应用聚焦：机器人夹持器的 3D 打印

[图片来源：Schmalz]

3D 打印是提升工业机器人能力的核心技术之一。它可以在为机器人应用生产定制夹具和末端执行器时实现更大的设计自由度、更低的成本和更短的交货时间。

随着定制成为机器人和自动化领域的新规范，3D 打印为具有成本效益的定制夹具提供了解决方案，而无需在模具或 CNC 加工方面进行大量投资。

以下，我们深入探讨了 3D 打印对夹具的好处，以及不同公司如何使用该技术来创建先进的夹具设计并实现更快、更便宜的生产。

查看涵盖的其他应用在这个系列中：

热交换器的 3D 打印

轴承3D打印

用于自行车制造的 3D 打印

用于数字牙科和透明矫正器制造的 3D 打印

用于医疗植入物的 3D 打印

3D 打印火箭和航天器制造的未来

鞋类制造的3D打印

电子元件3D打印

铁路行业的 3D 打印

3D 打印眼镜

用于终端零件生产的 3D 打印

支架的 3D 打印

涡轮机零件的 3D 打印

3D 打印如何实现性能更好的液压元件

3D 打印如何支持核电行业的创新

机舱 3D 打印

3D 打印和机器人抓手的演变

随着机器人在制造业中的使用越来越多，机器人抓手（主要是机械臂）正在不断发展，以满足汽车、电子和食品加工行业中高级应用的需求。

这种演变导致了更轻的定制机器人抓手的开发，具有更高的负载能力和安全功能。

然而，满足先进夹持器的需求对于传统制造技术而言正变得越来越具有挑战性。由于规模经济，当公司只需要小批量夹具时，传统制造可能会过于昂贵。

除此之外，事实证明，使用传统技术（例如注塑成型）难以实现夹持器的定制化并且成本高昂。

3D 打印凭借其灵活性和速度，为抓手的制造开辟了新的可能性。

3D 打印夹具的好处

轻量化

随着机器人变得越来越小，设计更小、更轻的抓手以适应此类机器人已成为许多制造商的首要任务。 3D 打印可以提供帮助的一种方法是生产可以在重量更轻的情况下做更多事情的抓手。

通过 3D 打印，制造商可以设计需要更少材料的新形状和几何形状，并且可以使用碳纤维等轻质材料，进一步减轻抓手的重量。

虽然 3D 打印可以减轻重量，但它还可以设计具有相同或更高负载能力的抓手。更轻的重量加上更高的负载能力，意味着机器人的移动速度更快，循环时间更短，这是机器人技术用户的主要目标。

定制

现代机器人越来越多地用于在高度定制化的高混合、低容量环境中提高效率。市场上通常没有合适的标准解决方案，因此对于许多应用，机器人抓手必须进行定制设计。

3D打印是定制机器人抓手的理想技术。公司不需要投资昂贵的定制工具——相反，他们可以创建个性化的设计并直接在 3D 打印机上生产。这也意味着定制夹具的 3D 打印更经济，因为没有额外的工具成本。

部分合并

3D 打印可以生产以前由多个部件组成的夹具作为单个组件。这种将多个部件整合为一个部件的能力可以降低生产成本并加快生产速度，同时也意味着需要组装的单独部件更少。

安全

机器人抓手的安全性是另一个可以通过 3D 打印改进的要素。随着协作机器人变得越来越流行，设计与人类同事一起安全使用的机器人抓手至关重要。

3D 打印提供的设计灵活性使得为抓手设计圆形外壳变得容易，没有尖角，这对于传统工艺来说可能是困难的。此外，它使工程师能够快速且经济地测试多种设计，以确保夹具的最大安全性。

5 个机器人抓手 3D 打印示例

1.夹持器重量减轻 86%

描述 3D 打印抓手的好处是一回事，但探索如何在现实生活中使用该技术则是另一回事。例如，3D 打印专家 Kuhn-Stoff GmbH &Co KG 已经证明，3D 打印可以将夹具重量减少 86%，并将制造成本降低多达 50%。

该公司使用聚合物粉末床融合 (PBF) 技术为 Wittmann Robot Systeme GmbH 生产轻巧但耐用的支气管夹持器。 PBF 技术使用激光熔化和融合聚合物粉末层以创建物体。

夹持器以前由铝、橡胶管和多个连接元件制成，导致生产成本很高。通过重新设计用于 3D 打印的夹具，Kuhn-Stoff 团队能够将组件数量从 21 个减少到 2 个，并用尼龙材料 3D 打印它们。

更少的组件意味着生产所需的材料更少，从而使 3D 打印过程更快、成本更低。

除了这些好处之外，还能够将气动管道和连接器集成到底板中。

事实证明，3D 打印的夹持器也很耐用。 Kuhn-Stoff 报告说，它已经通过 500 万次循环测试，检测到的故障或缺陷为零。

2. IAM 3D Hub 3D 打印用于汽车生产应用的机器人抓手

另一个说明 3D 打印灵活性的例子来自西班牙数字创新中心 IAM 3D Hub，该中心利用该技术改进了抓手的功能。

传统夹具是极其复杂的系统，具有大量组件。由于需要额外的维护和持续不断的调整，这可能会导致更高的采购成本，同时也会增加失败的风险。

这就是 IAM 3D Hub 着手减少这种情况的原因复杂性通过 3D 打印。

使用 HP Multi Jet Fusion 技术以增材制造方式生产夹具，帮助 IAM 3D Hub 的团队将每个夹具中的零件数量减少了 80% 以上，包括导管、连接器、磁铁和其他元件，同时减少了所需的空间以便系统运行。

通过重新设计耦合机制，新的夹持器还可以促进与机器人的更快连接，将过程和安装时间减少 40%。

3. Schmalz 使用 3D 打印和软件定制抓手

德国施迈茨公司于 30 多年前开始涉足真空和抓取技术领域。在成为该行业领导者的过程中，该公司采用 3D 打印进行产品开发和小批量生产。

施迈茨的团队明白，随着自动化对生产环境的影响越来越大，新的和独特的搬运应用需要新的个人抓取设备。因此，一刀切的夹具无法完美满足不同自动化应用的要求。

这种认识导致了一种系统的开发，该系统能够快速轻松地设计定制夹具。通过与软件公司 Trinckle 3D 的合作，施迈茨开发了一款应用程序，允许其客户定制真空夹具。

据报道，针对特定用例的夹具的整个配置大约需要 10 分钟，并且不需要任何经典 CAD 软件或 3D 可打印设计方面的专业知识。

3D 打印技术是 Schmalz 应用程序生成的设计具有成本效益和快速生产的关键。例如，新的抓手通过在抓手设计中加入空气引导来减少处理干扰。

通过这种方式，施迈茨可以在短时间内生产出重量轻、坚固且更重要的是定制的抓手。 Schmalz 解决方案连接到轻型机器人和协作机器人，可承受高达 10 公斤的负载。

4.一个 3D 打印的夹具加快了包装线的转换

包装线必须灵活，尤其是在频繁更换产品时。然而，实现这种灵活性往往说起来容易做起来难。在某些情况下，产品转换过程可能需要几天时间，直到制造出合适的新夹具。

Carecos Kosmetic GmbH 是一家面临这一挑战并找到了 3D 打印解决方案的公司。

在转换期间，该公司需要为包装机制造新的抓手，用于抓紧盖子并将它们拧到罐子上。传统上，该公司会用铝加工夹具，每个零件的成本高达 10,000 欧元，制造时间大约需要六周。

考虑到如此长的交货时间，该公司正在寻找一种可以更快生产夹具的替代解决方案。

Carecos Kosmetic 转向材料挤出 3D 打印，并能够在 12 小时内生产出一个夹具。通过改用聚合物 3D 打印，该公司还节省了高达 85% 的成本和 70% 的制造时间。作为额外的奖励，印刷的塑料抓手也比金属抓手轻 7 倍。

5.用于软机器人抓手的 3D 打印

软机器人是机器人领域，它使用柔性材料（如 TPU 和硅胶）来制造轻巧且有弹性的抓手。

对于软机器人抓手，3D打印提供了设计自由、软材料和小系列的独特组合。 ACEO 是一家在该领域发展专业知识的公司，它是德国化学巨头瓦克化学公司的一个部门。

ACEO 开发了一种硅胶 3D 打印技术，该技术使用类似于喷墨 3D 打印的“按需打印”技术。该过程首先将材料液滴沉积成单层的形状，然后用紫外线固化。然后涂上下一层硅胶液滴，紫外线将其粘合到前一层。重复该过程直到对象完成。

德国初创公司 Formhand 使用 ACEO 的硅胶 3D 打印技术开发了一种适用于跨行业多用途应用的通用夹具。该团队使用 ACEO 的服务制作了几种夹持器设计的原型。由于这项技术，他们能够以低成本快速创建自定义组件。

从更广泛的角度来看，软机器人抓手的 3D 打印为抓手的小型化和多材料设计铺平了道路。未来，此类系统可用于喷气发动机维修和微创手术。

通过 3D 打印将机器人抓手提升到一个新的水平

随着对多功能机器人抓手的需求不断增长，3D 打印提供了一种解决方案，可提供灵巧、轻便的定制抓手。这种抓手更便宜、生产速度更快，这使制造商可以更灵活地试验设计和集成附加功能。

至关重要的是，3D 打印的抓手为整个机器人系统增加了价值，有助于使机器人更轻、更小。

鉴于智能、数字驱动制造的最新趋势，机器人抓取技术的发展肯定会继续下去，而 3D 打印将成为将抓取器设计提升到一个新水平的首选方法。