导读：机械臂3D打印，又称机器人增材制造（RAM），作为一种更灵活、更高效的3D打印方式，正在获得越来越多的认可。RAM技术通过将3D打印头与多轴机械臂相结合，可以创造出比传统三轴（XYZ）机器更灵活的3D打印机。
机械臂具有很高的运动范围，为3D打印的设计自由度开辟了一个全新的世界。这种机械臂模式实际上能够从任何角度进行打印，实现了极其复杂的弯曲几何形状。它还能提供比普通打印机大得多的打印尺寸：高达30米甚至更高。
△Branch Technology与Techmer PM合作，利用KUKA机械臂增材制造机制造大型结构（来源：Branch Technology）
机械臂的优势
通过机械臂3D打印机打印的部件通常不需要支撑，这进一步提高了设计的自由度，并节省了材料成本。机械臂赋予了3D打印制造自主支撑结构更多的可能性，但当它面对悬空类的设计结构时，通常也会变得束手无策。然而，许多制造商已经解决了这个问题，他们允许建筑平台重新定位，从而有可能创造出悬空结构。
机器人3D打印不需要像传统打印机那样对层进行切片，这要归功于可以用专门的3D打印软件编程的多轴工具路径（见下文）。然而，采用机器臂进行制造的模式也让我们看到了该技术的缺点：操作员必须为3D打印头和机械臂编制指令，这使其使用变得复杂，目前还没有关于连接CAD系统和机械臂的信息流的既定标准。
(来源：Ai Build)
缺乏适当的规划和控制会导致打印精度低，甚至会导致机械臂与打印的零件相撞而造成损坏。最终零件的质量也取决于机器人的运动控制系统，其质量和效果可能会有很大差异。
最后，机器人3D打印机通常比传统3D打印机更昂贵。这些因素到目前为止使它们没有成为主流解决方案，但从下面的打印机选项可以看出，这项技术正在变得越来越普遍。打印机在工业制造和建筑领域尤其受欢迎，混凝土3D打印就是一个极富代表性的例子，凭借其大的打印尺寸，该项技术被广泛应用到艺术和建筑当中。
现在，我们已经简要地了解机器人3D打印的基本情况，下面就具体谈谈机器本身和其使用案例。
机器人3D打印机的制造商
事实上，由于机器人技术与3D打印目前只是一种辅助关系，这也使得市场上并没有出现我们想象中的几十家打印机制造商激烈竞争的场景。具体来说，这两种技术更多的是一种混搭的模式，你可能会从一个制造商那里购买一个机械臂，然后从另一个制造商那里购买一个挤出机末端的工具。
△Stäubli是可用于增材制造的机械臂的品牌之一（来源：Stäubli）
现在更常见的案例是，厂家定制专属的高分子材料或混凝土的臂端挤出机，并将其安装在"现成的"机械臂上。这就是为什么你会发现有许多公司使用他们专有的打印机提供机械臂3D打印服务，而不是销售机械臂打印机的公司。随着越来越多的公司看到机械臂增材制造的好处，这种情况有望得到改变。
当然，如果你想买一台机械臂3D打印机，仍是有一些选择的。
Viridis3D
Viridis3D最初是一家独立的公司，后来被EnvisionTec收购，此后又被Desktop Metal收购。尽管所有权发生了变化，但Viridis3D还是稳定地生产其铸造型机器人3D打印机。
△Viridis3d打印机（来源：EnvisionTEC）
这些机器多被用于生产金属铸造的模型和模具，所使用是一个正在申请专利的粘合剂喷射打印头，连接到一个ABB机械臂上。它们的最小层厚为400微米，最多可兼容16个打印头，以每小时2.75英寸的平均速度打印。
Viridis3D打印机在最大的RAM 336型号上的最大打印范围为3 x 3 x 6英尺。整台打印机包括机械臂和构建板，此外还有一个料斗、构建台、溢出仓、控制器和一台主机。
机械臂的笛卡尔运动是由该公司专有的Viriprint软件控制的。据制造商称，该软件和打印机可以在短短几个小时内创建模具和型芯，减少成本和材料浪费。
△马萨诸塞州的金属铸造公司DW Clark使用Viridis3D RAM系统来创建复杂的铸造模式（来源：EnvisionTEC）
马萨诸塞州的金属铸造公司DW Clark曾使用Viridis3D RAM系统为一个叶轮创建复杂的铸造模型。由于最后期限只有两周，该公司能够利用Viridis的3D打印机简化其生产流程，同时还能减少前期成本。DW Clark对打印机创造叶轮叶片的复杂几何形状的能力特别表示认可。
新东家Desktop Metal公司在2021年5月宣布，它已将Viridis改造成一台木质3D打印机，并成为其新子公司Forust的明星产品。Forust是一家服务提供商，用经过特殊处理的锯末层层铺开并由无毒和可生物降解的粘合剂捆绑而成的3D打印木质物体。该公司还在销售木材配置的RAM 336打印机，提供从家居用品到高端建筑细节的所有产品，并且可以为几乎所有使用木制部件的应用创造部件。
△Desktop Metal公司创建了一个定制版的RAM 336 3D打印机，用于打印木材，作为其新子公司Forust的一部分（来源：Desktop Metal公司）
ABB
ABB机器人公司是瑞典-瑞士制造业巨头ABB的一个分支，为包括3D打印在内的各种行业提供机器人和工业自动化解决方案。它的许多机械臂，如IRB 7600，具有灵活的手腕运动和高精确度，使它们非常适用于增材制造。
△Nagami公司使用ABB机器人技术的大型机器人3D打印家具（来源：ABB）
请注意，ABB只生产机械臂，不生产臂端挤出机。不过该公司已经认识到将机械臂用于增材制造的潜力，并发布了新版RobotStudio软件，启用了3D打印的控制模式，使其可与一些ABB机械臂兼容。它支持各种增材制造工艺，并为小批量、高混合的打印而设计。
西班牙设计公司Nagami与设计师Ross Lovegrove合作，使用ABB的机械臂和软件制作了Robotica凳子和桌子的混合体。使用该机械臂可以有更大的垂直设计自由度，这使得设计师能够在材料使用和生产时间之间找到最佳的折衷方案。
ABB的机械臂也被用于机器人3D打印公司MX3D的M1机器人线弧增材制造（WAAM）工艺（见下文）。MX3D还发生过略带戏剧性的一幕，那就是它使用ABB的机器人为自己量身打造了一个轻50%的替换零件，这让小编不禁想起业界内颇有意思的的一个问题：“能否用3D打印机打印出另一台3D打印机？”。
△MX3D的机器人线弧快速成型制造（WAAM）使用一个6轴以上的机器人和一台MIG/CMT焊接机，通过逐层沉积金属来制造工件（来源：MX3D）
CEAD
荷兰3D打印技术供应商CEAD已经开发了一款名为AM Flexbot的制造系统，这是一个用于大规模增材制造的灵活的机器人解决方案。该模块化系统具有高度的可定制性，允许它被修改以适应广泛的应用，并包括数控铣削等功能。
△AM Flexbot（来源：CEAD）
与ABB不同，CAED AM Flexbot配备的挤出机能够处理工程级高温塑料，如PET和ABS碳纤维。使用西门子的Sinumerik 840D控制器在31个轴上操纵Comau机械臂，该机器能够提供高度精确的结果，其打印工作台为1.2 x 1.8米。它不需要单独的机器人控制器，与其他一些解决方案不同。
Flexbot可以通过可选的模块进行扩展，这些模块可以增加一些功能，如旋转台、加热工作台和铣削附加装置。后者使操作者能够实现不同程度的表面处理，用于模具制造和工具应用。
据该公司声称，CEAD的Flexbot与任何切片软件兼容，再加上机械臂的操作灵活性，这使得它很容易被纳入不同的制造工艺中。
此外，慕尼黑工业大学（TUM）曾与CEAD合作，打印了一个模具，用于生产大型客机的示范性复合材料襟翼。Flexbot允许TUM使用他们自己的G代码来控制机器人，帮助他们更快地打印模具并减少最终打印的翘曲。
△CEAD创始人兼董事Maarten Logtenberg（右）向慕尼黑工业大学移交了一套新的AM-Flexbot系统（来源：TUM）
库卡公司（KUKA）
德国的库卡公司为多个行业生产各种工业机器人和自动化解决方案，其中就有用于3D打印的机械臂，包括KR Quantec、KR 3 Agilus、KR30和KR Cybertech Nano机器人。就像ABB一样，库卡生产机械臂，而不是臂端挤出机，不过它确实为混合金属增材制造制造了一个臂端激光金属沉积（LMD）系统，称为ProLMD。
△KUKA生产多种尺寸的机械臂，适合增材制造（来源：Ai Build）。
库卡公司的龙门架式机器人能够打印最大直径为30米的零件。据制造商称，这种3D打印机器人速度快、重量轻，既能节省空间又能节省制造资源。
KUKA.CNC软件可以从任何CAD文件中导入数据，然后将其转换为G代码，这是一种CAM切片机软件。该公司表示，其系统软件允许在内部处理整个CAD/CAM链，而无需将数据编译成机器人语言。
△Branch Technology公司使用KUKA公司的机械臂3D打印机来制作这些轻量级的云端花园（来源：Branch Technology公司）
Branch Technology是一家位于美国的预制和技术公司，专门从事大规模的3D打印，使用KUKA机械臂3D打印机创造了四个巨大的悬空花园，作为芝加哥菲尔德自然历史博物馆125周年庆典的一部分。
这一项目名为"自然之云"，由3D打印的花园结构组成，该结构由植物基生物塑料制成，因为钢铁会太重。这些有机形式，其中最大的是35英尺宽，28英尺长，有1000多棵植物。3D打印的固有优势使其能够生产既环保又兼具模块化的部件。
MX3D
MX3D是一家荷兰制造公司和软件开发商，于2021年推出了一个金属3D打印解决方案--MI金属AM系统，它结合了ABB机械臂、Fronius GMAW/CMT焊接机、MetalXL控制软件以及MX3D控制系统。该公司说，Metal XL软件和控制系统使制造商能够在一天之内把他们的焊接机器人变成一台3D金属打印机。
△来自MX3D的M1金属AM系统（来源：MX3D）
MX3D公司的MetalXL软件是专门为WAAM制作的，它支持各种金属合金。它允许用户对打印进行可行性检查，识别悬空或其他单元可能存在的问题。
自动校准有助于从广泛的材料库中为打印项目选择最佳合金。该软件还提供连续监测、实时模拟、实时控制，以及从多种打印策略中选择最佳结果的能力。
除了软件解决方案外，该公司还利用其八台机器人3D打印机提供大规模的工业按需打印服务。
MX3D的用金属打印服务特别针对制造业、建筑业和基础设施，未来，他们将进一步专注于以高速和低材料成本打印极其大型的零件。
△MX3D 3D打印的桥梁部件（来源：MX3D）
作为MX3D打印大型物体能力的验证，该公司曾与阿姆斯特丹市合作，打印一座12米长的不锈钢人行桥。这座桥已经通过了最后的20吨负载测试，目前正在进行使用和材料评估。
Meltio
另一个用于金属3D打印的臂端选项来自西班牙3D打印机制造商Meltio。它有一个用于金属线（或金属线和粉末）激光金属沉积的技术版本，适合于机械臂的末端，类似上述的ABB或KUKA。Meltio引擎据称可以实现实际上不受限制的金属3D打印，用于模具、一次性产品、短流程、大规模制造、维护和修理。
△Meltio的引擎模块在与机械臂结合时可以实现金属增材制造（来源：Metlio）
Meltio说，它的解决方案与机械臂相结合，是大型金属零件制造中最具成本效益的3D打印机之一。
引擎模块在与数控机床、机器人和龙门系统整合时，可以实现全密度金属（316L不锈钢、钛、Inconel 718）零件的3D打印，其无缝流程可以优化资源，节省生产成本。
Weber Additive
德国制造商韦伯增材公司，以其挤出机技术而闻名，在提供挤出机的同时，还提供用于增材制造的完整机器人系统。通过其Weber Additive部门，该公司提供了一个模块化的6轴工业机器人（ABB、KUKA或史陶比尔）与一个挤出机（AE 16、AE 20、AE 30），以及一个单独的DXR系统部件。
△来自Weber Additive的用于增材制造的DXR单元（来源：Weber Additive）
DXR系统与各种工业机器人一起工作，并控制它们公司的专属挤出机进行移动。挤出机的温度可以达到450℃，有可互换的喷嘴，以及广泛的材料选择，包括软性热塑性弹性体到碳纤维聚合物。韦伯增材公司的产品组合包括带龙门系统的直接挤出系统（DX-系列）、机器人生产单元（DXR-系列）和按客户订单生产的部件。
用于工业机器人编程的软件
尽管上面的一些机器人3D打印机把可以与任何切片软件一起使用作为卖点，但事实上，市场上的许多机器不会与典型的切片机兼容。在此，我们介绍有助于将3D零件文件转化为机器人编程的软件解决方案。
△ABB RobotStudio软件 (来源: ABB)
机器人大师（Robotmaster）
来自新罕布什尔州的Robotmaster开发了一种CAD/CAM软件，帮助机器人操作员整合离线编程、模拟和代码生成。该程序的特点是对任何问题和错误进行强大的可视化处理，使其更容易在第一次尝试中成功地完成打印。
△Robotmaster使用ABB机器人打印航空零件 (来源: Robotmaster)
Robotmaster的点击和拖拽界面使调整方向和重做机械臂路径的工作变得简单，以达到最佳的打印效果。它还具有单键识别轮廓的功能，使操作人员无需学习复杂的模拟技能就能配置优化的机器人程序。
总而言之，Robotmaster将机器人编程中的许多最困难的任务自动化。制造商说，这些功能结合在一起，可以缩短打印时间，提高零件质量。
Ai Build
英国Ai Build公司的AiSync软件为基于FFF/FGF的工业3D打印机提供自动工具路径生成、过程控制和监控工作流程。该程序能够在一个平台上控制多台打印机，只需最少的设置。
△Ai Build的AiSync软件（来源：Ai Build）
AiSync生成的多轴刀具路径与普通切片软件创建的刀具路径不同，它不受层数限制。该软件有一个预定义的几何运算符库，使定制和优化刀具路径更加容易。
制造商说，该软件能自动补偿翘曲和层脱落等问题。自动故障检测和预测分析功能帮助操作员进一步优化他们的打印过程。
Ai Build目前的重点是软件解决方案，但该公司也做了一些有限的定制打印。AiSync已经在多个领域得到应用，包括能源、航空航天、汽车和建筑。
Octopuz OLRP
总部位于加拿大安大略省的Octopuz公司在2020年中期发布了其离线机器人编程（OLRP）软件的3.0重量级版本。其中，该公司增加了新的PathPlanner工具套件，用于增强路径编程。
用于增材制造的Octopuz OLRP使配置多个角度设置成为可能，以实现机器人运动的高可靠性和准确性。新的PathPlanner工具让操作员创建、修改和转换路径，进一步提高手臂运动的效率。
该程序还能够通过先进的模拟功能分析材料厚度和质量。OLRP支持CAM集成和切片机G代码导入。
△Octopuz机器人软件（来源：Octopuz）
Octopuz的软件解决方案支持几个不同制造商的机械臂。例如，它已被用于库卡公司的机械臂，在上一节中有所介绍。
ABB RobotStudio
我们前面已经提到了ABB的RobotStudio，这款模拟和编程软件允许操作人员在一小时内对该公司的机器人进行增材制造编程。
△ABB机器人工作室软件 (来源: ABB)
属于ABB PowerPac产品组合的RobotStudio的3D打印功能于2020年推出，无需对机械臂进行手动编程，允许更快的原型制作。该软件可以将任何标准的切片机软件设计转化为ABB的仿真环境和RAPID机器人代码，而不需要手动编程。
RobotStudio具有G代码过滤功能，可以去除不必要的G代码点，使机器人运动更加平稳。在打印机上包括一个与ABB兼容的挤出机螺杆，使程序能够控制挤出，实现精确打印。
RoboDK
RoboDK是另一家加拿大软件解决方案供应商。它的离线机器人编程软件突出了它与各种选项的兼容性：支持50家制造商的500多个工业机器人，包括ABB和KUKA。
△RoboDK软件 (来源: RoboDK)
RoboDK程序允许用户通过简单的拖放界面上传3D模型来定义工具，这让操作者可以为他们选择的机械臂快速定义其3D打印头。
制造商说，一个直观的、自动化的CAD/CAM集成界面能够快速创建无误差的工具路径，避免碰撞、奇异点和轴限制。在RoboDK中生成最终的机器人路径不需要任何编程经验。自动的双击过程与70多个后处理器一起工作，保证了对各种机器人的支持。
正在寻找一个万能的软件解决方案的操作者应该看一下RoboDK。该公司根据用户和制造商的建议，不断增加对新机器人的支持，所以它不能与你的机械臂一起使用的几率相当低。
机器人3D打印服务提供者
在工业3D打印领域，购买专属机器是及其昂贵的，对于先进的工业机器人来说更是如此。特别是对于中小企业的创造者来说，雇用第三方服务供应商为你打印零件可能是一个更好的主意。
△Marie Tecnimont 3D打印模块（来源：Caracol AM）
下面列出的公司都有机械臂3D打印机的解决方案。这或许不是一个详尽的清单，但这些服务提供商足够让你的零件打印出来，无论你的应用是什么，从建筑到家具。
洛克菲勒（Caracol）公司
总部设在意大利的Caracol公司开发了为其机器人增材制造服务提供动力的硬件和软件，并正在探索将其机器人系统作为一种解决方案进行商业化。
△Caracol的两台机械臂3D打印机（来源：Caracol）。
Caracol使用其专有的Scalprum 13800系统（其中的部分内容已获得专利），以库卡公司的机械臂为支撑，制造大型原型和成品零件，以及工具、夹具、模具和最终使用的零件。该公司表示，这种六轴技术在规模和复杂性方面没有限制，并能大幅削减生产时间和材料成本。该公司目前主要从事工业和制造业，包括航空航天和汽车行业。
Caracol能够用各种高性能和可回收材料进行打印，包括PEEK、用玻璃纤维或碳纤维加固的尼龙（PA12）、PPS（聚苯硫醚）、TPU，以及用rPLA和rPET等可回收材料。
当COVID-19大流行病在2020年中期对意大利造成破坏时，Caracol公司利用其3D打印能力参与其中，帮助防治这种疾病。该公司除了打印可重复使用的防护面具外，还生产了面罩的头部支架，尽管不是用其机械臂打印机。
△Caracol公司的工业机器人增材制造 (来源: Caracol)
Branch Technology
我们在关于库卡（KUKA）的章节中已经提到了Branch Technology，因为他们与一个植物园的合作，但你也可以为你的建筑项目雇用这些创新的设计和制造专家。
△Branch Technology公司拥有约15个3D打印的机器人（来源：Branch Technology）。
Branch Technology的C-Fab（细胞制造）技术创建了一个3D打印的自由形态聚合物矩阵，其中填充了复合材料，并完成了外墙板和连接。该方法使用的材料比传统的分层打印少20倍，同时提供更高的强度-重量比。
2019年，Branch与西佛罗里达大学合作，为其校园创造一个艺术作品。最后的创作是一个用Branch的C-Fab方法3D打印的亭子，这使得该亭子耐用而轻巧，同时使其抛物线形状具有高度的设计自由。
Aectual
总部位于荷兰的Aectual公司专注于创造室内室外的家居和建筑元素。该公司实际上已经开发了自己的XL 3D打印系统，利用ABB机械臂和IRC5控制器、一个定制的工业挤出机和西门子PLC，该3D打印机包也可供选定的合作伙伴购买。
△Aectual公司在史基浦机场的3D打印水磨石地板 (来源: Aectual)
Aectual能够用各种材料进行打印，从混凝土到生物塑料、水磨石和回收的废塑料。它提供大批量的打印，在其阿姆斯特丹工厂有500平方英尺的打印区域。
2021年1月，Aectual推出了它的Aectual社区，允许会员获得他们的家具设计定制打印。2019年，该公司与知名的西班牙建筑师Patricia Urquoila合作，为当年在慕尼黑举行的宝马世界展打印她的地板设计。
Nagami Design
西班牙的Nagami Design将3D打印和机器人制造带到了大规模的产品和物体上，具有广泛的定制可能性。研究和创新是他们产品的核心，与国际知名设计师合作开发，他们不断挑战新技术，创造出突破性的产品。
△Nagami Design的大型机器人3D打印家具 (来源: Nagami)
Nagami与UCL设计计算实验室展开合作，用一条2.4公里长的连续塑料线创造了Voxel-Chair v1.0，该塑料线在空中融化和凝固，创造了一个新的复杂结构。Voxel椅是使用专门为机器人3D打印开发的新设计软件设计的第一个原型，该软件是基于曼努埃尔-希门尼斯-加西亚和吉尔斯-雷钦在巴特利特建筑学院设计计算实验室领导的研究。
Relativity
如果你需要3D打印火箭，相对论空间（Relativity Space）和他们的10米高的名为Stargate的机器人金属3D打印机绝对是一个不错的选择。在打印像燃料箱或火箭体这样的大型部件时，Stargate打印机会将数英里长的定制铝合金细线沿着手臂的长度送至其顶端，在那里，等离子弧融化金属，然后分层铺设完成打印。
△相对论空间的联合创始人Jordan Noone站在公司最新的机器人3D打印机前（来源：Relativity Space）
Relativity公司称，其专有的人工智能会告诉打印机该怎么做，这是他们成功的秘诀。在打印之前，Relativity公司会模拟打印出的东西应该是什么样子。当机械臂沉积金属时，一套传感器捕捉视觉、环境甚至是音频数据。然后，Relativity的软件将两者进行比较，以改进打印过程。
中国的机器人3D打印企业
据南极熊了解，中国也出现一批机器人3D打印企业，包括南京英尼格玛、南京中科煜宸、广东伊之密、上海酷鹰、浙江盛泰等，打印的材料从金属到高分子聚合物都有。
编译自：Ile Kauppila
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