Vom Fließband zur Schwarmfertigung mit 3D-Druck-Robotern – AMBOTS Gründer Wenchao Zhou im Interview

AMBOTS, ein Spin-off des AM³ Labors der University of Arkansas, wurde mit dem Ziel gegründet, im Gegensatz zu den heutigen automatisierten, aber repetitiven Prozessen eine vollständig autonome Fertigung zu erreichen. Das Unternehmen stellt sich eine Zukunft vor, in der maßgeschneiderte Produkte auf Abruf und zu niedrigen Kosten in einem als Schwarmfertigung bekannten Verfahren 3D-gedruckt werden. In einem Interview mit 3Druck.com gibt der Gründer Wenchao Zhou einen Einblick in die Additiven Fertigung mit mobilen 3D-Druck-Robotern.

AMBOTS ist der Ansicht, dass die seit über einem Jahrhundert vorherrschende Fließbandphilosophie den Anforderungen einer völlig autonomen, universellen On-Demand-Produktion nicht gerecht wird. Inspiriert von der Natur, ähnlich wie ein Bienenschwarm, nutzt das Unternehmen die Schwarmfertigung, bei der mobile Fertigungsroboter auf der Grundlage einfacher digitaler Befehle zusammenarbeiten.

Die Schwarmfertigung unterscheidet sich von der Fließbandproduktion durch drei wichtige Säulen: Kooperation, Mobilität und Intelligenz. Die Zusammenarbeit setzt die Kraft eines Schwarms frei, vereinfacht die einzelnen Maschinen und ermöglicht eine parallele Produktion. Die Mobilität ermöglicht es den Robotern, effektiv zusammenzuarbeiten, und die Intelligenz ist entscheidend für die autonome Ausführung von Aufgaben in dynamischen Umgebungen.

AMBOTS hat sich zum Ziel gesetzt, die autonome Fertigung zu beschleunigen, indem es sich diesen Herausforderungen stellt. Das Unternehmen bringt sein erstes Produkt auf den Markt, den modularen kooperativen 3D-Drucker AMBOTS C1, der mit anderen zusammenarbeiten kann. Darüber hinaus hat das Unternehmen eine Testplattform entwickelt, um die Schwarmfertigung zu demonstrieren, bei der Kooperation, Mobilität und Intelligenz integriert werden. Künftige Produkte werden diese Technologien noch stärker einbeziehen.

Interview mit Wenchao Zhou

In einem Interview mit 3Druck.com erläutert AMBOTS-Gründer Wenchao Zhou die wichtigsten Vorteile des schwarmbasierten 3D-Drucks für die Industrie und spricht auch über die praktischen Herausforderungen bei der Umsetzung dieser Technologie in industriellen Anwendungen.

Was sind Ihrer Meinung nach die wichtigsten Vorteile des 3D-Schwarmdrucks für die Additive Fertigung?

Aus der Perspektive der Fertigungstechnologien kann die Schwarmfertigung mehrere potenzielle Vorteile bieten:

Flexibilität und Anpassungsfähigkeit: Die Schwarmfertigung ermöglicht es Robotern, sich dynamisch für verschiedene Aufgaben, Materialien und Produktionsprozesse umzukonfigurieren, was schnelle Reaktionen auf sich ändernde Anforderungen und Anpassungen ohne Ausfallzeiten oder Umrüstung ermöglicht.

Verbesserte Effizienz und Skalierbarkeit: Durch parallele Verarbeitung und optimierte Aufgabenzuweisung steigert die Schwarmfertigung die Produktionsgeschwindigkeit und -effizienz erheblich. Das System ist skalierbar und ermöglicht eine einfache Erweiterung durch Hinzufügen weiterer Roboter zum Schwarm ohne größere Änderungen der Infrastruktur.

Verbesserte Zuverlässigkeit und Redundanz: Schwarm-Systeme sind fehlertolerant und verfügen über integrierte Redundanz. Wenn ein Roboter ausfällt, können andere seine Aufgaben übernehmen, wodurch eine kontinuierliche Produktion gewährleistet und Ausfallzeiten minimiert werden, was die Zuverlässigkeit insgesamt erhöht.

Kosteneffizienz und Platzoptimierung: Durch den Einsatz kleinerer, modularer Roboter reduziert die Schwarmfertigung die Infrastruktur- und Betriebskosten. Rekonfigurierbare Produktionsaufbauten ermöglichen eine optimale Raumausnutzung und machen den Prozess kostengünstiger und effizienter.

Aus der Perspektive einer Fabrik kann die Schwarmfertigung potenziell das ermöglichen, was wir als Allzweckfabriken (“general-purpose factories”, GPF) bezeichnen, im Gegensatz zu den Spezialfabriken (“special-purpose factories”, SPF), die wir heute haben, seit Henry Ford 1913 das erste Fließband einführte. Mit dieser Veränderung werden mehrere kritische Herausforderungen angegangen:

Sicherheit der Lieferkette: Im Gegensatz zu SPFs, die hohe Abhängigkeiten und lange Lieferketten schaffen, können GPFs sich schnell anpassen, um neue Produkte vor Ort zu produzieren, und die Lieferketten gegen Unterbrechungen wie Pandemien oder Naturkatastrophen absichern.

Entkopplung von Fabrik- und Produktlebenszyklen: GPFs ermöglichen es Fabriken, über den Lebenszyklus eines einzelnen Produkts hinaus nützlich zu bleiben, Produktionskapazitäten zu erhalten und Veralterung zu verhindern. Diese Anpassungsfähigkeit ist für die Aufrechterhaltung der Kontinuität in der Industrie von entscheidender Bedeutung.

Unterstützung extraterrestrischer Zivilisationen: Für die Besiedlung des Weltraums ist es unpraktisch, die komplexen Lieferketten der Erde nachzubilden. GPFs können leicht und kostengünstig auf anderen Planeten repliziert werden, um extraterrestrische Kolonien ohne große Abhängigkeit von der Erde zu unterstützen.

Eine typische GPF besteht aus grundlegenden robotergestützten Fertigungseinheiten, die primitive Fertigungsfunktionen wie Materialauftrag, Energieeintrag, Montage, Verformung, Reinigung und lokale Atmosphärensteuerung bieten. Diese Einheiten können sich in der Fabrikhalle bewegen und sich für verschiedene Zwecke zu unterschiedlichen Gruppen zusammenschließen. Dank dieser intelligenten Anpassungsfähigkeit können GPFs ihre Produktionskapazitäten an unterschiedliche Produktdimensionen, Produktionskapazitäten und Fertigungsprozesse anpassen, indem sie Einheiten zu Gruppen hinzufügen oder aus diesen entfernen.

Die Additive Fertigung hat sich in den letzten Jahren kontinuierlich weiter entwickelt. Welche Innovationen oder technologischen Durchbrüche halten Sie für besonders wichtig für die Zukunft der Schwarmfertigung mit mobilen Robotern?

Während die traditionelle Fertigung weiterhin relevant bleibt, wird die Additive Fertigung aufgrund ihrer inhärenten Kompatibilität mit der Allzweck- und On-Demand-Produktion der Eckpfeiler der Schwarmfertigung sein. Folglich können alle Innovationen oder Durchbrüche, die die Produktionskapazitäten verbessern, die Kosten senken und die Produktqualität erhöhen, potenziell in die Schwarmfertigung integriert werden. Die folgenden Durchbrüche werden besonders wichtig sein:

Prozessinnovationen: Die Entwicklung von Verfahren, die eine breite Palette von Materialien verarbeiten können, darunter Metalle, Keramiken, Polymere und Verbundwerkstoffe, wird entscheidend sein.

Software-Innovationen: Fortschritte bei der Software, die Multi-Material-, Multi-Prozess- und Hybrid-Fertigung unterstützen (z. B. Design-Tools und Slicer), werden eine vielseitigere und effizientere Produktion ermöglichen.

System-Innovationen: Innovationen, die die Druckgeschwindigkeit deutlich erhöhen oder die Gesamtfertigungszeit verkürzen, wie z. B. schichtweises Drucken oder fortschrittliche Nachbearbeitungssysteme, werden die Produktivität steigern.

KI-Integration: Die Integration künstlicher Intelligenz zur Überwachung und Rückkopplungssteuerung des Druckprozesses sowie für Prognosen, Diagnosen und selbstlernende Verfahren wird die Produktqualität verbessern, die Kosten für die Qualifizierung von Teilen senken und die Produktionssicherheit erhöhen.

Was sind die praktischen Herausforderungen und Grenzen bei der Umsetzung des 3D-Schwarmdrucks in groß angelegten industriellen Anwendungen, und wie können diese überwunden werden?

Ironischerweise hat die Geschichte schon oft gezeigt, dass eine Allzwecktechnologie eine spezifische Killeranwendung braucht, um wirklich durchzustarten. Ähnlich wie die Beleuchtung für die Elektrizität und die E-Mail für das Internet muss auch der 3D-Schwarmdruck oder die Schwarmfertigung im Allgemeinen eine spezifische Produkt-Markt-Anpassung finden, um in großem Maßstab erfolgreich zu sein und sein Potenzial als Allzwecktechnologie auszuschöpfen.

Praktische Herausforderungen und Beschränkungen

Hohe Anfangskosten: Die Entwicklung und der Einsatz von Schwarmfertigungssystemen sind mit erheblichen Anfangsinvestitionen verbunden. Dazu gehören die Kosten für fortschrittliche Robotertechnik, Softwareentwicklung und die Anpassung der Infrastruktur.

Standardisierung: Derzeit gibt es keine standardisierten Kommunikationsprotokolle und -sprachen für die nahtlose Interaktion von Robotern. Ohne Standardisierung ist die Integration verschiedener Roboter in ein zusammenhängendes Schwarmsystem eine Herausforderung.

Software-Komplexität: Die Entwicklung anspruchsvoller Softwaretools für den Entwurf von Produkten, die Aufgabenteilung zwischen Robotern und die Optimierung von Planung und Ausführung ist komplex und erfordert erhebliche Ressourcen und Fachkenntnisse.

Verlässlichkeit und Wartung: Die Gewährleistung der Zuverlässigkeit und Wartung eines Roboterschwarms in einer industriellen Umgebung kann angesichts der Gefahr mechanischer Ausfälle und der Notwendigkeit regelmäßiger Wartung eine große Herausforderung darstellen.

Lösungen zur Bewältigung von Herausforderungen

Gezielte erste Anwendungen: Um die hohen Anfangskosten zu bewältigen und die Technologie zu validieren, bringt AMBOTS das AMBOTS C1 in kleinem Maßstab auf den Markt. Dieser Ansatz ermöglicht die Validierung und Verfeinerung der Technologie.

Entwicklung von Standards: Die Zusammenarbeit mit Branchenvertretern bei der Entwicklung und Annahme von Standard-Kommunikationsprotokollen und -sprachen wird eine bessere Integration und Interoperabilität von Schwarmrobotern ermöglichen.

Fortschrittliche Software-Tools: Investitionen in Forschung und Entwicklung zur Entwicklung fortschrittlicher Software-Tools, die Multi-Material-, Multi-Prozess- und Hybrid-Fertigung unterstützen, sind von entscheidender Bedeutung. Diese Werkzeuge sollten eine intelligente Aufgabenteilung sowie eine effiziente Planung und Ausführung von Fertigungsaufträgen ermöglichen.

Robuste Wartungsprotokolle: Die Einführung robuster Wartungs- und Überwachungsprotokolle, einschließlich des Einsatzes von KI für die vorausschauende Wartung, kann die Zuverlässigkeit und Langlebigkeit der Schwarmfertigungssysteme verbessern.

Wenn diese Herausforderungen durch gezielte Strategien und schrittweise Fortschritte angegangen werden, kann der 3D-Druck in Schwärmen effektiv für groß angelegte industrielle Anwendungen aufgestockt werden und letztlich sein Potenzial als transformative Allzwecktechnologie erfüllen.

Welche Auswirkungen wird die Additive Fertigung Ihrer Meinung nach in den kommenden Jahren auf verschiedene Branchen und möglicherweise auf die Gesellschaft insgesamt haben?

Meiner Meinung nach wird die Additive Fertigung (AM) eine transformative Rolle bei der Gestaltung der menschlichen Zivilisation spielen, da sie die Art und Weise, wie wir Produkte entwerfen, herstellen und konsumieren, verändern kann. Obwohl sich die additive Fertigung derzeit noch im Anfangsstadium befindet, hat sie in Branchen wie dem Prototypenbau, der Kunst, der Luft- und Raumfahrt und der Biomedizin, in denen die Herstellung komplexer oder kundenspezifischer, hochwertiger Komponenten in kleinem Maßstab von entscheidender Bedeutung ist, bereits ihre Eignung für den Produktmarkt gefunden.

Auswirkungen auf die Industrie

Luft- und Raumfahrt und Biomedizin: In dem Maße, wie die AM-Technologie reift, wird sie sich in Branchen durchsetzen, die komplexe, hochpräzise Komponenten benötigen, was zu Innovationen in der Luft- und Raumfahrt und personalisierten medizinischen Produkten führen wird.

Automobil und Konsumgüter: Angesichts der verbesserten Skalierbarkeit und Kosteneffizienz von AM ist mit einer breiteren Akzeptanz in Branchen zu rechnen, die eine Produktion in mittlerem bis großem Maßstab erfordern. Die Automobilindustrie wird beispielsweise von kundenspezifischen Teilen und kürzeren Design-zu-Produktionszeiten profitieren, während Konsumgüter wie Schuhe und Dentalprodukte erhebliche Fortschritte bei der kundenspezifischen Anpassung und schnellen Fertigung verzeichnen könnten.

Aufstrebende Branchen: Mit den Fortschritten der AM wird sie in neue Sektoren wie Möbel, Bauwesen und Lebensmittel eindringen. Die Möglichkeit, Möbel nach Maß zu fertigen, komplexe architektonische Komponenten vor Ort zu bauen und personalisierte Lebensmittel zu produzieren, wird diese Branchen revolutionieren.

Gesellschaftliche Auswirkungen

Lokalisierte Produktion: Durch den breiten Einsatz der AM-Technologie können weltweit Allzweckfabriken errichtet werden, die eine lokalisierte Produktion ermöglichen. Diese Verlagerung wird die Komplexität der Lieferkette verringern, die Transportkosten senken und die Fähigkeit verbessern, schnell auf lokale Marktanforderungen zu reagieren.

Innovation und Individualisierung: AM erleichtert das Rapid Prototyping und die Innovation und ermöglicht es Designern und Ingenieuren, schnell zu iterieren und neue Produkte schneller auf den Markt zu bringen. Die Fähigkeit zur Massenanpassung wird zu Produkten führen, die auf individuelle Bedürfnisse zugeschnitten sind, was die Zufriedenheit der Verbraucher erhöht.

Wirtschaftswachstum und Schaffung von Arbeitsplätzen: Das Wachstum der AM-Technologie wird die wirtschaftliche Entwicklung ankurbeln und neue Industriezweige und Beschäftigungsmöglichkeiten schaffen. Die Aus- und Weiterbildung im Bereich der AM-Technologie wird zunehmend an Bedeutung gewinnen und zu einer Belegschaft führen, die in der Lage ist, diese transformative Technologie zu nutzen.

Hier finden Sie weitere Informationen zu AMBOTS.