积少成多，渐进成形！智能“机匠”系统提速军机钣金件生产

科技 2025-01-11 17:01 北京

2024年4月3日，美国机械实验室公司（Machina Labs）宣布，其研制的“机匠”（Robotic Craftsman）敏捷制造系统已在佐治亚州罗宾斯空军基地成功完成了调试部署，进入实用化阶段。该系统采用人工智能赋能的双机器人无模具渐进成形技术，相比依赖模具的传统钣金工艺可大幅节省工时，相比3D打印又几乎不存在材料限制，满足了军机复杂钣金部件的快速制造需求，大幅提升了航空装备的维护保障能力。

图1 “机匠”系统的快速成形过程

何为“机匠”系统？

作为世界上军机保有量最大的国家之一，美军每年需要花费数十亿美元用于老旧军机的零件更换维修，以保证这些机型的“能执行任务率”。2025财年，空军仅仅为了老旧军机的零件更换维修就申请了约15亿美元。

老旧军机中，钣金零部件的数量占比很大。统计数据显示，钣金件约占飞机零件总数量的50%。过去，针对钣金零部件的维修更换，美军主要采用折弯、冲压等传统钣金工艺，相关工艺装备的初次投入高、占用空间大，且会产生大量废料；某些钣金工艺的精度控制还有赖于经验丰富的工人，导致难以扩大生产规模。此外，钣金工艺往往都需要定制专用的模具，开模周期长、成本高，且每种模具只能生产单一零部件，难以满足军机多品种、变批量的维修需求。美军一度尝试使用3D打印来解决这一问题，但是3D打印适用的材料种类有限，无法从根本上解决上述问题。

在此背景下，美军引入了机械实验室公司的“机匠”系统。该系统由两台7轴工业机器人、人工智能赋能的工艺控制模块、板材自动装夹模块、加工工具更换区等组成，最大可一次成形约3.6米长×1.5米高×1.2米深的大型深拉伸构件。加工过程中，两台机器人协同工作，利用机器视觉技术观测金属成形的回弹情况，通过机器学习技术在每个加工步骤结束后预测下一步骤的零件形状，并根据预测结果实时调整自身的工艺参数，实现亚毫米级的成形精度。通过更换机器人末端的加工工具和传感器，该系统还可执行修边、钻孔、抛光等后续工序。

图2 “机匠”系统示意图（美国机械实验室公司官网图片，本文作者汉化）

天生数字化的渐进成形技术

“机匠”系统的核心工艺是渐进成形技术，属于先进钣金工艺中的一种。该技术通过层切法原理逐层挤压使板料塑性变形，类似3D打印的分层制造思想，将复杂的三维数字模型沿高度方向离散为一系列等高线层，并生成各等高线层面上的加工轨迹；成形工具在计算机控制下沿等高线层面上的加工轨迹运动，使板材沿成形工具轨迹包络面逐次变形，最终累积产生整体成形。该技术与3D打印技术一样，都依赖三维数字模型才能完成制造，属于天生的数字化制造技术。

该技术具有低成本模具（或完全无模具）、快速响应成形、成形极限高、轨迹可实时改变、耗能低、绿色成形等优势。根据模具的有无和运动工具的数量，渐进成形技术可分为单点渐进成形、双点渐进成形和双面渐进成形，“机匠”系统所采用的是基于双机器人协作的双面渐进成形技术。

1967年，国外一项发明专利里提到了一种板料无模加工技术，用滚轮将待成形板料压入弹性体中，通过控制板料局部变形最终实现板料整体加工。这是最早的与渐进成形相关的专利之一。20世纪90年代初，日本学者松原茂夫正式阐述了金属板料渐进成形技术这一概念，引起各国学者的广泛关注，此后渐进成形技术得到了广泛的研究与发展。

早在十余年前，已有学者利用渐进成形技术实现了复杂三维钣金零件的精确制造。福特、波音、日产等公司都相继在该领域投入过研发资源。宝马公司在制造概念车时，也通过渐进成形技术制造了发动机罩板零件。然而，学界研究和业界投入没有转化为具体的商业化成果，一是没有办法降低渐进成形系统的成本，二是没能确保稳定制造出质量达标的高精度零件。

起底机械实验室公司

机械实验室公司的主要创始人爱德华·梅尔（Edward Mehr）一直专注于制造和人工智能的交叉领域。在多年的谷歌和微软工作经理以后，他于2014年加入马斯克的太空探索技术公司，担任软件和控制工程师。2016年，他成为3D打印火箭初创企业相对论空间公司的创始团队成员，这份工作经历让他逐渐认识到3D打印技术的局限性。2019年，他和诺贝丽斯铝业公司的前首席科学家巴巴克-雷西尼亚（Babak Raeisinia）联合成立了机械实验室公司，致力于将工业机器人与人工智能技术结合，以软件定义制造的模式，打造低成本的敏捷制造装备。自成立以来，该公司一直与美国航空航天局、美国空军研究实验室和太空探索技术公司等机构或企业合作。

截至2025年1月，机械实验室公司一共经历了5轮融资。其中，2023年1月，美军事防务巨头洛克希德·马丁公司的风险投资部门向该公司注入资金，用于资助该公司的进一步成长。同年3月，该公司顺利获得美空军创新工场合同，围绕高速、非热压罐固化成型的低成本复合材料构件制造，开发用于金属模具制造的渐进成形工艺和相关机器人装备。10月，该公司再次获得英伟达公司领投的3200万美元投资。除了资金支持以外，该公司表示将进一步加强与英伟达公司在人工智能和高性能仿真技术方面的合作。2024年8月，该公司透露，正在采用“机匠”系统为美国航空航天局制造直径约4.5米的环形燃料储箱（形状类似甜甜圈）。该储箱未来将用于月球登陆器，可以进一步降低月球登陆器行驶过程中的重心。

机械实验室公司融资信息（截至到2025年1月）

“机匠”的未来

“机匠”系统长约8.5米、宽约3.7米、高约3.4米，重量约20吨，结构简单、维护成本低，可由美式重型卡车运载，并且可以在几小时内完成安装部署。除了能够加工铝、钢、钛等军机常用板材，该系统还能加工铬镍铁合金、殷钢等传统钣金工艺、3D打印工艺等难以制造的板材；无需模具的优势使得生产周期可以从50周缩短到数小时。

上述特色使得该系统可以灵活部署在前线机场、大型水面舰艇等接近武器装备使用场景的地方，实现战区损坏零件的快速制造。此外，该系统如果与其他功能的工业机器人（如增减材一体化机器人制造系统）配合使用，组成软件定义的制造单元，可以将零部件种类从钣金件扩大到更大范围，并能制造结构更加复杂、拓扑结构更加优化的新零件。

根据美国《防务一号》网站记者采访爱德华·梅尔披露的信息来看，机械实验室公司正在主动谋求加入美国防部“复制器”大规模自主系统计划。该公司希望能利用渐进成形技术来快速、低成本地制造复合材料构件生产所需的金属模具，这些模具将被用于大规模、多品种、变批量无人装备的柔性生产。未来，此举或将大幅提升美军前线无人装备的补给速度，快速形成对其他国家的无人装备优势。

来源 I 空天防务观察

作者 I 中国航空工业发展研究中心戴晟

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