革命性的“机器人锻造”技术可能重振美国制造业

时间:2020-01-25 17:15 来源:seo 作者:杏鑫 点击量:

革命性的“机器人锻造”技术可能重振美国制造业

制造技术和创新之间有着密切的联系,尽管这一点并不明显。埃隆·马斯克经常提到“制造机器的机器”成为他所在领域和汽车行业的真正推动者。

使用更便宜、更可扩展的流程,Space X能够以预算和速度执行任务,这是使用NASA的老式制造方法无法想象的。新款特斯拉赛博(Tesla Cybertruck)的非正统设计似乎利用了简化的制造过程,省去了“冲压模具”。金属,有利于弯曲和折叠金属板。

革命性的“机器人锻造”技术可能重振美国制造业

现在有一种新的制造方法被称为机器人锻造法。有可能彻底改变高质量结构件的制造方式,从而产生一种新的定制和优化产品。我是一个松散的工程师联盟的一员,他们正在开发这种工艺,我相信这种技术可以帮助重振美国制造业。

今天的技术

金属部件用于各种高性能和安全关键的应用,如运输、采矿、建筑和发电设备,如涡轮发动机。大多数都是用几十年来都没怎么改变的少数几种经典制造工艺中的一种制造的。

机械加工切割原材料以获得理想的形状;铸造包括将熔化的金属倒入模具;成形或锻造使金属变形并挤压成新的形状。铸造和锻造成型通常需要定制模具,设计和制造这些模具要花费相当多的时间和成本,但一旦投入运行,生产效率就会非常高;零件是廉价的,具有高度可再生的性能。这就是为什么螺母和螺栓既便宜又可靠。

革命性的“机器人锻造”技术可能重振美国制造业

第二次世界大战后不久,数字制造技术迎来了更加灵活的生产,首先是计算机数控加工,从金属块上切割各种形状的零件。生产不同的组件就像启动一个新的计算机程序一样简单。计算机数控加工的一个常见缺点是“低买飞”。一个1000磅重的钛块可能被切割成100磅重的航空航天组件。这是昂贵和环境浪费,但不需要新的投资和交货时间很短。

现在,通过3D打印来制造这些部件的热情也是值得的,3D打印也被称为增材制造。这个过程还可以根据需要从计算机文件中生成部件,每次只生成一层部件。那些无法通过机械加工制造的形状可以被打印出来,这样就可以制造出新的形状,比如有内部通道用于冷却或通讯的形状。

虽然这些技术有其优点,但也有缺点。它们往往不能产生最高水平的强度或韧性,这些过程是浪费。

机器人 锻造

铁匠制作的金属器具往往具有传奇的力量,因为金属的工作,像揉面,使其结构更细,更均匀。当这种材料成形时,它会产生方向性强度,就像木材沿着纹理的方向更强一样。然而,没有一个铁匠能制造出飞机起落架那么大的零件,也没有人有能力和耐力制造出我们经济所需的零件。

机器人铁匠的想法是用新的数字能力扩展铁匠的艺术。零件的成形是通过反复、渐进地成形一块金属,然后将其精确地放入压力机中。这种动力压力机或锤系统将根据需要的形状互换工具。

通过紧密控制材料的变形和机器的位置来形成原材料的机器人设备的概念验证。

通过自动化一个零件的成型过程,但使用铁匠的基本方法,机器可以处理更大的零件,比人类更有效率和可再生。

这种新方法有潜力有效地、持续地制造结构“骨骼”。在飞机、轮船、潜艇和机车内部。或者这个概念可以缩小到制造小型的个性化医疗植入物。

技术将在何处扎根?

2017年,俄亥俄州立大学(Ohio State University)的一个本科生团队在一台传统的计算机数控铣床上添加了硬件和软件,使之适应可控变形,从而展示了机器人锻造的基本概念,正式名称为“变形制造”(metamormanufacturing)。这项工作是为了响应由政府资助的财团LIFT(轻量级创新明天)发起的一项2.5万美元的挑战,该挑战旨在演示基于数字化控制的变形成形的关键概念。

但这仅仅是个开始。今天,在我们拥有将金属塑成独特的安全关键物品的自动机器之前,还有许多研究和开发工作要做。

机器人铁匠的全面发展需要综合各种技术。该系统必须能够知道形状,温度,和条件的材料在每个位置正在形成的部分。然后它必须能够控制温度,以产生正确的结构和性能。压力机必须在需要的地方用机器人控制挤压零件,一点一点地使零件变形。而且,为了优化形状和性能,计算机必须决定下一步如何移动和打击零件,通常要学习以前的零件是如何制造的。

所有这些基础技术都在迅速发展,正如最近的一项道路测绘研究所显示的那样,它们没有理由不能迅速融合在一起,成为一种有用和实用的制造技术。

历史表明,当不同的群体聚集在一起形成一个新的产业时,创新的发源地(将想法转化为商业)就会获得长期的利益。底特律有汽车,硅谷有电脑,这是很明显的例子,但托莱多也有玻璃制造,阿克伦有聚合物工程,明尼阿波利斯有医疗设备工程。最近蓬勃发展的技术集群往往出现在美国以外在美国,个人电子产品的制造集中在中国深圳,而先进的半导体设备则在新加坡。早期的星团是偶然发现的。后者通常是深思熟虑和明智的政策决定的结果。

已经有很多伟大的技术诞生在美国,然后在其他地方制造。例如,智能手机的许多核心技术都是在美国的实验室里开发出来的,但现在生产已经遍布全球。下一波创新浪潮可能会出现在那些需要大量技能的地方,这些技能来自于现有工厂的人员配备和改进。机器人锻造为美国提供了一个成为领导者的机会,如果它愿意的话。在任何地方保持这种良性循环的核心是发展工厂,或制造机器的机器。

作者Glenn S. Daehn,俄亥俄州立大学材料科学与工程丰塔纳教授。

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