mobile 3D-Drucker AMBOTS Roboter arbeiten im “Schwarm” zusammen

Die Zukunft der Produktherstellung findet man in einem unscheinbaren, fensterlosen Labor, in dem Wenchao Zhou, Lucas Marques und Austin Williams, alle jünger als 35 Jahre, einen “Schwarm” von Robotern bauen. Diese “AMBOTs”, wie sie sie nennen, arbeiten zusammen, um komplexe Fertigungsaufgaben zu erledigen, darunter 3D-Druck, automatisierte Montage, Schrauben, Schneiden, Bearbeiten und Schweißen.

“Im Moment versuchen wir herauszufinden, wie wenig Roboter für eine generische digitale Fabrik erforderlich sind”, sagt Zhou, Professor für Maschinenbau und Direktor des AM3 Lab, in dem er, Marques und Williams die nächste Generation von 3D-Drucktechnologien entwickeln.

Additive Manufacturing, bekannt als 3D-Druck, ist der Prozess des Aufbaus eines Objekts durch Ablagern einer Schicht auf einer Materialschicht, sei es Kunststoff, Harz, Stahl oder sogar Erde und biologisches Gewebe. Unternehmen auf der ganzen Welt nutzen diese Technologie, um Manschettenknöpfe, Eheringe, Turnschuhe, Motorteile und orthopädische Implantate herzustellen. Diese Produkte haben jedoch einige Gemeinsamkeiten, die an ihre Grenzen stoßen: Sie benötigen viel Zeit und sind relativ klein.

Bei aktuellen 3D-Drucktechniken besteht das Problem der Skalierung. Herkömmliche 3D-Drucker erfordern eine kastenartige Struktur, die den Druckkopf unterstützt. Die Skalierung dieser Stützstrukturen erhöht die Kosten schnell und macht es unmöglich, einen Drucker zu bauen, der große Produkte wie ein Flugzeug herstellen kann.

Zhou, Marques und Williams haben dieses Problem gelöst, indem sie ein mobiles, autonomes 3D-Druckfahrzeug gebaut haben, das mit Dutzenden, wenn nicht Hunderten von anderen Robotern, wie einem Bienenschwarm, zusammenarbeiten kann. Die Forscher müssen ihre Roboter vergrößern, um ein Projekt wie ein Haus oder ein Flugzeug übernehmen zu können, aber sie machen sich darüber keine Sorgen. Wie Williams darauf hinweist, verwenden Fabriken bereits große Gabelstapler mit einem Fahrgestell und Rädern, die den AMBOTs ähneln.

AM-Cubed

Anfang dieses Jahres gründeten Zhou, Marques und Williams eine Firma namens AMBOTS, um ihre Vision und Entdeckungen voranzutreiben. Zhou ist der Chief Technology Officer, Marques der Chief Design Officer und Williams der Chief Software Architect. Alle sind als Mitbegründer aufgeführt. Innerhalb von zwei Jahren, so Zhou, hoffen sie, im Arkansas Research and Technology Park eine Minifabrik errichten zu können, die als Modell für ein Netzwerk allgemeiner digitaler Fabriken auf der ganzen Welt dienen soll, die jeweils mit Tausenden von spezialisierten autonomen Robotern ausgestattet sind.

Das “AM” in AMBOTS steht für “Additive Manufacturing”, den sogenannten 3D-Druck. Zhou weist darauf hin, dass „AM“ auch für Advanced Manufacturing, Advanced Modeling und Advanced Materials oder, wie der Name des Labors sagt, AM-Cubed steht.

„Individualität ist das, was den Menschen antreibt.“

Ein “Schwarm” von Robotern

Zhou arbeitet seit mehr als einem Jahrzehnt mit der 3D-Drucktechnologie. Mit Hilfe der Unterstützung von Marques und Williams durchlief er in der University of Arkansas mehrere Iterationen eines mobilen, drahtlos gesteuerten Roboters, der Material ablegen und grobe dreidimensionale Objekte bauen konnte. Sie haben das Design weiterentwickelt, bis sie sich auf die aktuelle Generation festgelegt haben, ein Fahrzeug, das zu ihrer Zufriedenheit funktioniert und als Modell für eine Flotte von Robotern dient, die unterschiedliche Aufgaben erfüllen. Bisher haben sie zusätzlich zu einem Druckroboter oder “printbot” einen Digitalmontage-Roboter fertiggestellt, der Teile “auswählen und platzieren” kann.

Diese AMBOTs – von denen 80 Prozent aus 3D-gedruckten Materialien bestehen – sehen aus wie die Fusion des Mars Rover und eines Spielzeugroboters. Sie haben anthropomorphe Eigenschaften und funktionieren zweckmäßig und präzise. Sie können hören, wie sich die Zahnräder leise drehen und Schaltkreise brummen. Wenn der Printbot Material ablegt, klingt dies wie eine Tätowierpistole.

Jeder Roboter verfügt über ein „Unibody“, ein Chassis, das mit einem Bedienfeld, elektronischen Schaltkreisen zur Steuerung der Maschinenkomponenten, Rädern mit einer Reihe von Gummiauflagen, die es dem Roboter ermöglichen, präzise zu schwenken und sich in jede Richtung zu bewegen, und schließlich dem „Z Stage“ besteht. Z Stage ist eine vertikale Säule, die den Werkzeugkopf auf und ab bewegt.

Der Printbot enthält einen am Werkzeugkopf angebrachten Drucker, eine Filamentspule, die das Filamentmaterial für den Druck bereithält, und einen Extruder, der das Filament von der Spule zieht und zum Drucker schickt. Die Z-Stufe ist eine kritische Komponente. Die Forscher konzentrieren sich darauf, den Roboter so zu modifizieren, dass er verschiedene Aufgaben ausführen kann. Um den digitalen Montageroboter herzustellen, haben sie zum Beispiel den Extruder und die Filamentspule aus dem Printbot entfernt und statt eines Druckers einen Greifer am Werkzeugkopf befestigt.

Individualität treibt Menschen an

Im Labor schwebt Zhou über den Robotern, während er über die Rolle der Technologie in der Geschichte der menschlichen Entwicklung spricht. Manchmal klingt er eher wie ein Philosoph als ein Maschinenbauingenieur.

“Fertigungstechnologie ist ein Symbol für die menschliche Zivilisation”, sagt er. „Für den größten Teil der Menschheitsgeschichte haben Handwerker Produkte angefertigt, sei es Kleidung, Schuhe oder sogar Waffen. Heute wird jedoch aus Kostengründen alles in Massenproduktion hergestellt. Das wollen wir ändern. Wir wollen generalisierte, autonome Fabriken bauen, die auf Abruf und kostengünstig alles für jedermann produzieren können.“ sagte Wenchao Zhou Assistenzprofessor für Maschinenbau, Mitbegründer von AMBOTS

Zhou sieht seine Roboter als Mittel, um dieses Ziel zu erreichen. Sie werden die Fertigung von der Massenproduktion weg und hin zur Anpassung an den Kunden führen.