【3D打印自動化：工業(yè)增材制造將如何發(fā)展？】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(shè)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(shè)備命名：“Replicator”，意思是可以將物質(zhì)隨意重組。

Stratasys的InfiniteBuildDemonstrator，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(fù)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(fù)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(jù)準(zhǔn)備和后期處理。

從目前發(fā)表的有關(guān)金屬3D打印文章就可以了解到，該技術(shù)需要極其精細(xì)的前期準(zhǔn)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(chǎn)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3DSystems，GEAdditive的子公司ConceptLaser，Stratasys和VoodooManufacturing等公司是如何實現(xiàn)3D打印技術(shù)自動化的。

他們通常研究如何使3D打印機自動化或引入?yún)f(xié)助生產(chǎn)過程的機器人手臂。制造商的目的是增加生產(chǎn)量，加快生產(chǎn)速度，降低運營成本并增加營收。

VoodooManufacturing

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(chǎn)3D打印產(chǎn)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(shù)，而非依賴特定的模具或者工具才能進行新部件的制作?！盫oodooManufacturing的共同創(chuàng)始人兼首席產(chǎn)品官JonathanSchwartz說道，“與后者相比，前者的前期準(zhǔn)備時間與成本幾乎為零，這是與其他制造技術(shù)的根本區(qū)別。當(dāng)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(shù)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(diào)整，就必須重新制作模具?！?/p>

完善后的工作流程通常由九個MakerBotReplicator打印單元組成，Skywalker項目發(fā)布后還包括比Raise3D的大得多的N2Plus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UniversalRobots部署了一個低成本的UR10機器人手臂，用于從單個單元內(nèi)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(yù)。

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(chǎn)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(chǎn)品放到傳送帶上

為了簡化收集過程，機器人手臂已預(yù)先寫入設(shè)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(zhǔn)備過程實現(xiàn)部分自動化：定位3D模型，確定打印設(shè)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(guān)系，3D打印越來越多的采用自動化技術(shù)。過去采用3D打印設(shè)計原型是因為大規(guī)模投產(chǎn)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(chǎn)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(biāo)是通過在工廠進行全天候不間斷的生產(chǎn)，增加產(chǎn)能及利用率。隨著產(chǎn)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(chǎn)。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(chǎn)。由于每臺3D打印機都能生產(chǎn)定制的零部件，該公司可以一次性批量生產(chǎn)各種定制產(chǎn)品，這是其他制作技術(shù)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(nèi)裝置不同的組件，經(jīng)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(yīng)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(yīng)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(chǎn)品的工業(yè)版：ContinuousBuild3DDemonstrator。該系統(tǒng)由一系列可擴展的FDM3D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ContinuousBuild3DDemonstrator進行生產(chǎn)

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(shù)設(shè)計學(xué)院和制造服務(wù)提供商In'TechIndustries與FATHOM公司已經(jīng)開始應(yīng)用此系統(tǒng)。

為了實現(xiàn)自動化熄燈生產(chǎn)，該系統(tǒng)可以自行開關(guān)打印機門并自動開始打印，同時還包括一系列構(gòu)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，ContinuousBuildDemonstrator可以實現(xiàn)大規(guī)模定制。Stratasys負(fù)責(zé)人Sevcik解釋說：“注塑是批量生產(chǎn)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(zhì)量的定制，還可優(yōu)化吞吐量，進行大規(guī)模生產(chǎn)?！?/p>

除此之外，Stratasys還采取措施使其他FDM技術(shù)更適合于生產(chǎn)環(huán)境。Voodoo的設(shè)計概念無法使用大型機器人手臂，所以工業(yè)應(yīng)用仍需要工業(yè)措施來解決。Stratasys已經(jīng)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(yīng)用大型機器人系統(tǒng)進行制造的工廠設(shè)置中。

2016年推出的InfiniteBuildDemonstrator使用工業(yè)機器人手臂來填充打印機料斗。因為可以預(yù)設(shè)打印長度，因此非工作時間內(nèi)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(dāng)打印頭將碳纖維增強塑料擠出到平臺上時，旋轉(zhuǎn)臺翻轉(zhuǎn)打印件

借助RoboticsCompositeDemonstrator器，Stratasys將機器人手臂與3D打印頭相結(jié)合。該系統(tǒng)可將復(fù)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(jié)合成新的系統(tǒng)。新的系統(tǒng)具有互連技術(shù)所必需的接口，因此可以收集系統(tǒng)數(shù)據(jù)并反饋回使用的工廠，達到額外分析的目的?！?/p>

目前，復(fù)合材料制造需要大量人力并且成本高昂，因此自動化設(shè)備的需求迫在眉睫。出于這個原因，Markforged和ImpossibleObjects等多家公司都開發(fā)了復(fù)合材料3D打印機。

Sevcik強調(diào)，ContinuousBuildDemonstrator與RoboticsCompositeDemonstrator都能不限配置使用。例如ContinuousBuild系統(tǒng)可以與其他類型的3D打印機一起使用。而RoboticsCompositeDemonstrator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(shù)也有可能應(yīng)用于其他系統(tǒng)。

3DSystems

3DSystems公司也同樣在3D打印流程中引進機器人手臂——Figure4。雖然業(yè)內(nèi)對該打印平臺的定義是獨立式打印機，但3DSystems還展示了機器人手臂協(xié)助生產(chǎn)過程的多種配置。

將快速打印與自動化技術(shù)（如材料前后期處理）結(jié)合起來，用于面向工廠生產(chǎn)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(gòu)建平臺轉(zhuǎn)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(zhuǎn)制成的零件，使零件與其3D模型相匹配，以確保準(zhǔn)確性。生產(chǎn)過程中的物料傳送也是自動化的。

3DSystems的高級研究員ScottTurner詳細(xì)闡述了如何根據(jù)客戶需求進行配置：對于高容量的應(yīng)用，它將被配置為一個靈活的制造單元，F(xiàn)igure4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(chǎn)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(jù)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)igure4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(diào)生產(chǎn)。該技術(shù)的設(shè)計從工作車間的環(huán)境出發(fā)，旨在滿足每個工廠的生產(chǎn)。圖中的獨立3D打印機將會承擔(dān)小批量生產(chǎn)的工作。

自動化對于提高Figure4的打印吞吐量和減少停機時間至關(guān)重要，持續(xù)數(shù)字光處理技術(shù)（cDLP）以及材料也起到了很大的作用。由于cDLP技術(shù)制作的部件中沒有可見的層，所以所需的后期處理較少。

DMP8500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3DSystems實現(xiàn)自動化的唯一技術(shù)。2017年，3DSystems還推出了DMP8500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(gòu)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KevinMcAlea解釋了該平臺針對金屬增材制造相關(guān)問題的解決方法。當(dāng)前的產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀下，沒有一刀切的生產(chǎn)流程，因此DMP8500模塊化的設(shè)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(chǎn)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(shù)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(chǎn)，并確保部件準(zhǔn)確，可在多個打印機間重復(fù)制作。

GEAdditive/ConceptLaser

ConceptLaser的產(chǎn)品經(jīng)理OliverKaczmarzik認(rèn)為，隨著3D打印逐漸轉(zhuǎn)化為一門生產(chǎn)技術(shù)，這些機器的產(chǎn)生導(dǎo)向了更大的轉(zhuǎn)變過程。近些年，增材制造正在經(jīng)歷一個從原型制造向直接生產(chǎn)轉(zhuǎn)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(jīng)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(chǎn)機器，大多為獨立的解決方案，若客戶需要進行框架調(diào)整，就幾乎無法進行有效率的生產(chǎn)。面對這個挑戰(zhàn)，ConceptLaser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(gòu)，以達到工業(yè)規(guī)模下的經(jīng)濟系列化生產(chǎn)。

ConceptLaser旗下的MLINEFACTORY，圖右為MLINEFACTORYPRD生產(chǎn)單元，圖左為MLINEFACTORYPCG安裝拆除單元。

為了平衡機器的大小和生產(chǎn)力，ConceptLaser在2016年推出了幾種解決方案。MLINEFACTORYPRD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(nèi)部管道系統(tǒng)連接。據(jù)Kaczmarzik稱，該機器還具有四個激光束，可以保證更快的構(gòu)建速度和更高的生產(chǎn)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(chǎn)效率。未來ConceptLaser可能會在該系統(tǒng)中內(nèi)置一個自動化的工具轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，使之將增材制造和傳統(tǒng)的減法制造相結(jié)合。

圖中所示為兩個生產(chǎn)單元，安裝在粉末基站的兩邊，可以進行平行生產(chǎn)。

該系統(tǒng)與MLINEFACTORYPCG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(shè)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(zhuǎn)移到PCG機器中，這些機器網(wǎng)絡(luò)將通過平板電腦通過互聯(lián)網(wǎng)控制，共同構(gòu)成”AMFactoryoftheFuture”生態(tài)系統(tǒng)。

該圖為”AMFactoryofTomorrow”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(chǎn)3D打印部件。

據(jù)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(yīng)行業(yè)前景的，我們采訪了3DPrintingBusinessMedia的首席執(zhí)行官和創(chuàng)始人DavideSher，他同時也是SmarTechMarketsPublishing的高級分析師。

Sher認(rèn)為自動化趨勢是3D打印技術(shù)向生產(chǎn)技術(shù)轉(zhuǎn)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(rèn)為3D打印機是獨立的機器，而是作為端到端生產(chǎn)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(zhuǎn)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(dāng)中。隨著3D打印機從獨立的原型生產(chǎn)設(shè)備轉(zhuǎn)向批量生產(chǎn)機器，這將會是一個很自然的轉(zhuǎn)變?！?/p>

據(jù)稱，自動化將增加更多的打印系統(tǒng)訂單，因為工廠內(nèi)的生產(chǎn)機器數(shù)量和生產(chǎn)能力之間有著直接的聯(lián)系。目前被忽視的行業(yè)領(lǐng)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(guān)注

拋開勞動力轉(zhuǎn)移來談自動化是不可能的，根據(jù)牛津大學(xué)的一項研究，美國47%的職位在未來的20年內(nèi)處于自動化的風(fēng)險中。這不僅包括了工業(yè)機械臂可以完成的任務(wù)，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(dāng)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(shù)的自動化將解放其他就業(yè)領(lǐng)域，甚至創(chuàng)造更多的就業(yè)機會。

例如，Stratasys公司的ScottSevcik認(rèn)為，一旦復(fù)合材料的手工鋪設(shè)實現(xiàn)了自動化，對于零件設(shè)計和改進3D打印工藝有關(guān)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?nèi)匀挥袡C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3DSystems的ScottTurner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(chǎn)相同產(chǎn)品的過程中，相反，他們將在自動化工廠定制、優(yōu)化產(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)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(dāng)?shù)氐纳a(chǎn)中心工作，為客戶們提供優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品。對于增材制造技術(shù)的充分利用，會將我們進一步推向全球數(shù)字技術(shù)時代。

雖然自動化程度的提高，某些領(lǐng)域會產(chǎn)生更多的就業(yè)機會，但現(xiàn)有的員工仍然會擔(dān)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。

DavideSher表示他不認(rèn)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(fù)雜的體力勞動更容易實現(xiàn)自動化。

他認(rèn)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(chǎn)生，而關(guān)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(chǎn)過程可以使生產(chǎn)完全可持續(xù)，這樣的社會中，生產(chǎn)是沒有上限的，更好地生產(chǎn)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JonathanSchwartz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(fù)責(zé)20臺打印機。在一兩年內(nèi)，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(diào)，由于操作任務(wù)是自動化的，新的維護任務(wù)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(xùn)，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(shù)，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(xùn)，并有所成效，接下來我們將會進一步培訓(xùn)我們的團隊，以便在職業(yè)生涯后，讓員工們學(xué)到更多東西，我相信薪餉等級也會相應(yīng)地有所提升?！?/p>

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。