Bidraget til 3D-utskrift i robotapplikasjoner

Metall 3D-utskrift (SLM)-teknologi, gjennom integrert forming og topologioptimalisering, har blitt en kjernefremstillingsmetode for å oppnå ekstrem lettvekt og høy ytelse i humanoide roboter. Dette reduserer ikke bare energien som forbrukes under bevegelse betraktelig, men forbedrer også en robots dynamiske responshastighet og belastnings-kapasitet markant.

I utviklingen av humanoid roboter er en av de tøffeste utfordringene for store teknologiselskaper å gi kunstig intelligens en kropp som er både sterk og lett.

Tradisjonelle metallbehandlingsmetoder, som støping eller CNC-bearbeiding, er ofte begrenset av verktøybaner og formgeometri, noe som gjør det vanskelig å produsere komplekse indre hule strukturer eller bio-inspirerte skjelettdesign. Resultatet er klumpete komponenter som legger ekstra belastning på motorene. Fremveksten av Selective Laser Melting (SLM)-teknologi har brutt denne dødlåsen. Denne teknologien bruker en laserstråle med høy-energi-tetthet, under inertgassbeskyttelse, for å smelte og størkne metallpulver som titanlegering og aluminiumslegering lag for lag - direkte "vokser" det forhånds-utformede tre-dimensjonale faststoffet. Strukturen er laget tett i områder som tåler tung belastning og gitter-lignende eller uthulet- i områder som tåler lett belastning, og oppnår maksimal vektreduksjon samtidig som den garanterer styrke.

Anvendelsen av SLM-teknologi i produksjon av humanoide roboter gjenspeiles tydeligst i kjernelastbærende strukturer og leddkomponenter. Humanoide roboter må ofte gå, bære laster og utføre andre bevegelser, og ben- og armleddene deres har et enormt dreiemoment.

For å redusere egen-vekt har forskere brukt SLM-teknologi kombinert med topologioptimaliseringsalgoritmer for å designe en helt ny type skjøtekoblinger. I stedet for en solid metallblokk, har denne komponenten form av en kompleks nettstruktur som ligner biologisk trabekulært bein.

Ta Teslas Optimus Gen2 som et eksempel - kneleddets støttestruktur er laget av 3D-trykt titanlegering. Denne prosessen reduserte ikke bare komponentens vekt med 42 %, men forbedret også slagfastheten betydelig. Det direkte utbyttet av denne lette vekten er raskere robotbevegelse og lengre batterilevetid.

XPengs nye-generasjon IRON-robot følger en lignende tilnærming. Skjelettstrukturen bruker en 3D-trykt løsning som kombinerer kontinuerlig fiber eller nylon-12 med metall, og oppnår en bioinspirert design med hult interiør og forsterkende ribber. Den er 40 % lettere enn tradisjonelle metallkomponenter, men er i stand til å absorbere energi gjennom strukturell deformasjon under et fall, og beskytter de kostbare interne motorene mot skade.

Utover vektreduksjon løser SLM-teknologi også presisjonsproduksjonsutfordringene som er involvert i en robots «hånd-øyekoordinering».

En humanoid robots endeeffektor (dvs. dens robothånd) krever ekstremt høy fingerferdighet og sanseevne, og trenger vanligvis å integrere motorer, transmisjonsgir, sensorledninger og andre komponenter innenfor en ekstremt trang plass.

Tradisjonell produksjon krever montering av flere separate deler, noe som ikke bare introduserer store monteringsfeil, men er også utsatt for å løsne over tid. Med SLM-teknologi kan funksjoner som lagerseter, wirekanaler og varme-gitter integreres direkte i en enkelt trykt komponent, noe som muliggjør integrert "skjøt-til-aktuator"-produksjon. Denne integrerte formingen eliminerer monteringsklaringer og forbedrer bevegelsespresisjonen betydelig. For eksempel, for presisjonskomponenter som seks-aksekraftsensorer, kan SLM skrive dem ut direkte -, noe som ikke bare resulterer i en mindre størrelse, men også et måleområde forbedret med 50 % til 250 %, til en lavere kostnad enn tradisjonell satsvis CNC-bearbeiding. Denne høypresisjonsproduksjonsevnen gjør at humanoide roboter kan utføre delikate oppgaver som å tre en nål eller plukke opp et egg.

Når det gjelder materialmangfold, gir SLM-teknologien også humanoide roboter en kombinasjon av stivhet og fleksibilitet.

Mens SLM først og fremst behandler metaller, har dens underliggende designfilosofi utvidet seg til å omfatte spesialplast og komposittmaterialer. For eksempel, det flerlags bikakekomposittmaterialet utviklet av Boli Technology etterligner dempingsmekanismen til menneskelig muskelvev og har blitt påført albue- og knedempingslagene i figur 02.

Dette materialet er 3D-printet til en bikakelignende- porøs struktur med en tetthet på bare 40 % av aluminiumslegeringen, men det kan absorbere slagenergi og tåle mer enn 1 million bøyesykluser.

Samtidig brukes også-teknologisk plast med høy ytelse som PEEK (polyether ether keton) for å skrive ut roboters ryggradsstøttestrukturer og tannhjul. Sammenlignet med metall har PEEK ekstremt lav tetthet og selv-smørende egenskaper. Teslas Optimus Gen2 brukte den til å erstatte aluminiumslegering, og oppnådde en total vektreduksjon på 10 kilo og økte bevegelseshastigheten med 30 % som et resultat.

For mer intuitivt å sammenligne effekten av SLM-teknologi på tvers av forskjellige robotkomponenter, illustrerer tabellen nedenfor ytelsessprangene den gir:

SLM-teknologi har også dramatisk akselerert FoU-iterasjonssyklusen for humanoide roboter.

Å utvikle en menneskelig robot er en prosess med kontinuerlig prøving og feiling - en designtegning ferdig i dag kan trenge revisjon i morgen. Med tradisjonell støpeform-basert produksjon er støpeformen-lang og kostbar, og når et design endres, blir formen til skrap.

SLM-teknologi krever ingen form i det hele tatt - når en designfil er lastet opp, kan en fullstendig prototype eller kjernekomponent-prøve skrives ut innen 1 til 3 dager. Denne produksjonsmodellen "det du designer er det du får" lar FoU-team skrive ut deler over natten og begynne ekte-maskintesting allerede neste morgen. I utviklingen av XPengs IRON-robot ble denne raske prototyping-evnen brukt til å komprimere iterasjonssyklusen fra "uker" til "dager", og hjalp selskapet med å gripe en tidlig fordel i et hardt konkurranseutsatt marked.

Ettersom kostnadene for innenlandsk produsert metallpulver fortsetter å falle, synker også barrieren for kommersialisering av SLM-teknologi. I 2025 falt prisen på innenlandsprodusert titanpulver med så mye som 50 %, noe som gjorde stor-anvendelse av 3D-trykte metallkomponenter mulig. Det er rimelig å forutsi at prisene vil fortsette å trende mot deres praktiske gulv i løpet av de neste fem årene.

I dag brukes 3D-utskriftsteknologi av metall ikke bare i industrielle-humanoide roboter, men har også utvidet seg til forbrukerelektronikk - inkludert titanlegeringsdekselet til Apple Watch og hengsler for sammenleggbare smarttelefoner - som demonstrerer dens modenhet for stor-presisjonsproduksjon.