התרומה של הדפסת תלת מימד ביישומי רובוט

טכנולוגיית הדפסת תלת מימד מתכת (SLM), באמצעות עיצוב משולב ואופטימיזציה של טופולוגיה, הפכה לשיטת ייצור ליבה להשגת קל משקל קיצוני וביצועים גבוהים ברובוטים דמויי אדם. זה לא רק מפחית באופן משמעותי את האנרגיה הנצרכת במהלך התנועה, אלא גם משפר באופן ניכר את מהירות התגובה הדינמית של הרובוט ויכולת נשיאת העומס-.

בפיתוח רובוט דמוי אדם, אחד האתגרים הקשים ביותר עבור חברות טכנולוגיה גדולות הוא לתת לבינה מלאכותית גוף שהוא גם חזק וגם קל משקל.

שיטות עיבוד מתכת מסורתיות, כגון יציקה או עיבוד שבבי CNC, מוגבלות לרוב על ידי נתיבי כלים וגיאומטריית עובש, מה שמקשה על ייצור מבנים חלולים פנימיים מורכבים או עיצובי שלד בהשראת- ביו. התוצאה היא רכיבים מגושמים המעמיסים עומס נוסף על המנועים. הופעתה של טכנולוגיית המסת הלייזר הסלקטיבית (SLM) שברה את המבוי הסתום הזה. טכנולוגיה זו משתמשת בקרן לייזר בצפיפות- אנרגיה- גבוהה, תחת הגנה על גז אינרטי, כדי להמיס ולמצק אבקות מתכת כגון סגסוגת טיטניום וסגסוגת אלומיניום שכבה אחר שכבה - "מצמיחת" ישירות את המוצק התלת-תת-מימדי שתוכנן מראש. המבנה עשוי צפוף באזורים הנושאים עומסים כבדים וסריג-כמו או חלול-באזורים הנושאים עומסים קלים, תוך השגת הפחתת משקל מקסימלית תוך הבטחת חוזק.

היישום של טכנולוגיית SLM בייצור רובוט דמוי אדם בא לידי ביטוי בצורה הברורה ביותר במבנים נושאי עומס- ורכיבי מפרקים. רובוטים דמויי אדם צריכים ללכת לעתים קרובות, לשאת משאות ולבצע תנועות אחרות, ומפרקי הרגליים והזרועות שלהם נושאים מומנט עצום.

כדי להפחית את המשקל העצמי-, חוקרים השתמשו בטכנולוגיית SLM בשילוב עם אלגוריתמי אופטימיזציה של טופולוגיה כדי לעצב סוג חדש לחלוטין של מחברים מפרקים. במקום גוש מתכת מוצק, רכיב זה לובש צורה של מבנה רשת מורכב הדומה לעצם טרבקולרית ביולוגית.

קח כדוגמה את ה-Optimus Gen2 של טסלה - מבנה התמיכה במפרק הברך עשוי מסגסוגת טיטניום מודפסת תלת-ממדית-. תהליך זה לא רק הפחית את משקל הרכיב ב-42%, אלא גם שיפר משמעותית את עמידות הפגיעה שלו. הדיבידנד הישיר של משקל קל זה הוא תנועת רובוט מהירה יותר וחיי סוללה ארוכים יותר.

רובוט ה-IRON החדש של-XPeng פועל לפי גישה דומה. מבנה השלד שלו משתמש בפתרון מודפס -תלת מימדי המשלב סיבים רציפים או ניילון-12 עם מתכת, ומשיג עיצוב בהשראת ביו עם פנים חלולים וצלעות חיזוק. הוא קל יותר ב-40% מרכיבי מתכת מסורתיים, אך עם זאת מסוגל לספוג אנרגיה באמצעות עיוות מבני במהלך נפילה, ומגן על המנועים הפנימיים היקרים מפני נזק.

מעבר להפחתת משקל, טכנולוגיית SLM פותרת גם את אתגרי הייצור המדויק הכרוכים ב"תיאום עין- של רובוט".

גורם קצה של רובוט דמוי אדם (כלומר, היד הרובוטית שלו) דורש מיומנות ויכולת חישה גבוהים במיוחד, ובדרך כלל צריך לשלב מנועים, גלגלי שיניים, חיווט חיישנים ורכיבים אחרים בתוך חלל צר במיוחד.

ייצור מסורתי דורש הרכבת חלקים נפרדים מרובים, מה שלא רק מציג שגיאות הרכבה גדולות אלא גם נוטה להתרופף עם הזמן. עם טכנולוגיית SLM, ניתן לשלב תכונות כגון מושבי מיסבים, תעלות תיל וסורגים לפיזור-חום ישירות בתוך רכיב מודפס יחיד, מה שמאפשר ייצור משולב של "מפרק-ל-מפעיל". עיצוב משולב זה מבטל את מרווחי ההרכבה ומשפר באופן משמעותי את דיוק התנועה. לדוגמה, עבור רכיבים מדויקים כמו שישה-חיישני כוח צירים, SLM יכול להדפיס אותם ישירות - וכתוצאה מכך לא רק גודל קטן יותר אלא גם טווח מדידה משופר ב-50% עד 250%, בעלות נמוכה יותר מאשר עיבוד CNC אצווה מסורתי. יכולת הייצור{11}}הגבוהה הזו מאפשרת לרובוטים דמויי אדם לבצע משימות עדינות כמו השחלת מחט או איסוף ביצה.

מבחינת גיוון החומר, טכנולוגיית SLM מביאה לרובוטים דמויי אדם גם שילוב של קשיחות וגמישות.

בעוד ש-SLM מעבדת בעיקר מתכות, פילוסופיית העיצוב הבסיסית שלה התרחבה לתחום של פלסטיק הנדסי מיוחד וחומרים מרוכבים. לדוגמה, החומר המרוכב של חלת דבש רב-שפותח על ידי Boli Technology מחקה את מנגנון הריפוד של רקמת השריר האנושית והוא הוחל על שכבות הריפוד של המרפק והברך של איור 02.

חומר זה מודפס בתלת-ממד לתוך מבנה נקבובי-כמו חלת דבש עם צפיפות של 40% בלבד מזו של סגסוגת אלומיניום, אך הוא יכול לספוג אנרגיית השפעה ולעמוד ביותר ממיליון מחזורי כיפוף.

במקביל, פלסטיק הנדסי בעל ביצועים גבוהים, כגון PEEK (פוליאתר אתר קטון) משמש גם להדפסת מבני תמיכה וגלגלי שיניים של רובוטים בעמוד השדרה. בהשוואה למתכת, ל-PEEK יש צפיפות נמוכה במיוחד ותכונות -סיכה עצמית. Optimus Gen2 של טסלה השתמש בו כדי להחליף את סגסוגת האלומיניום, והשיג הפחתת משקל כולל של 10 קילוגרמים והגברת מהירות התנועה ב-30% כתוצאה מכך.

כדי להשוות באופן אינטואיטיבי יותר את ההשפעות של טכנולוגיית SLM על פני רכיבי רובוט שונים, הטבלה שלהלן ממחישה את קפיצות הביצועים שהיא מספקת:

טכנולוגיית SLM גם האיצה באופן דרמטי את מחזור חזרות המו"פ עבור רובוטים דמויי אדם.

פיתוח רובוט דמוי אדם הוא תהליך של ניסוי וטעייה מתמשך - שרטוט עיצובי שהושלם היום עשוי להזדקק לעדכון מחר. בייצור מסורתי המבוסס על-עובש, מחזור הכנת-התבנית הוא ארוך ויקר, וברגע שעיצוב משתנה, התבנית הופכת לגרוטאות.

טכנולוגיית SLM אינה דורשת תבנית כלל - לאחר העלאת קובץ עיצוב, ניתן להדפיס אב טיפוס מלא או דגימת רכיב ליבה תוך 1 עד 3 ימים. מודל הייצור הזה של "מה שאתה מעצב זה מה שאתה מקבל" מאפשר לצוותי מו"פ להדפיס חלקים בן לילה ולהתחיל בבדיקת מכונות אמיתית כבר למחרת בבוקר. בפיתוח רובוט IRON של XPeng, נעשה שימוש ביכולת אב-טיפוס מהיר זו כדי לדחוס את מחזור האיטרציה מ"שבועות" ל"ימים", ועזרה לחברה לתפוס יתרון מוקדם בשוק תחרותי עז.

ככל שהעלות של אבקת מתכת מיוצרת מקומית ממשיכה לרדת, החסם למסחור של טכנולוגיית SLM גם יורד. בשנת 2025, המחיר של אבקת טיטניום מתוצרת מקומית ירד ב-50%, מה שמאפשר יישום-בקנה מידה גדול של רכיבי מתכת מודפסים בתלת-ממד-. סביר לחזות שהמחירים ימשיכו לעלות לכיוון הקומה המעשית שלהם במהלך חמש השנים הקרובות.

כיום, טכנולוגיית הדפסה תלת-ממדית מתכת מיושמת לא רק ברובוטים דמויי אדם-תעשייתיים, אלא גם התרחבה לצרכנות אלקטרוניקה - כולל מארז סגסוגת הטיטניום של ה-Apple Watch וצירים לסמארטפונים מתקפלים - המדגימים את בשלותו לייצור דיוק בקנה מידה גדול-.