智利研究人員嘗試開發(fā)攀爬Koala 3D打印機(jī)

來源： 增材之光

智利大學(xué)的研究人員為建筑制造開辟了新的角度，開發(fā)了將攀爬機(jī)器人與3D打印機(jī)配對的新型機(jī)器。作者在最近發(fā)表的《Koala 3D：連續(xù)攀爬3D打印機(jī)》中發(fā)表了他們的發(fā)現(xiàn)，他們試圖簡化大型物體的制造方法，創(chuàng)造出可以“連續(xù)地沿著正在制造的物體導(dǎo)航”的硬件。

3D打印機(jī)如今在建筑項目中以及在使用諸如混凝土的材料（從開發(fā)藝術(shù)品和家具到制作泡沫板）再到為整個3D打印村莊創(chuàng)建概念的過程中，都越來越經(jīng)常地依賴3D打印機(jī)。盡管研究人員指出，3D打印的好處之一是能夠制造“基本上不小于整機(jī)體積的部件”，但硬件通常僅限于使物體的尺寸小于其自身的結(jié)構(gòu)。

借助一種新的機(jī)器概念，它可以在沿著所制造的對象移動時進(jìn)行打印（而不僅僅是從3D打印平臺創(chuàng)建的部件），因此研究人員進(jìn)一步研究了集成有以下內(nèi)容的增材制造工藝：
•自主協(xié)作機(jī)器人組裝
•垂直滑模結(jié)構(gòu)
•航空航天應(yīng)用的桁架成型機(jī)

研究人員最初提出了一個用于打印機(jī)頭部分和爬升部分的概念，該概念旨在通過一對機(jī)器人驅(qū)動的夾具工作，下部機(jī)構(gòu)在打印機(jī)主體的底部，上部機(jī)構(gòu)在上部和下部之間移動。小型伺服電機(jī)由于其緊湊，輕巧的特性以及提供高扭矩而被用于夾緊。夾緊以開環(huán)運動進(jìn)行。

將Koala 3D安裝在其打印基座上。上部入口：制造過程的打印和重新固定階段。

打印機(jī)可以分解為兩個主要子系統(tǒng)。其中之一是用于重新固定的垂直爬升臺，在打印過程中進(jìn)行精確的垂直運動以及攜帶電子設(shè)備。另一個子系統(tǒng)是用于移動打印機(jī)擠出機(jī)的x-y定位臺。該階段還帶有材料脈沖系統(tǒng)。以下小節(jié)描述了每個子系統(tǒng)的設(shè)計。

Koala 3D打印機(jī)最終設(shè)計部件的詳細(xì)信息。（a）打印機(jī)部件的基座支撐著y機(jī)架，y導(dǎo)軌和JPYDSTOP開關(guān)。（b）y托架支撐y電動機(jī)，x機(jī)架，x導(dǎo)軌和x擋塊。（c）X托架支撐X電動機(jī)和擠出機(jī)。（d）伺服基座固定在爬升部分的下部和中央支架上。每個伺服組件均驅(qū)動一個導(dǎo)螺桿，該導(dǎo)螺桿將力傳遞至夾具（e）具有兩個伸縮輪的LCC和CCC鉗口允許引導(dǎo)機(jī)器人的運動，并在夾具必須錨定時縮回（f）下部夾具滑架LCC固定起重電機(jī)和絲杠。（g）中央夾緊滑架CCC的螺母與LCC的導(dǎo)螺桿連接（h）上部滑架未電動，并且具有用于移動質(zhì)心的配重。

定位系統(tǒng)的目的是要更堅固，在典型的3D打印機(jī)上進(jìn)行改進(jìn)，其工作臺覆蓋x-y平面上45mm x 45mm的擠出機(jī)運動范圍。

“我們期望在這種運動跨度下產(chǎn)生截面積為30mm x 30mm的垂直光束。額外的運動跨度（在每個尺寸上都增加了50％）旨在使擠出機(jī)能夠在打印區(qū)域外進(jìn)行吹掃，并有可能在所產(chǎn)生的光束表面引入一些特征�！毖芯咳藛T表示。

“據(jù)觀察，在3D打印機(jī)上使用的大多數(shù)x-y定位平臺都依賴于由定時皮帶輪驅(qū)動的運動皮帶。通常將驅(qū)動馬達(dá)置于運動導(dǎo)軌之外，并使用一個額外的皮帶輪將動力傳遞到平臺。設(shè)計對于我們的目的而言過于龐大。因此，我們選擇將驅(qū)動馬達(dá)放置在導(dǎo)軌的中間，并通過小齒輪和齒條機(jī)構(gòu)傳遞動力。這也需要更少的組件�！�

由于簡化的設(shè)計，重量輕和“出色的性能”，J-Head E3D擠出機(jī)被選為新的3D打印概念。

這組研究人員說：“我們使用了可免費獲得的Bowden材料脈沖設(shè)計，該設(shè)計是一個與打印頭分開的材料脈沖單元。使用塑料管將物料引導(dǎo)到擠出機(jī)中�！�

a）縱向切割前視圖。1上部托架，2 x-y平臺，3中央托架，4打印柱，5下部夾緊托架。b）處于打印過程中時的自由體圖。在此階段，中央夾緊滑架保持整個機(jī)器，而下部夾緊滑架引導(dǎo)運動通過立柱。6進(jìn)料器，7配重，8導(dǎo)螺桿，9控制板。c）C-C剖視圖。中央夾持壓力機(jī)在打印階段的自由機(jī)構(gòu)圖。（d）D詳圖，在打印過程中強(qiáng)制使用CCC。

一組11個樣本光束以3D打印，尺寸從350毫米到850毫米不等，并且還制造了一個較小的部件。

“進(jìn)行了廣泛的實驗以表征和理解所提出的概念。事實證明，使用建議的打印-重新整理-打印方案可以進(jìn)行3D打印。研究人員在桌面規(guī)模上使用3D打印常用材料（PLA塑料）進(jìn)行了實驗和性能評估�！�

“我們確定了使用這些材料生產(chǎn)的物體高度的理論極限。這是由于PLA的機(jī)械強(qiáng)度降低引起的，而不是由制造過程本身引起的。使用更堅固的材料肯定會擴(kuò)大這些限制。我們?yōu)榕实?D打印機(jī)中的三個重要問題檢測，表征并提出了解決方案。問題是：（1）重新錨固后機(jī)器掉落；（2）高長寬比下的結(jié)構(gòu)振動；（3）部件與基座之間的初始對齊。解決這些問題對于開發(fā)可以沿著它們生產(chǎn)的相同結(jié)構(gòu)爬升的自動機(jī)械非常重要�！�

（a-c）使用千分尺測量重新起錨過程中機(jī)器落差的示例。機(jī)器最初由CCC掛起。隨后（a）LCC接通，而CCC斷開。（b）CCC的后續(xù)運動導(dǎo)致下降幅度增加。（d）產(chǎn)生大光束的例子。輔助視頻2顯示了打印此光束時機(jī)器的運行情況。

今后，研究人員還計劃簡化用于錨固的機(jī)制，并創(chuàng)建一個更基本的設(shè)計以消除使用配重。除了這些計劃，他們還計劃用更少的執(zhí)行器和更輕的重量來改進(jìn)攀巖系統(tǒng)、以提高性能。

新的3D打印機(jī)不斷地被創(chuàng)造出來，特別是專門用于從混凝土模板到飛機(jī)部件到研究飛濺等效果的大規(guī)模生產(chǎn)。