车企如何用协作机器人与3D打印升级生产

汽车业引入更复杂机器人、探索3D打印、集成其他先进技术。

美国汽车业自动化数十载。汽车卡车生产联想起围栏隔离人类的大块头机器人。围栏内焊接等任务执行。

但行业在自动化前沿推进。车企供应商转向协作机器人（cobots）。此类设备常更小、更灵巧、可安全部署在人工操作员身旁。

更进一步，行业也想扩大3D打印机应用。福特、宝马等车企直接与增材制造商合作部署技术。企业也利用虚拟/增强现实解决制造问题。同许多制造商一样，车业想榨干工业4.0价值，“连接”机器互通并与人工操作员通讯。

“新自动化与1980年代自动化有许多不同，”密歇根安娜堡汽车研究中心（CAR）行业劳工经济副总裁Kristin Dziczek说。

“如今自动化不只复刻人体力劳动，还将其连接厂内外其他网络物理系统，”Dziczek说。“意味着制造商从自动化获取更多数据、对整个制造系统有更多控制——非仅控制个别自动化工位。”

汽车自动化趋势一象征是福特底特律郊区Redford新高级制造中心。内部研究3D打印机和协作机器人如何上车间。中心虚拟/增强现实设施供福特全球工厂解决如如何布局厂内生产设备等问题。

福特2017年组建高级制造组织，汇聚跨制造运营员工。去年确定选址，因一工业公司搬离底特律区另一地点。

“福特与自动化有非常成熟关系，”福特全球高级制造组织首席工程师Mike Mikula说。公司想加速制造技术。

以下是自动化与新技术在车业演进的几种方式。

3D打印强势崛起

3D打印即增材制造，按数字设计逐层打印零件。技术向打印更大零件、更多金属材料转移。航空航天多年投资增材，因3D打印实现新设计、承诺钛等金属更高效利用。

但车业产量更大。至今车企供应商采用3D打印滞后航空航天同行。

“3D打印当前应用限于工具、模具、夹具、治具及少量低产量零件，”CAR的Dziczek说。“大规模采用3D打印量产汽车零件的真实障碍是循环时间、成本、以及现行冲压/模塑/切削成型工艺的沉没成本。3D打印须大幅提速降本，车业才会见大规模高产量应用。”

尽管如此，车业增材制造开发正进行中。

“3D打印技术自身进步创造系列历史上无解的方案，”福特Mikula说。改进含“打印速度、可打印材料。碳纤维增强聚合物（CFRP）、先进塑料、金属的引入极大改变了‘可能的艺术’视角的潜在应用。”

“结合”算力提升，他续说，“让软件帮你设计零件。不需同等工程投入和前置周期给出满足所有需求的主导方案。所以无论从能打印什么、还是多快打印……使3D打印极具吸引力。我们目标是从为制造流程提供工装装配辅助使其更稳健、潜在克服3D打印技术挑战的角度利用它。”

此前福特与Stratasys合作原型3D打印机生产大件。这迪尔伯恩总部车企也与宝马共同投资Desktop Metal，这马萨诸塞伯灵顿增材制造公司。福特CTO Ken Washington在Desktop Metal董事会。

“福特宝马‘知道这要来了，’”Desktop Metal CTO兼联合创始人Jonah Myerberg说。“他们很急。距遍布整车还几年。”

Myerberg称3D打印可能超越模具夹具，但不确定性大。

“不能只看车辆一区域，”他说。“须看整车。我们试图睁开他们眼界看我们视为3D打印关键优势之处。”Desktop Metal高管称车企可能向一级供应商下压技术。

“有很多幕后工程师不愿说的事，”Myerberg说。“我们只看到客户如何用这些打印机的一小幅图景。”

9月HP推出HP Metal Jet新3D打印技术，面向钢件量产。据HP，大众汽车拟2020年代用HP Metal Jet生产电动车。电动车运动部件比传统内燃机少。结果EV可能成车业扩展增材制造机遇。

协作机器人

机器人是车业车间自动化最早例子之一。

机器人采用早期做危险重复工作，FANUC America汽车零部件市场总经理Lou Finazzo（密歇根Rochester Hills）说。许多机器人焊车身。

“人类限制了汽车业车身侧真正演进，”他说。人工操作员操控“巨大焊枪”盲跨车身打无数焊点“且不知好坏”极具挑战。

“机器人技术起飞后，能稍微不同设计车辆[更复杂装配]，”他续说。“质量更好控制环，允许实际减少焊点和结构件，使车辆装配演进至今日。那些是初始阶段。”

今机器人自动化补贴劳动力，制造商供应商面临劳动力短缺，Finazzo说。

“所以现在可让一人负责四五台协作机器人，实际提升其效率……与传统车企沟通，所需灵活性比过去大得多，”他说。

协作机器人在车业受关注。“驱动车业对协作机器人兴趣的两关键因素是速度和成本，”Omron Automation Americas机器人运动控制营销经理Darrell Paul（伊利诺伊Hoffman Estates）说。“协作机器人可更快部署进现有制造环境。这些机器人能与现有制造单元和操作员协作，消除额外结构或基建成本需求。”

公司CES展出新TM系列协作机器人。据Omron，机器人带视觉系统，支持快速启动换型。软件使其可训练不同任务。

福特高级制造中心有FANUC、ABB、Universal Robots、KUKA机器人。

“我们厂里很多工作不需要工业机器人那级伸展和负载，”福特Mikula说。“协作机器人提供小制造占地，可安全融入技术员和设施间，无需建大量防护基建。”

“有协作机器人，可得更简单方案；[可]把活带给机器人，让机器人安全可靠干活，”Mikula续说。

“我们制造设施改造成本极高，”他说。“车辆内容持续增加。装配发动机、变速箱、电池包、整车所需工作量随时间增加。所以哪里能容纳额外内容并引入自动化做这事……确保以可承受价格交付消费者最高质量产品，协作机器人真正切入方程。”

机器人供应商视角，绩效压力大。

“车业上市速度极重要，”Finazzo说。“十年前能在18个月推新皮卡算巨大成功。今像‘哇，须12个月搞定’。所以上市速度是大事。”