塑料注射成型、金属铸造和金属冲压都是古老的工艺，构成了制造业的支柱。传统上，没有比大规模生产塑料或金属部件更好的方法了。
然而，增材制造技术正迅速成为一种替代方案。增材制造技术使工程师能够整合零部件，并生产出形状复杂的组件。该技术正在从小批量的原型机发展到大批量的可生产部件。
到目前为止，持有3D打印的唯一一些从更广泛的使用的东西之一缺乏自动化。但是，最近涉及自动引导车辆（AGV），协作机器人，高速打印机和其他设备的应用，将使制造商能够提高吞吐量，控制质量，降低成本和速度到市场。
“劳动力代表生产零件的生产零件成本的30％以上，”Jabil Inc.数字制造业数字制造业副总裁John Dulchinos表示，这是一个全球制造服务公司，该公司是在其装配线上应用添加剂制造技术的最前沿。“通常，这是在后处理和检查中，[哪个驱动器]成本并导致效率低下和不一致。添加自动化可以最大限度地减少触摸劳动力，节省成本，提高一致性和质量。“
除了直接人工成本、隐性成本,如有操作时间安排打印作业、上传CAD文件和加载机、打印机以及低使用率由于缺乏运营商删除部分或打印的成本床去除部分的后期制作。
根据Dulchinos的说法，自动化将有助于添加剂制造参加下一步，使其能够超越仅为低批量应用的工具。Jabil正在使用机器人在次要过程和计算机视觉中自动化部件处理，以自动化检查过程。
杜尔奇诺斯解释说:“如今，3D打印主要专注于原型设计。“最终应用要求高水平的一致性，严格的公差和低成本。自动化可以帮助减少材料处理，提高质量。”
福特汽车公司(Ford Motor Co.)增材制造技术主管Harold Sears补充道:“自动化对于增材制造在大批量应用中发挥作用至关重要。它将有助于解决零件制造的差异和不一致问题。”自动化将增加稳定性，使我们能够将3D打印从批处理过程转变为连续过程，这将在批量生产环境下工作得更好。”
Desktop Metal Inc.的产品副总裁拉里·莱昂斯(Larry Lyons)说:“我们听到越来越多的公司对自动化感兴趣，比如一级汽车零部件供应商和合同制造商。”这家公司吸引了宝马和福特的投资。“他们告诉我们，增材制造设备需要适应已经相当自动化的现有工厂生态系统。他们要求机器能够与传送带、机器人和工厂管理软件共存。”
Lyons声称自动化对于将3D印刷带入大批量制造市场至关重要，在那里它到目前为止几乎没有触及表面。“建立数百名打印机的工厂在没有自动化的情况下，没有经济地工作，”他指出。“为了获得正确的零件价格，自动化物质处理至关重要。
“我们一直在我们的硬件和软件中融合了很多钩子，以便我们的设备可以轻松迁移到传统的自动化工厂设置中，”笔记里昂。“我们正在从传统制造业中汲取经验教训，并将其应用于下一代高通量添加剂系统的发展。
莱昂斯说:“例如，我们正在设计我们的设备，使其具有灵活性，可以轻松地与机器人和自动化工业环境中常见的其他物品进行交互。”“我们正在安装真空输送系统，以更快地移动粉末。自动脱粉也使机器能够去除松散的粉末周围的部分，而不需要操作员的参与。
“许多手动流程是耗时的，劳动密集和符合人体工程学的挑战，加上他们引入安全问题，”加元增加。“从打印机中删除构建框的过程是通常手动处理的东西的一个很好的例子。操作员卷起购物车，从打印机上抬起“构建”框，并将其传送到生产过程中的下一阶段。在不久的将来，推车将被AGV，输送机或机器人更换。“
自动化优势
即使是在快速原型应用中使用增材制造，通常也需要许多手动步骤。零件的设计需要考虑工艺约束和限制。另外，零件印刷后需要检查。支撑材料也需要移除，后处理步骤也需要进行。
“当我们在Massachusetts理工学院（MIT）电气工程和计算机科学副教授Wojciech Matusik（MIT）的副教授Wojciech Matusik索赔，自动化变得至关重要。“在这种情况下，制造部件的成本不能依赖于设计和生产这些部件所需的手工劳动力。
Matusik是麻省理工学院计算机科学和人工智能实验室计算制造小组的负责人，他说:“增材制造自动化将使企业能够以最少的人力，从功能规格到完全定制的产品。”“自动化的每一步都将有效地减少繁琐的人力劳动。
“所有阶段的自动化将最终推动制造产品的整体成本”，“Matusik解释道。“这反过来，这将允许添加剂制造成为各种产品的成本效益的解决方案。”
Formlabs是一家3D打印机制造商，为福特、吉列、索尼和特斯拉等公司提供产品，该公司产品设计、工程和制造行业经理Andrew Edman补充说:“自动化是增材制造项目成功的关键因素，主要是因为它对零部件成本有积极的影响。“随着增材制造的部分成本下降，它更接近于实现与传统制造技术的平价，特别是在高混合、低或中量生产场景。
Edman指出:“除了单纯的零部件成本考虑，自动化还有助于制造商开发零部件生产方式和生产地点的新模式。”“随需应变的备件、准时生产、更短的供应链——当生产方式更加自动化时，所有这些都变得更有可能。”
Erdman说，与任何生产过程或技术一样，关键在于确定正确的应用程序并运行数据。如今，有些部件的几何形状和应用可以通过增材制造来实现，但这些形状和应用通常来自于采用与其他生产方法相同的制造和装配方法。
自动化将扩大添加剂制造的范围，使其能够用于更少的优化设计或更简单的部件。
“当涉及到几千千万或数百万相同的部分时，添加剂是进一步的，”埃尔德曼警告。“匹配传统制造的生产速度不是添加剂制造的核心价值主张，这是灵活性。
埃尔德曼说:“让你现在的塑料零件供应商生产5个这种零件，11个那种零件和300个其他零件，都用不同的材料，并在周末之前把它们送到你手里，每个零件不需要500美元的安装费用。”“如果他们使用传统的制造方法来生产这些部件，这将是一个问题。
“如果他们使用添加剂制造，机器级别的自动化水平可以很容易地使这些数字工作，”埃尔德曼。“添加剂制造在解决复杂的需求和供应问题或有助于维持低风险的贫民库存。”
早期采用者
Fast Radius Inc.，Voodoo Manufacturing Inc.和Xemometry Inc.等公司已经在编写了添加剂制造的下一章。该服务局经营了在高卷中印刷各种生产准备好的机器的机器。自动化在其业务计划中发挥着关键作用。
Xometry的应用总监格雷格•鲍尔森(Greg Paulsen)表示:“目前，很多增材制造都是精品产品，都是在逐个案例、逐个文件的基础上被操纵的。”Xometry与宝马(BMW)、戴尔(Dell)和通用电气(General Electric)等制造商合作。“为了规模化，结果需要一定程度的自动化，以提供可预测和可重复的端到端结果。
“(增加自动化的使用将)解决两个问题:对产品和吞吐量的信任，”Paulsen声称。“目前，3D打印雨伞只有少数几个流程可以规模化生产。
“大部分是塑料，激光粉末融合方法，如选择性激光烧结，”Paulsen说。“这是因为材料有限，后处理相对标准化。许多过程仍然非常高，从建立规划到后处理。这限制了你可以衡量的有效性。“
“关于添加剂制造的误解之一是您可以只需购买打印机，插入它并获得好的部件，”快速半径的首席执行官Lou Rassey。“实际上，它是一个更复杂的过程，需要拨入许多变量并控制。
“增材制造现在已经越过了临界点，”拉西说。“它已经从一个小批量的原型工具转变为一个大批量的过程，可以批量生产可以固定在飞机上或安装在汽车引擎盖下的部件。”
快速半径批量生产，为客户提供各种行业的客户，包括汽车，航空航天，消费品和医疗设备。客户的范围从Husqvarna到Steelcase。
“许多新的添加剂制造机器设计用于大批量生产而不是一个原型的原型，”Rassey解释说。“通过应用自动化，我们看到有机会提高效率。例如，我们正在使用机器人通过卸下托盘和清洗部件来自动化构建过程。“
Voodoo Manufacturing是另一家在实现增层自动化方面走在前列的公司，该公司运营着一个由200多台打印机组成的3D打印“农场”。该公司最终计划将生产规模扩大到100,000台打印机。为了实现这一雄心勃勃的目标，Voodoo最近启动了一项“天行者计划”。我们的目标是利用自动化技术以经济有效的方式处理可以与传统塑料注射成型竞争的大规模生产。
“自动化不仅仅是一种削减成本的方式，”Voodoo Manufacturing首席产品官乔纳森•施瓦茨(Jonathan Schwartz)表示。“这是我们成为一家拥有数百名甚至数千名员工的大公司的唯一出路。在注塑这样一个庞大而根深蒂固的行业，自动化将成为我们的主要武器。”
下游挑战
为提高添加剂制造效率和吞吐量，公司需要自动化打印零件后发生的所有下游过程。这包括未凝结的步骤，例如从打印机中移除打印盒，回收过量的粉末，装卸固化烤箱，以及测试和检查部件。
拆卸3d打印零件的简单工作通常需要人工。加拿大初创公司3DQue Systems Inc.的首席执行官Steph Sharp表示:“对于运营商来说，这仍然是一个持续的挑战。“最常见的‘自动化’解决方案之一是使用传送带式系统或机器人，将打印机上的零件和打印床作为单个单元移除。这些解决方案并没有降低零件拆卸所需的成本或时间;他们只是把它推迟到后期制作阶段。
夏普解释说:“后期制作中的手工工作包括将零件从打印床上分离出来，并修复表面。“由于相对较低的设备和材料成本，即使多一分钟的人工，也会显著增加单位成本，抑制规模运营的能力。”
“后期处理对每一个打印过程来说都是一个挑战，[每一个]都有不同的要求，”Formlabs的Edman补充道。“在打印过程中，零件的几何形状必须以这样或那样的方式支持，但当你得到你的零件时，这些相同的支持结构在时间、自动化和材料浪费方面成为敌人。在某些情况下，你可以选择设计自支撑的零件几何形状，这大大减少了后处理的时间。”
劳动集中程度最高的步骤包括卸料和检查。
捷普公司的杜尔奇诺斯说:“零件自动卸载可以提高打印机的利用率。”自动化的后处理和检验可以减少劳动力，提高操作效率，减少零件处理带来的缺陷。
“从打印机中拆卸的自动化部分是最简单的，因为部件位于已知位置，并且工作包络明确定义，”Notes Dulchinos。“就说，今天的3D打印机围绕批量处理设计。构建开始，完成并停止，直到可以移除部件，加载的新材料和打印机启动下一个周期。
杜尔奇诺斯指出:“未来的打印机需要为连续生产而设计，包括自动装载材料和部件移除。”“这将提高产量，降低零部件成本。”
后处理要自动化要困难得多，因为零件的形状和大小往往相差很大。此外，许多零件的位置没有很好地定义。后处理步骤包括释放部件，从构建板上移除支撑和回收粉末。它还包括与表面光洁度有关的过程，如油漆、机械加工和砂光。
“根据申请，涉及许多变量，”ABI研究中的智能制造分析师Ryan Martin说。“例如，除了去除支撑件之外，低体积粉床的航空航天部分可能不需要大量的后处理。大批量汽车内部部件可能需要更好的完成，因为需要考虑合适，完成和化妆品外观。
“炉子可以是昂贵的操作，并且烧结并硬化需要时间，因此一些过程可以自动化，”马丁解释说。“此外，添加剂制造的测试和检查方面需要自动化。”
重要的是，未来的自动化解决方案要打破与后处理和材料流动相关的瓶颈。任务必须被适当地分解以最大限度地提高吞吐量。
一级汽车供应商Brose North America公司的座椅工业工程总监Joe LaRussa说:“如果你能将各种几何形状的零件处理标准化，或者使用灵活的夹紧和工作夹具解决方案，机器装卸自然是优先考虑的问题。”
“物料交付和管理是另一个对自动化成熟的区域，因为您有这些类型的系统用于其他需要粉末或颗粒递送的其他过程，如涂层或注塑操作，”加入Larussa。“当然，这些都是更多的基础设施驱动，但它们仍然可以缓解大量的间接劳动，以防止饲喂原材料的机器。
LaRussa指出:“添加剂机械给粉末工艺带来了一个独特的小挑战，在进入下一个工艺之前，它们需要进行一些初始清洗或提取。”“这与熄灯减法工艺不同，在这种工艺中，加工中心可以制造出零件，然后从夹具上拆卸下来，立即为下一个工序做好准备。”
质量控制
LaRussa表示，质量控制是增材制造自动化最具挑战性的方面之一。
“流程设计和开发的古典培训是实施稳定，控制和有能力（统计）生产质量的过程，”Larussa说。“通过传统的制造方法，如冲压，成型和加工，这种方法很自然。
然而，“具有添加剂制造，该过程本质是可变的，对于每个单一的一部分，”Larussa索赔。“因此，统计过程控制的传统方法是具有挑战性的，特别是对于安全关键组件。
LaRussa指出:“在这种情况下，制造商被迫对每件产品进行100%的质量验证，这将要求车间和质量部门高度自动化，因为你必须处理生产系统产生的大量数据。”“人工分析永远无法跟上生产系统的步伐。”
Brose目前最大的挑战是解决产品和过程验证问题。LaRussa和他的同事们还面临着独特的挑战，因为他们的很多组件都很大，而且在产量上，增材制造仍然没有传统制造方法的竞争力。
SmarTech Markets Publishing LLC是一家专门从事增材制造的市场研究公司，其高级分析师戴维·谢尔(Davide Sher)表示:“这在很大程度上取决于具体的流程。”“在金属粉末床熔炼中，最大的问题是后处理:主要支持移除，这需要时间和限制几何形状。
“在金属粘结剂喷射中，主要问题是炉烧结，所以最大的挑战是自动化设计过程，以考虑烧结过程中的零件减少，”Sher补充说。“在所有基于粉末的工艺中，粉末去除和筛分、粉末回收和粉末供应的自动化是一个具有挑战性的问题。
“在机器能够识别错误并停止过程或自动修复它们的位置，在自动化过程监视方面也存在重大挑战，或者自动地修复它们，”警告。“这需要实施传感器和先进的人工
智力（AI）。“
增材制造还没有达到可以根据应用程序的给定需求自动生成和制造设计的成熟点。生成设计软件不能恰当地处理复杂的约束和需求，也不能确保它生成的设计是可制造的。数字工作流也不能在问题发生之前预测和解决问题。
“当加上缓慢的制造速度、昂贵的材料和缺乏经验的劳动力，增材制造就变成了昂贵的反复试验，不太适合批量制造，”施乐公司PARC系统科学实验室副总裁兼主任Ersin Uzun说。增材制造工艺不断地变得更快，通常更高的材料成本可以通过使用更少的材料提供更好的性能的更好的设计得到证明。
Uzun声称:“只有当我们拥有自动化的工作流程，能够帮助生成和验证针对特定应用和工程需求的最佳设计时，增材制造的财务状况才会对批量应用有意义。”
“人工智能已经进入生成设计和拓扑优化，以及将多物理建模与机器学习、规划和高级推理相结合的过程规划、建模和监控，”Uzun解释说。“这些都是非常重要和困难的问题，一旦解决，它们将以更好的设计扩大增材制造的价值主张，(导致)稳定、可预测、可重复和更自动化的制造流程。”
机器人救援
增加机器人的使用有望降低变化，提高一致性和促进吞吐量。
“添加剂制造是一个非常有竞争力的过程，直到您尝试扩展，”战略营销和普遍机器人的应用高级经理Joe Campbell说。“如果你没有自动化扩展它，它需要很多劳动力。最终，机器人发出经济意义。
坎贝尔解释说:“由于增材制造的批量特性，多台机器运行不同的部件，公司处于恒定的设置模式。“低产量、高混合的生产环境很常见。通常情况下，新部件会不断涌入，因此快速重新部署至关重要。
坎贝尔称:“协作机器人是一个完美的解决方案，因为操作员可以根据需要在机器内部或周围工作，而无需关闭机器进行转换。”
若干公司目前正在使用UR10机器来简化其添加剂制造业务。例如，FAST RADIUS使用连接到移动平台的机器人可以在芝加哥西侧的其设施周围手动移动。伏都教制造业使用机器人收获（装载和卸下构建板）在布鲁克林的工厂的25个打印机中的集群。
在德国，戴姆勒公司(Daimler AG)的工程师最近开发了一个集成加工单元，除了Grenzebach agv外，还采用了六轴发那科(Fanuc)和库卡(Kuka)机器人。
戴姆勒(Daimler)未来技术主管贾斯敏•艾希勒(Jasmin Eichler)表示:“agv在各个车站之间运输额外制造的部件。”“它们使工厂布局具有高度灵活性，形成易于规模化的增材制造生产单元。
“机器人用于自动化下游生产过程，”Eichler解释道。“后处理区域的所有运输，放置和清除活动由机器人完成。
艾奇勒指出:“他们将组装平台和安装站的部件一起放入熔炉中进行后续热处理。”“然后，同样的机器人再次移走平台，并将其带到一个3D光学测量系统，以保证质量。最后，构建平台被传送到锯子上，锯子将部件与平台分离，使组件为进一步使用做好准备。”
机器人也可以用来做实际的打印。打印头可以安装在四轴或六轴机械臂的末端，以提供额外的运动度，而3D打印机通常在堆叠的水平面上打印2D图像。
ABB Robotics装配和测试解决方案线经理Nicolas De Keijser表示:“机器人是涉及大型部件的增材制造应用的理想选择。“它们具有传统3D打印机无法实现的宽外壳。
“额外的运动程度使制造商能够改变分配的路径，”Note de Keijser。“而不是2D路径，它们可以提高打印部分的结构动态并使其更强。
“此外，机器人可用于倾向于倾向于标准的3D印刷机，”Dekeijser解释说。“机器趋势操作的编程可以很容易地从塑料注塑工业中使用的多种趋势和后处理应用程序进行调整。”
下一代打印机
新一代3D打印机正在解决对大量生产和快速吞吐量的需求。有些机器采用内置的输送机和材料馈线，而其他机器则设计用于轻松与机器人互动。
“这是加件制造业的有趣时间，”Abi Research的Martin说。“我们将在高批量生产系统方面看到未来四年内发生的许多事情。将该设备作为常规工作流程的一部分集成了更多的兴趣。“
例如，最近投资于德国初创公司的浏览，德国初创公司是Aim3D，该公司正在开发机器，例如配备自动材料馈线的考试255。
LaRussa指出:“公司已经开发了一种增材制造的新方法。“它首次使印刷通常在汽车系列生产中发现的材料成为可能。”
225考试机器可以打印金属或塑料零件。此外，这是第一台工业3D打印机，可以处理通常用于注射成型的颗粒，使它比任何其他竞争对手使用更广泛的材料。该机器包含一个自动给料机，可以采取多达1升的材料每挤出机。在印刷过程中，料斗也可以重新填充。
3D Que公司的夏普表示:“到目前为止，由于零件拆卸成本高，以及缺乏端到端自动化，塑料3D打印无法满足当今的制造需求。”为了解决这个问题，该公司最近推出了QSuite，它消除了工作调度、部件移除、打印床重置和打印机重启等手动任务的需要。相反，QSuite使用一套专有的硬件和软件技术批量生产高质量的塑料部件。
夏普说:“不需要专门的操作员。”“QSuite具有完全自动化的动态调度功能，可以根据不断变化的截止日期或部件重新安排工作的优先级，并在连续的生产循环中24/7运行。它提供了完全自主的部件拆卸和交付，并通过实时报告和管理数据让操作人员完全控制——所有这些都是远程管理的，因此用户可以在打印机交付部件的同时进行其他工作。”
3DQue最近还开发了一个名为OPoD的模块，该模块具有内部输送机和收集箱的特点，实现了“塑料部件的真正自主制造”。
“Increasing interest in automation helps validate that additive manufacturing is getting broader adoption and indicates that things in the industry are speeding up,” says Scott Turner, director of advanced research and development at 3DSystems Inc. “You don’t need to automate a slow process.
特纳解释说:“随着公司规模扩大到系列化生产，它们正变得越来越自动化。”“这就是为什么我们推出了一个自动化物料处理的模块，完全将操作人员从这个步骤中解放出来。
“DMP工厂500是可扩展的制造系统，旨在通过简化的工作流程将金属[打印]转换为构建更高质量的无缝金属部件，以较低的总操作成本，”索赔式特纳。
可定制的机器具有五种功能特定的模块，包括粉末管理单元，在构建平台上自动取消焊接零件，自动回收未使用的粉末材料并准备下一个构建。
Turner表示:“DMP Factory 500的模块化设计使所有金属3D打印和粉末管理模块能够连续运行，最大限度地提高正常运行时间、吞吐量和运营价值。”“综合自动化最大限度地减少人工流程，降低总运营成本。
Turner补充说:“零点夹持可以实现构建板的最佳定位，促进从3D打印机到后处理步骤的快速过渡。”“这种集成功能减少了安装时间，并提供了增强的灵活性，从添加过程快速过渡构建板，并将其发送到下游进行后处理，节省了大量的时间和金钱。
“这[机器]将大幅作出贡献，以提高自动化可能性和降低建设板材成本，”特纳门人。
另一个解决自动化挑战的打印机是Desktop Metal的新生产系统，它使用了粘合剂喷射过程，通过喷墨头打印“粘合”金属粉末。
两个最先进的打印棒包含32,768个喷嘴，与粉末撒布器一起工作，分散金属粉末并在整个建筑区域内进行打印，每秒喷射高达30亿滴。在烧结准备过程中，零件会自动从成型盒中取出，清除残留在通道和缝隙中的松散粉末。加热到接近熔化的温度时，剩余的粘结剂被移除，导致金属颗粒融合在一起，部件变得致密。
生产系统的特点是双向印刷，印刷过程的所有步骤-粉末沉积，扩散，压实，弹道抑制和粘合剂喷射印刷-应用于每一个通过的建筑区域。
“只要有移动，就有打印——这是打印复杂金属部件最快的方式，”莱昂斯说。“它提供了与传统制造方法竞争所需的速度、质量和每件成本。这是大规模打印金属零件最快的方法。
莱昂斯指出:“目前绝大多数金属打印系统都是基于激光的系统，可以逐层熔化粉末。”“这是一个固有的缓慢过程——每层可能需要30秒或更长时间——不适合大批量应用。
“我们想采取不同的方法3D打印，”里昂说。“我们的生产系统比目前可用的任何吞吐量都具有更高的吞吐量。事实上，它大约需要100倍。
“我们已经计划使用该机器用于呼吁每年100,000或更多金属部件的大量应用程序，”利昂解释。“应在未来两年内实现这种类型的巨大吞吐量进展。这将是一块踏上的石头，以打印100万的运行，其次是下一个1000万的阈值。“
Fast Radius最近成为世界上最早使用生产系统的公司之一。
“[它]代表了一个全新的制造平台，将为创新产品开发者提供新的部件几何形状、改进的功能性能和更有利的成本结构，”Rassey说。“这台机器可以打印多种金属，包括工具钢、低合金钢、钛和工具钢。它还拥有与传统制造工艺竞争所需的速度、质量和每件成本。”
为了进一步解决自动化问题，Rassey和他的同事开发了一个称为快速Radius操作系统的软件平台。“它支持跨产品生命周期的客户，并且是快速半径应用程序启动程序的关键推动因素，”他解释说。“该平台有助于他们识别潜在的应用，进行工程和经济评估，加快新产品开发，并最终以最新的添加剂技术为规模制造工业级零件。”
要了解关于增材制造的更多信息，请单击以下ASSEMBLY文章:
