štruktúr a ozubených kolies robotov používajú aj-výkonné technické plasty, ako je PEEK (polyéteréterketón). V porovnaní s kovom má PEEK extrémne nízku hustotu a samomazacie vlastnosti. Optimus Gen2 od Tesly ním nahradil hliníkovú zliatinu, čím sa dosiahlo celkové zníženie hmotnosti o 10 kilogramov a zvýšenie rýchlosti pohybu o 30 %.

Aby bolo možné intuitívnejšie porovnať účinky technológie SLM naprieč rôznymi komponentmi robota, nižšie uvedená tabuľka ilustruje skoky vo výkonnosti, ktoré prináša:

Technológia SLM tiež dramaticky urýchlila iteračný cyklus výskumu a vývoja pre humanoidné roboty.

Vývoj humanoidného robota je proces nepretržitého pokusu a omylu -, dnes dokončený návrhový výkres môže zajtra potrebovať revíziu. Pri tradičnej-výrobe založenej na formách je cyklus-výroby foriem dlhý a nákladný a po zmene dizajnu sa forma stáva šrotom.

Technológia SLM nevyžaduje žiadnu formu - po odovzdaní súboru návrhu je možné vytlačiť úplný prototyp alebo vzorku základnej súčasti v priebehu 1 až 3 dní. Tento výrobný model „čo si navrhnete, to dostanete“ umožňuje tímom výskumu a vývoja tlačiť súčiastky cez noc a začať so skutočným-testovaním stroja hneď na druhý deň ráno. Pri vývoji robota IRON od XPeng bola táto schopnosť rýchleho prototypovania použitá na skrátenie iteračného cyklu z „týždňov“ na „dni“, čo spoločnosti pomohlo získať skorú výhodu na silne konkurenčnom trhu.

Keďže náklady na domácu výrobu kovového prášku naďalej klesajú, bariéra komercializácie technológie SLM tiež klesá. V roku 2025 klesla cena titánového prášku vyrábaného na domácom trhu až o 50 %, čo umožnilo-aplikáciu kovových komponentov tlačených 3D-vo veľkom meradle. Je rozumné predpovedať, že ceny budú počas nasledujúcich piatich rokov naďalej smerovať k svojej praktickej hranici.

V súčasnosti sa technológia kovovej 3D tlače používa nielen v priemyselných-humanoidných robotoch, ale rozšírila sa aj do spotrebnej elektroniky - vrátane puzdra Apple Watch z titánovej zliatiny a pántov pre skladacie smartfóny -, čo dokazuje svoju vyspelosť pre presnú-výrobu vo veľkom meradle.