Вклад 3D-печати в робототехнику

Технология 3D-печати металлом (SLM), благодаря интегрированному формованию и оптимизации топологии, стала основным методом производства, позволяющим добиться экстремального веса и высокой производительности гуманоидных роботов. Это не только значительно снижает потребление энергии при движении, но и заметно повышает динамическую скорость реакции робота и его-несущую способность.

При разработке роботов-гуманоидов одной из самых сложных задач для крупных технологических компаний является создание искусственного интеллекта одновременно прочного и легкого тела.

Традиционные методы обработки металлов, такие как литье или обработка на станках с ЧПУ, часто ограничены траекторией движения инструмента и геометрией пресс-формы, что затрудняет изготовление сложных внутренних полых конструкций или био-скелетных конструкций. В результате получаются громоздкие компоненты, которые создают дополнительную нагрузку на двигатели. Появление технологии селективного лазерного плавления (SLM) позволило выйти из этого тупика. В этой технологии используется лазерный луч высокой-энергии-плотности, находящийся под защитой инертного газа, для плавления и затвердевания металлических порошков, таких как титановый сплав и алюминиевый сплав, слой за слоем -, непосредственно "выращивая" заранее-спроектированное трехмерное-твердое тело. Конструкция делается плотной в зонах, подвергающихся тяжелым нагрузкам, и решетчатой, -подобной или полой-в зонах, воспринимающих легкие нагрузки, что обеспечивает максимальное снижение веса при сохранении прочности.

Применение технологии SLM в производстве роботов-гуманоидов наиболее ярко отражено в несущих конструкциях-основной нагрузки и компонентах суставов. Гуманоидным роботам приходится часто ходить, переносить грузы и выполнять другие движения, а суставы их ног и рук испытывают огромный крутящий момент.

Чтобы уменьшить собственный-вес, исследователи использовали технологию SLM в сочетании с алгоритмами оптимизации топологии для разработки совершенно нового типа соединительного разъема. Вместо цельного металлического блока этот компонент имеет форму сложной сетчатой ​​структуры, напоминающей биологическую трабекулярную кость.

Возьмем, к примеру, Tesla Optimus Gen2, - его опорная конструкция коленного сустава изготовлена ​​из титанового сплава, напечатанного на 3D-принтере. Этот процесс не только уменьшил вес детали на 42%, но и значительно улучшил ее ударопрочность. Прямым результатом такого облегчения является более быстрое движение робота и более длительное время автономной работы.

Робот IRON нового-поколения XPeng использует аналогичный подход. В его скелетной конструкции используется решение, напечатанное на 3D-принтере,-сочетающее непрерывное волокно или нейлон-12 с металлом, что позволяет добиться био-дизайна с полыми внутренними частями и ребрами жесткости. Он на 40% легче традиционных металлических компонентов, но способен поглощать энергию за счет деформации конструкции во время падения, защищая дорогостоящие внутренние двигатели от повреждений.

Помимо снижения веса, технология SLM также решает проблемы точного производства, связанные с «зрительно-моторной координацией» робота.

Конечный эффектор робота-гуманоида (т.е. его роботизированная рука) требует чрезвычайно высокой ловкости и сенсорных способностей и обычно требует интеграции двигателей, трансмиссионных механизмов, проводки датчиков и других компонентов в чрезвычайно ограниченном пространстве.

Традиционное производство требует сборки множества отдельных деталей, что не только приводит к большим ошибкам при сборке, но и может со временем расшататься. Благодаря технологии SLM такие элементы, как гнезда подшипников, каналы для проводов и решетки для рассеивания тепла-, можно интегрировать непосредственно в один печатный компонент, что позволяет осуществлять интегрированное производство "соединено-с-приводом". Эта интегрированная формовка устраняет зазоры при сборке и значительно повышает точность движения. Например, для прецизионных компонентов, таких как шестиосные датчики силы, SLM может распечатать их напрямую -, что приводит не только к меньшему размеру, но и к увеличению диапазона измерения на 50–250 % при меньших затратах, чем традиционная пакетная обработка с ЧПУ. Эти высокоточные-производственные возможности позволяют роботам-гуманоидам выполнять такие деликатные задачи, как вдевание нити в иголку или сбор яйца.

Что касается разнообразия материалов, технология SLM также обеспечивает роботам-гуманоидам сочетание жесткости и гибкости.

Хотя компания SLM в основном обрабатывает металлы, лежащая в ее основе философия проектирования распространилась и на сферу специальных инженерных пластмасс и композитных материалов. Например, многослойный сотовый композитный материал, разработанный Boli Technology, имитирует механизм амортизации мышечной ткани человека и был применен к амортизирующим слоям локтей и коленей на рисунке 02.

Этот материал напечатан на 3D-принтере в виде пористой структуры,-подобной сотам, плотность которой составляет всего 40 % от плотности алюминиевого сплава, однако он может поглощать энергию удара и выдерживать более 1 миллиона циклов изгиба.

В то же время высокоэффективные-конструкционные пластики, такие как PEEK (полиэфирэфиркетон), также используются для печати структур поддержки позвоночника и механизмов роботов. По сравнению с металлом PEEK имеет чрезвычайно низкую плотность и самосмазывающиеся-свойства. В Tesla Optimus Gen2 он использовался для замены алюминиевого сплава, в результате чего общий вес снизился на 10 килограммов, а скорость движения увеличилась на 30%.

Чтобы более интуитивно сравнить влияние технологии SLM на различные компоненты робота, таблица ниже иллюстрирует скачок производительности, который она обеспечивает:

Технология SLM также значительно ускорила цикл исследований и разработок гуманоидных роботов.

Разработка робота-гуманоида — это процесс непрерывных проб и ошибок - чертеж, законченный сегодня, завтра может нуждаться в доработке. При традиционном производстве с использованием пресс-форм-цикл-изготовления пресс-форм является длительным и дорогостоящим, а как только конструкция меняется, пресс-форма превращается в металлолом.

Для технологии SLM вообще не требуется пресс-форма -. После загрузки файла проекта полный прототип или образец основного компонента можно распечатать в течение 1–3 дней. Эта производственная модель «что спроектируешь, то и получишь» позволяет группам исследований и разработок печатать детали за одну ночь и приступать к реальным-испытаниям оборудования уже на следующее утро. При разработке робота IRON компании XPeng эта возможность быстрого прототипирования была использована для сокращения цикла итерации с «недель» до «дней», что помогло компании получить преимущество на раннем этапе в условиях жесткой конкуренции на рынке.

Поскольку стоимость металлического порошка отечественного производства продолжает падать, барьер для коммерциализации технологии УУЗР также снижается. В 2025 году цена на титановый порошок отечественного производства упала на целых 50 %, что сделало возможным крупномасштабное-применение металлических компонентов, напечатанных на 3D-принтере. Разумно предсказать, что цены продолжат стремиться к своему практическому минимуму в течение следующих пяти лет.

Сегодня технология 3D-печати металлом применяется не только в промышленных-гуманоидных роботах, но и в бытовой электронике -, включая корпус из титанового сплава для Apple Watch и петли для складных смартфонов -, демонстрируя свою зрелость для крупномасштабного-точного производства.