在北喀斯喀特山脈深處的一家鋸木廠裡，機器人正在忙碌地工作。太平洋邊緣音木公司（PRT）為馬丁、泰勒、吉普森和芬達等大型和小型吉他製造商，以及個體製琴師——即製作和維修弦樂器的工匠——提供由精心挑選的樹種加工而成的超高品質木材。

大約十年前，PRT 公司對其營運進行了全面改革，重點在於最大限度地減少浪費並簡化製粉流程。這些改革使產量提高了 12% 以上。在完成這些流程改善後，PRT 公司開始著手自動化，以期在公司其他領域開闢新的發展機會。

我們採訪了工程師傑克威爾斯，了解他如何利用 Formlabs Fuse 系列選擇性雷射燒結 (SLS) 3D 列印技術，使他們的機器人系統更經濟、高效且經久耐用。 SLS 3D 列印的末端執行器 (EOAT) 和製造輔助工具縮短了交付週期，並優化了自動化工作流程，幫助他們實現了機器人系統的內部整合。

為鋸木廠營運引進機器人技術

機器人技術和自動化是人們長期以來所期盼的數位化製造未來的基石，在許多產業中，它們兌現了提高營運效率的承諾。像 PRT 這樣最成功的企業，已經將自動化技術融入生產流程中，從而接管了那些「骯髒、乏味、危險」的任務——這些任務對於人類來說過於緩慢、困難或危險，難以持續完成。

但隨著 PRT 公司開始引進第一批機器人，其整合——即為機器人編程並使其適應特定應用的硬體和軟體元件——卻不盡人意。他們的第一台機器人是一台價值 6 萬美元的 KUKA KR-6，負責將一些特殊且品質極高的木材進行托盤化。這套系統確實為員工節省了大量時間，讓他們可以從事更高價值、更複雜的工作，但與外部整合商的合作卻造成了機器人與任務不匹配的問題，威爾斯意識到，肯定存在更有效率的工作流程。

「我們遇到的主要問題是整合工作做得不夠完善。外部整合商不熟悉木材搬運，他們選擇的機器人比我們需要的要大得多。當我們決定將這些決策權交到公司內部後，我們重新評估了這套系統，並發現存在一種更好、更有效率的方法。我們的方法是讓機器人與其工具完美匹配，」威爾斯說。

用於優化的 3D 列印末端執行器

威爾斯最初是用家裡的熔融沈積成型（FDM） 3D 列印機列印末端執行器的設計圖。很快，3D 列印的價值就顯現出來了——他們能夠每週多次進行設計、組裝、測試和迭代，力求找到強度和重量的最佳平衡點。「有一段時間，我是唯一的工程師，與其花費大量時間進行前期機械加工設計，不如直接列印一個模型，把它裝到機器人上，看看效果如何，這顯然更有意義。」威爾斯說。

PRT 公司內部設有機械加工車間，配備一台功能強大的四軸數控機床，能夠加工客製化末端執行器所需的複雜零件。然而，一旦決定進行加工，設計必須完全定稿，否則就會浪費材料和熟練操作員的大量時間。

FDM 3D 列印零件可用於測試裝配，在某些情況下甚至可以作為最終產品，但它們的可靠性不高，當沿層線施加力時很容易斷裂。「在實際使用之前，很難判斷 FDM 零件的品質如何。有些零件看起來很棒，但可能在 2 萬次循環後無故失效；而有些零件可能在 12 萬次循環後才失效，即便如此，失效也可能僅僅是由於碰撞造成的。」威爾斯說。

他們開始將零件外包給一家服務機構進行 3D 列印，並對收到的 MJF 尼龍 12 零件的強度、重量和耐用性非常滿意。然而，外包耗時太長。當他們準備啟動新專案時，無法等待數週才能收到用於測試的零件。

為什麼選擇 SLS 3D 列印技術製造機械手臂末端執行器？

PRT 需要一種內部解決方案，能夠生產出足以承受數十萬次重複操作的終端應用級零件，作為末端執行器（EOAT）組件。他們喜歡之前外包給 MJF 列印機生產的尼龍零件，同時也需要一個尺寸合適的列印腔來容納末端執行器。 Fuse 1 列印機在各方面都完美契合了他們的需求。「我們開始生產一些非常複雜的零件，加工起來非常困難，而使用鋁等材料又顯得過於笨重。我們需要填補複雜但耐用零件的市場空白，並實現內部生產，」Wells 說。

Fuse 系列和尼龍 12 粉末材料能夠以熟悉的工業級材料製造出最終用途所需的高品質零件。 SLS 技術的自支撐特性使得 3D 列印具有有機曲線和中空核心的生成式設計的末端執行器成為可能，無需額外的後處理和去除支撐結構的時間。

線纜管理和感測器安裝

儘管末端執行器最受關注——或許也確實如此——但自動化機器人系統中還有許多其他部件可以透過 3D 列印進行管理。每台機器人都有數十條複雜的電纜為機器的各個組件輸送能量和訊號。在日常運作中，這些電纜可能會卡住、夾住、斷裂、磨損，或只是礙事；而在維護過程中，佈線不當的電纜可能會對脆弱的電線和連接器造成嚴重損壞。威爾斯開始列印客製化的夾具，將電纜固定在機器上並按特定分組，從而提高整個系統的效率並降低損壞風險。

定制夾具的設計使得鋸末能夠輕鬆通過，而不是滯留在其中以便後續清理。它們將電纜固定在特定位置，以便於維護或更換，並提高了整體操作的清潔度和效率。 Fuse 系列產品使得設計和迭代一款體積小與、功能簡單的部件成為可能，而這款部件卻能產生巨大的影響，並且無需耗費數小時進行數控機床工程設計，也無需數週的交貨週期。

3D 列印定制組件也提高了操作安全性。每個機器人系統都由多個安全感測器監控，這些感測器監控任務運作情況並為安全系統創建回饋迴路。這些感測器提高了安全性，並能提醒操作人員注意問題或潛在風險。雖然這些感測器是大量生產的，但它們的使用環境各不相同，因此每個整合商都需要找到客製化的安裝方法，以確保其有效性。

「我們的整個機器人都是用 CAD 軟體設計的，並在模擬軟體中進行測試。我們可以將感測器放置在模型中，找出最佳角度和位置，然後精確列印出安裝支架，確保每個感測器都位於正確的位置。這對於安全感測器來說至關重要，因為放置錯誤的感測器可能會造成安全隱患。」威爾斯說。

這些安裝支架還有另一個用途：確保系統面向未來。將感測器安裝支架以數位方式整合到整個系統的 CAD 佈局中，使得任何人都能隨時輕鬆地 3D 列印替換支架。「以後任何人都可以更換感測器，而且它屆時將完美地指向他們想要的方向。我們在安全雷達系統中也採用了同樣的方法。沒有出現任何安全問題，而且效果更好，」威爾斯說。

何時使用機器列印，何時使用選擇性雷射燒結（SLS）3D 列印

PRT 公司擁有設備齊全的機械加工車間，配備一台四軸數控機床；威爾斯先生是一位經驗豐富的機械師和設計師，擅長加工複雜的機械零件。這兩種技術相輔相成，機械加工和 3D 列印各有優勢。

最大的差別在於前期投入。「在我們的車間裡，我們高度優化了機械加工流程，但同時，CNC 加工的設計也更加複雜，需要大量的先決知識。而使用 3D 列印，我可以在幾個小時內設計出很多東西，並驗證其可行性——如果採用機械加工，則可能需要幾週時間，」威爾斯說。 Fuse 系列的易用性幫助威爾斯與團隊中的每個人協作，順利完成零件的列印和投入使用。

3D 列印末端執行器的設計考量

對於末端執行器而言，零件需要足夠堅固，能夠拾取和放置托盤上的木塊，但又要足夠輕便，以免機械手臂過載。抗衝擊性和尺寸精度也是主要考慮因素。「3D 列印可以將笨重的金屬組件整合為一個部件，這簡化了組裝過程，以便於日後的維護，」威爾斯說。

但如果你仍然像傳統的機械加工廠那樣，沿用製造笨重金屬工具的模式，那麼 3D 列印末端執行器的優勢就無法體現。威爾斯告訴我們，設計過程並非一一對應。要充分發揮 3D 列印的優勢，需要改變工作流程，並開拓新的創新途徑。

開闢新的收入來源

3D 列印技術讓 PRT 的機器人整合更加順暢、簡單、有效率。「它在自動化整合方面發揮了巨大作用。如果你在線上纜管理方面遇到具體問題，或者機器人存在某些痛點，你很可能可以使用 3D 列印技術來解決，」威爾斯說。

內部自動化和機器設計的正面影響為 PRT 公司開闢了更多機會。「我們致力於以實惠的價格生產高品質的木碗。我們需要專門定制的解決方案來實現這一目標，而將 3D 列印技術添加到我們的工具箱中，有助於我們進一步優化系統，使其更好地適應其用途，」威爾斯說。

同樣，Wells 在 SLS 3D 列印零件方面的成功也促使他將末端執行器（EOAT）和自動化組件視為另一個收入來源。「我們有一些正在生產中使用的零件，可能會賣給自動化領域的其他公司。我們當初購買 Fuse 列印機並不是為了列印 200 個末端執行器，但它確實是我們工具箱裡的一件工具。如果你的團隊成員了解這件工具，它就能發揮非常強大的作用。」Wells 說。

如需了解更多關於 Fuse 系列的信息，請訪問我們的頁面。如需親身體驗尼龍 12 粉末的強度，請申請免費的 3D 列印樣品零件。