การพิมพ์ 3 มิติด้วยโลหะช่วยลดน้ำหนักของ Robot End Effectors ได้อย่างไร

ทุกกรัมส่วนเกินที่ส่วนท้ายของแขนหุ่นยนต์ต้องสูญเสียประสิทธิภาพ เครื่องมือที่หนักกว่าจะทำให้มอเตอร์มีขนาดใหญ่ขึ้น เพิ่มการใช้พลังงาน ลดเวลาของรอบการทำงาน และขโมยน้ำหนักบรรทุกที่ควรเป็นของชิ้นงาน ในที่สุดวิศวกรหลายคนก็ตระหนักได้ว่าแรงลากที่แท้จริงนั้นไม่ใช่ฐานหุ่นยนต์ แต่เป็นเอฟเฟกต์ส่วนปลาย ซึ่งได้แก่ มือจับ อุปกรณ์จับยึด หรือที่จับเครื่องมือที่อยู่ไกลจากข้อต่อมากที่สุด ขายึดและแคลมป์ CNC แข็งแบบทั่วไปมักได้รับการออกแบบทางวิศวกรรมมากเกินไป ทำให้มีมวลเพิ่มขึ้นตรงบริเวณที่แขนคันโยกทวีคูณเอฟเฟกต์

การพิมพ์ 3 มิติโลหะเสนอทางออกจากกับดักนั้นโดยตรง ด้วยการวางวัสดุเฉพาะในบริเวณที่ต้องการรับน้ำหนักของโครงสร้าง กระบวนการนี้จะผลิตเอนด์เอฟเฟกต์ที่เบากว่าแต่ก็มีความแข็งเพียงพอ ผลลัพธ์ที่ได้คือน้ำหนักบรรทุกที่ใช้งานได้สูงขึ้น อัตราเร่งเร็วขึ้น และการใช้พลังงานลดลง ในขณะที่ยังคงตอบสนองความต้องการด้านความแข็งแกร่งและความแม่นยำของหุ่นยนต์อุตสาหกรรมและการแพทย์

แขนหุ่นยนต์มีพฤติกรรมเหมือนคันโยกยาว มวลที่ข้อมือจะขยายออกไปจนสุดแขน การเพิ่มเครื่องมือหนึ่งกิโลกรัมสามารถเรียกร้องแรงบิดของมอเตอร์และความแข็งของโครงสร้างได้หลายเท่าในห่วงโซ่จลนศาสตร์ ผลที่ตามมาในทางปฏิบัติจะปรากฏขึ้นอย่างรวดเร็ว: การเร่งความเร็วลดลง การเบี่ยงเบนเส้นทางที่ความเร็วมากขึ้น การดึงพลังงานที่สูงขึ้น และส่วนต่างของน้ำหนักบรรทุกที่เหลืออยู่น้อยลงสำหรับชิ้นส่วนจริง

เอฟเฟกต์ปลายแบบดั้งเดิมที่ทำโดยการตัดเฉือนแบบหักลบมักจะเป็นบล็อกแข็งหรือการออกแบบที่มีผนังหนา มีความน่าเชื่อถือแต่ไม่ค่อยได้รับการปรับให้เหมาะกับมวล ในเซลล์ที่มีความเร็วสูงหรือมีความแม่นยำสูง น้ำหนักที่เพิ่มขึ้นนั้นจะแสดงเป็นเวลารอบที่ช้าลง หรือจำเป็นต้องก้าวไปสู่หุ่นยนต์ที่ใหญ่กว่าและมีราคาแพงกว่า การลดมวลส่วนปลายแขนจึงเป็นหนึ่งในการปรับปรุงที่มีประสิทธิภาพสูงสุดสำหรับผู้ประกอบระบบและผู้ใช้หุ่นยนต์

การพิมพ์โลหะ 3D ช่วยให้เกิดแนวทางการออกแบบสี่ประการที่การตัดเฉือนแบบทั่วไปไม่สามารถเทียบเคียงได้อย่างง่ายดาย

โครงสร้างแบบกลวงและแบบขัดแตะช่วยขจัดวัสดุออกจากบริเวณที่มีความเค้นต่ำในขณะที่ยังคงผนังด้านนอกไว้เพื่อความแข็งและส่วนต่อประสานในการติดตั้ง ซอฟต์แวร์เพิ่มประสิทธิภาพโทโพโลยีจะปรับแต่งรูปร่างเพิ่มเติม โดยเก็บวัสดุไว้ตามเส้นทางโหลดหลักเท่านั้น ผลลัพธ์มักจะเป็นชิ้นส่วนที่ดูเป็นธรรมชาติซึ่งเบากว่าดีไซน์ทึบแบบดั้งเดิมถึง 30–50 % แต่ยังคงเป็นไปตามขีดจำกัดการโก่งตัวและความเครียด

การรวมชิ้นส่วนถือเป็นกำไรที่สำคัญอีกประการหนึ่ง สามารถรวมฉากยึด อะแดปเตอร์ และตัวยึดหลายอันเป็นส่วนประกอบที่พิมพ์ออกมาชิ้นเดียวได้ ข้อต่อที่น้อยลงหมายถึงน้ำหนักการประกอบที่ลดลง การซ้อนของพิกัดความเผื่อที่น้อยลง และลดจุดที่เกิดความเสียหาย

สามารถสร้างช่องภายในลงในชิ้นส่วนได้โดยตรง ท่อนิวแมติกหรือท่อสุญญากาศซึ่งครั้งหนึ่งเคยต้องใช้ท่อและข้อต่อภายนอก ปัจจุบันทำงานภายในโครงสร้าง ทำความสะอาดเปลือกหุ้ม และขจัดมวลเพิ่มเติม

เทคนิคเหล่านี้ถูกนำมาใช้แล้วในมือจับและอุปกรณ์จับยึดในการผลิต โครงการที่บันทึกไว้จะแสดงการลดน้ำหนักในช่วง 30–47 % สำหรับเอนด์เอฟเฟกต์ ขณะที่รักษาความเค้นและการกระจัดสูงสุดให้อยู่ภายในขีดจำกัดที่ยอมรับได้ การประหยัดที่แน่นอนนั้นขึ้นอยู่กับการออกแบบดั้งเดิม กล่องโหลด และวัสดุที่เลือก แต่ทิศทางจะสอดคล้องกัน: สามารถกำจัดมวลที่มีนัยสำคัญออกได้โดยไม่สูญเสียความแข็งแรงในการใช้งาน

การเลือกใช้วัสดุเริ่มต้นด้วยอัตราส่วนความหนาแน่นและความแข็งแรงต่อน้ำหนัก

อะลูมิเนียมให้มวลน้อยที่สุดและมักเป็นตัวเลือกแรกสำหรับมือจับอุตสาหกรรมความเร็วสูง ไทเทเนียมมีความหนาแน่นอยู่ตรงกลาง แต่มีความแข็งแรงจำเพาะและความเข้ากันได้ทางชีวภาพที่ดีเยี่ยม โลหะผสมไทเทเนียมชนิดเดียวกับที่ใช้สำหรับไทเทเนียมอัลลอยด์พิมพ์ 3 มิติทางการแพทย์รากฟันเทียมได้แสดงให้เห็นคุณสมบัติทางกลที่สม่ำเสมอ การควบคุมคุณภาพผง และการตรวจสอบย้อนกลับเป็นชุดในการผลิตทางการแพทย์ที่ได้รับการควบคุมแล้ว ความสมบูรณ์ของกระบวนการดังกล่าวจะถ่ายโอนโดยตรงไปยังเอนด์เอฟเฟกต์หุ่นยนต์ผ่าตัด ซึ่งจะต้องรวมมวลต่ำเข้ากับความน่าเชื่อถือสูง

เหล็กกล้าไร้สนิมจะถูกเลือกเมื่อความต้านทานการกัดกร่อนหรือความแข็งแรงสัมบูรณ์มีมากกว่าค่าปรับน้ำหนัก

ลำดับการตัดสินใจง่ายๆ:

จัดลำดับความสำคัญมวลต่ำสุด → อะลูมิเนียม

ต้องการความแข็งแรงสูงกว่าหรือความเข้ากันได้ทางชีวภาพเกรดทางการแพทย์ → ไทเทเนียม

สภาพแวดล้อมที่รุนแรงหรือความทนทานสูงสุด → สแตนเลส

การผลิตสารเติมแต่งโลหะทำให้ชิ้นส่วนมีรูปร่างใกล้เคียงกันและมีรูปทรงภายในที่ซับซ้อน แต่ส่วนต่อประสานที่สำคัญมักยังต้องมีการตัดเฉือน ที่นั่งตลับลูกปืน พื้นผิวการระบุตำแหน่งที่แม่นยำ รูเกลียว และหน้าซีลมักจะผ่านการผ่าน CNC ขั้นสุดท้ายเพื่อให้ได้ค่าความคลาดเคลื่อนและผิวสำเร็จที่ต้องการ

วิธีการแบบไฮบริดนี้พบได้ทั่วไปในหุ่นยนต์ทางการแพทย์และศัลยกรรมผลิตภัณฑ์ทางการแพทย์กลึง CNC ที่มีความแม่นยำต้องการการควบคุมทางเรขาคณิตที่เข้มงวดและคุณภาพพื้นผิวที่เรียบบนคุณสมบัติการผสมพันธุ์ การพิมพ์โครงสร้างน้ำหนักเบาที่ซับซ้อน จากนั้นตัดเฉือนเฉพาะพื้นผิวการทำงานเป็นการผสมผสานสิ่งที่ดีที่สุดของทั้งสองกระบวนการ: อิสระในการออกแบบและการลดมวลจากการเติมแต่ง ความแม่นยำของมิติจากการลบ

กฎง่ายๆ:

พิมพ์เนื้อหาออร์แกนิกที่ปรับให้เหมาะสมกับโทโพโลยีและช่องทางภายในใดๆ

ตัดเฉือนส่วนต่อประสานการติดตั้ง รูเจาะที่แม่นยำ และพื้นผิวการซีล

ปล่อยให้พื้นผิวภายนอกที่ไม่สำคัญตามที่พิมพ์ไว้หรือเสร็จสิ้นแล้วเล็กน้อย

ผู้รวมระบบต้องการมือจับที่เบากว่าสำหรับเซลล์บรรจุภัณฑ์ความเร็วสูง การออกแบบอะลูมิเนียมกลึง CNC แบบเดิมมีน้ำหนัก 1.85 กก. และจำกัดน้ำหนักบรรทุกที่ใช้งานได้ของหุ่นยนต์ เวอร์ชันใหม่ได้รับการออกแบบใหม่ด้วยการเพิ่มประสิทธิภาพโทโพโลยีและผลิตโดยการพิมพ์ 3 มิติด้วยโลหะใน AlSi10Mg ตามด้วยการตกแต่งด้วย CNC บนหน้ายึดขากรรไกรและพอร์ตนิวแมติก

มือจับแบบพิมพ์และเครื่องจักรมีน้ำหนักลดลง 1.12 กก. 39 % ความแข็งและแรงยึดเกาะยังคงอยู่ตามข้อกำหนดเดิม รอบเวลาดีขึ้นประมาณ 8 % เนื่องจากหุ่นยนต์สามารถเร่งความเร็วและลดความเร็วได้มากขึ้น ตั้งแต่นั้นมา กระบวนการไฮบริดแบบเดียวกันนี้ได้ถูกนำไปใช้กับตัวจับยึดเครื่องมือหุ่นยนต์ผ่าตัดหลายตัว ซึ่งทั้งมวลและคุณภาพพื้นผิวมีความสำคัญอย่างยิ่ง

ไม่ใช่ทุกร้านค้าที่มีการเตรียมพร้อมสำหรับงานเอนด์เอฟเฟกต์อย่างเท่าเทียมกัน ก่อนทำการสั่งซื้อ ให้ยืนยันสิ่งต่อไปนี้:

ใบรับรองวัสดุและการตรวจสอบย้อนกลับของผง (สำคัญอย่างยิ่งสำหรับไทเทเนียม)

ความสามารถในการจัดหารายงานการทดสอบความหนาแน่นและคุณสมบัติทางกล

หลังการประมวลผลภายในองค์กรหรือที่มีการควบคุมอย่างเข้มงวด (บรรเทาความเครียด, HIP หากจำเป็น, การตกแต่งด้วย CNC)

ความสามารถในการตรวจสอบขนาด (CMM หรือ CT สำหรับช่องภายใน)

ประสบการณ์ในการย้ายจากต้นแบบไปสู่ปริมาณน้อยและขายส่ง

การสื่อสารที่ชัดเจนเกี่ยวกับแนวทางการออกแบบสำหรับสารเติมแต่งและระยะเวลารอคอยสินค้าที่สมจริง

ผู้ผลิตการพิมพ์ 3 มิติด้วยโลหะที่มีความสามารถหรือโรงงานการพิมพ์ 3 มิติด้วยโลหะจะหารือประเด็นเหล่านี้อย่างเปิดเผย และมักจะเสนอการตรวจสอบการออกแบบสำหรับการเติมก่อนที่จะเสนอราคา มองหาซัพพลายเออร์ที่ดูแลงานบริการการพิมพ์ 3 มิติโลหะตามสั่งสำหรับหุ่นยนต์หรืออุปกรณ์ทางการแพทย์อยู่แล้ว ระเบียบวินัยของกระบวนการดำเนินต่อไป

การผลิตสารเติมแต่งโลหะสำหรับส่วนประกอบโครงสร้างยังคงได้รับการยอมรับอย่างเป็นทางการ มาตรฐานกระบวนการ ข้อมูลจำเพาะของวัสดุ และข้อกำหนดของระบบคุณภาพที่พัฒนาขึ้นสำหรับอากาศยานและการปลูกถ่ายทางการแพทย์ ถูกนำไปใช้กับหุ่นยนต์อุตสาหกรรมมากขึ้น แนวปฏิบัติที่ได้รับการยอมรับที่เพิ่มขึ้นนี้ช่วยลดความเสี่ยงสำหรับผู้ใช้ปลายทางที่ระบุเอฟเฟกต์ปลายด้านการพิมพ์

หากคุณกำลังประเมินเอนด์เอฟเฟกต์ที่เบากว่า ให้ส่งข้อกำหนดด้านการออกแบบหรือประสิทธิภาพในปัจจุบัน การตรวจสอบการออกแบบเพื่อเพิ่มสารเติมแต่งและการลดน้ำหนักสั้นๆ สามารถแสดงให้เห็นถึงการประหยัดได้จริงและกระบวนการที่ดีที่สุดในการพิมพ์ 3 มิติด้วยโลหะบริสุทธิ์ ไฮบริดกับ CNC หรือการผสมผสานกัน ก่อนที่คุณจะตัดสินใจใช้เครื่องมือหรือการผลิต