La contribució de la impressió 3D a les aplicacions de robots

La tecnologia d'impressió 3D metàl·lica (SLM), mitjançant la conformació integrada i l'optimització de la topologia, s'ha convertit en un mètode de fabricació bàsic per aconseguir una lleugeresa extrema i un alt rendiment en robots humanoides. Això no només redueix significativament l'energia consumida durant el moviment, sinó que també millora notablement la velocitat de resposta dinàmica i la capacitat de càrrega-d'un robot.

En el desenvolupament de robots humanoides, un dels reptes més difícils per a les grans empreses tecnològiques és donar a la intel·ligència artificial un cos que sigui alhora fort i lleuger.

Els mètodes tradicionals de processament de metalls, com ara la fosa o el mecanitzat CNC, sovint es veuen limitats per la trajectòria de les eines i la geometria del motlle, cosa que dificulta la fabricació d'estructures buides internes complexes o dissenys d'esquelets d'inspiració bio{0}}. El resultat són components voluminosos que posen una càrrega addicional als motors. L'aparició de la tecnologia Selective Laser Melting (SLM) ha trencat aquest punt mort. Aquesta tecnologia utilitza un raig làser d'alta-energia-densitat, sota protecció de gas inert, per fondre i solidificar pols metàl·liques com ara l'aliatge de titani i l'aliatge d'alumini capa per capa - "creixent" directament el sòlid tridimensional pre-dissenyat. L'estructura es fa densa en zones que suporten càrregues pesades i en gelosia-com o buida-en zones que suporten càrregues lleugeres, aconseguint la màxima reducció de pes alhora que garanteix la resistència.

L'aplicació de la tecnologia SLM a la fabricació de robots humanoides es reflecteix de manera més clara a les estructures de suport de càrrega del nucli-i els components d'articulació. Els robots humanoides necessiten caminar, transportar càrregues i realitzar altres moviments amb freqüència, i les articulacions de les cames i els braços suporten un parell enorme.

Per reduir el pes propi, els investigadors han utilitzat la tecnologia SLM combinada amb algorismes d'optimització de topologia per dissenyar un tipus de connector d'articulació completament nou. En lloc d'un bloc sòlid de metall, aquest component pren la forma d'una estructura de malla complexa que s'assembla a l'os trabecular biològic.

Preneu com a exemple l'Optimus Gen2 de Tesla - la seva estructura de suport de l'articulació del genoll està feta d'aliatge de titani imprès en 3D-. Aquest procés no només va reduir el pes del component en un 42%, sinó que també va millorar significativament la seva resistència a l'impacte. El dividend directe d'aquesta lleugera és el moviment més ràpid del robot i la durada de la bateria més llarga.

El robot IRON de nova-generació de XPeng segueix un enfocament similar. La seva estructura esquelètica utilitza una solució impresa en 3D-que combina fibra contínua o niló-12 amb metall, aconseguint un disseny bio-inspirat amb interiors buits i costelles de reforç. És un 40% més lleuger que els components metàl·lics tradicionals, però és capaç d'absorbir energia mitjançant la deformació estructural durant una caiguda, protegint els costosos motors interns dels danys.

Més enllà de la reducció de pes, la tecnologia SLM també resol els reptes de fabricació de precisió que implica la "coordinació{0}}manual{0}}del robot".

L'efector final d'un robot humanoide (és a dir, la seva mà robòtica) requereix una destresa i una capacitat de detecció extremadament altes, i normalment necessita integrar motors, engranatges de transmissió, cablejat del sensor i altres components dins d'un espai extremadament reduït.

La fabricació tradicional requereix el muntatge de múltiples peces separades, la qual cosa no només introdueix grans errors de muntatge, sinó que també és propensa a afluixar-se amb el temps. Amb la tecnologia SLM, característiques com ara els seients dels coixinets, els canals de filferro i les reixes de dissipació de calor-es poden integrar directament dins d'un únic component imprès, la qual cosa permet la fabricació integrada de la "junta-a-l'actuador". Aquesta conformació integrada elimina els espais lliures de muntatge i millora significativament la precisió del moviment. Per exemple, per a components de precisió com els sensors de força de sis-eixos, SLM pot imprimir-los directament - donant com a resultat no només una mida més petita sinó també un rang de mesura millorat entre un 50% i un 250%, a un cost més baix que el mecanitzat CNC per lots tradicional. Aquesta capacitat de fabricació d'alta-precisió permet als robots humanoides realitzar tasques delicades com ara enfilar una agulla o recollir un ou.

Pel que fa a la diversitat de materials, la tecnologia SLM també aporta als robots humanoides una combinació de rigidesa i flexibilitat.

Tot i que SLM processa principalment metalls, la seva filosofia de disseny subjacent s'ha estès a l'àmbit dels plàstics d'enginyeria especialitzada i els materials compostos. Per exemple, el material compost de bresca de diverses capes desenvolupat per Boli Technology imita el mecanisme d'amortiment del teixit muscular humà i s'ha aplicat a les capes d'amortiment de colze i genoll de la figura 02.

Aquest material s'imprimeix en 3D en una estructura porosa-com una bresca amb una densitat de només un 40% de la de l'aliatge d'alumini, però pot absorbir l'energia d'impacte i suportar més d'1 milió de cicles de flexió.

Al mateix temps, també s'estan utilitzant plàstics d'enginyeria d'alt rendiment-com ara PEEK (polieter eter cetona) per imprimir les estructures de suport de la columna vertebral i els engranatges dels robots. En comparació amb el metall, el PEEK té una densitat extremadament baixa i propietats auto-lubricants. L'Optimus Gen2 de Tesla el va utilitzar per substituir l'aliatge d'alumini, aconseguint una reducció de pes global de 10 quilos i augmentant la velocitat de moviment en un 30% com a resultat.

Per comparar de manera més intuïtiva els efectes de la tecnologia SLM en diferents components del robot, la taula següent il·lustra els salts de rendiment que ofereix:

La tecnologia SLM també ha accelerat dràsticament el cicle d'iteració de R+D dels robots humanoides.

El desenvolupament d'un robot humanoide és un procés de prova i error continus - un dibuix de disseny acabat avui pot necessitar una revisió demà. Amb la fabricació tradicional-basada en motlles, el cicle-de fabricació de motlles és llarg i costós, i un cop canvia el disseny, el motlle es converteix en ferralla.

La tecnologia SLM no requereix cap motlle - un cop penjat un fitxer de disseny, es pot imprimir un prototip complet o una mostra del component bàsic en un termini d'1 a 3 dies. Aquest model de fabricació "el que dissenyeu és el que obteniu" permet als equips d'R+D imprimir peces durant la nit i començar a fer proves de màquines reals al matí següent. En el desenvolupament del robot IRON de XPeng, aquesta capacitat de prototipat ràpid es va utilitzar per comprimir el cicle d'iteració de "setmanes" a "dies", ajudant a l'empresa a obtenir un avantatge primerenc en un mercat molt competitiu.

A mesura que el cost de la pols metàl·lica produïda a nivell nacional continua baixant, la barrera per comercialitzar la tecnologia SLM també està baixant. El 2025, el preu de la pols de titani produïda a nivell nacional va caure fins a un 50%, fet que va fer possible l'aplicació a gran-escala de components metàl·lics impresos-en 3D. És raonable predir que els preus continuaran tenint tendència cap al seu sòl pràctic durant els propers cinc anys.

Avui dia, la tecnologia d'impressió 3D metàl·lica no només s'aplica als robots humanoides de grau-industrial, sinó que també s'ha expandit a l'electrònica de consum -, inclosa la caixa d'aliatge de titani de l'Apple Watch i les frontisses per a telèfons intel·ligents plegables - demostrant la seva maduresa per a la fabricació de precisió a gran-escala.