3D-печать выходит из коробки

Студенты лаборатории DREAMS провели последний год, совмещая 3D-печать с современной автоматизированной сборкой, создавая первый в своем роде производственный процесс.

10 февраля 2023 г.

3D-печать обычно предполагает создание объекта на одной машине. Но команда студентов-исследователей вывела эту парадигму далеко за рамки привычного в Лаборатории дизайна, исследований и образования в области аддитивного производства (DREAMS) под руководством профессора Л.С. Рэндольфа Криса Уильямса.

Проект начался с цели напечатать на 3D-принтере дрона, который мог бы автономно вылетать из принтера, и превратился в очень надежный и адаптируемый подход для производства крупных мехатронных систем.

Дроны — это сложные механизмы с вращающимися пропеллерами, точно откалиброванной электроникой, батареями и множеством других деталей и деталей. Одной из первых задач команды было решение этой сложности с помощью 3D-печати. Некоторые детали, такие как заряженный аккумулятор и двигатель, просто невозможно было напечатать, и вместо этого требовалась сборка. Эта сборка не соответствует обычной функции 3D-принтера, которая заключается в наложении сложенных слоев друг на друга, образуя единый неподвижный объект.

Команде также нужно было решить довольно неприятную проблему: освободить дрон. Поскольку первый слой 3D-принтера слегка прилипает к рабочей пластине, команде нужно было выяснить, как соскоблить напечатанную деталь во время автономного процесса.

Типичный 3D-принтер не достигнет всех этих целей. Хотя машина может размещать слои для создания формы и даже печатать разные материалы вместе, она не может захватывать компоненты и собирать их, а также не может соскребать собственный продукт. Определение того, как выполнить все эти шаги автономно, станет решающим фактором в создании работающего дрона, который успешно покинет своего производителя.

Команда планировала обойти типичную функцию 3D-принтера, использующую печатающую головку на фиксированном портале. Вместо этого группа использовала роботизированную руку, которая могла быть оснащена инструментами для печати и сборки компонентов. Хотя для программирования и работы оружия требуется больше работы, оно также предлагает больше возможностей.

«Присоединив печатающую головку к многоосным промышленным роботизированным манипуляторам, мы получаем дополнительную степень свободы движения, что позволяет нам, наконец, печатать в настоящем 3D», — сказал Уильямс. «Вместо того, чтобы просто складывать серию двухмерных отпечатков каждого слоя, кинематическая гибкость руки робота позволяет нам наносить материал в любом направлении в трехмерном пространстве».

Роботизированная рука дала членам команды еще одно преимущество: они могли создать универсальный набор инструментов для руки. Этот мультимодальный подход означал, что рука могла использовать 3D-печатающую головку для одной части задания, перейти на сборочный инструмент для размещения электроники и других готовых деталей, а затем снова переключиться на инструмент 3D-печати, чтобы закрыть корпус дрона. Развернув несколько инструментов в одной роботизированной рабочей ячейке, они устранили необходимость в нескольких машинах.

«Гибкость роботизированных манипуляторов позволяет нам менять инструменты прямо во время печати, чтобы мы могли помещать в объект посторонние предметы, такие как двигатели, батареи и провода, во время его печати», — сказал Уильямс. «Это открыло нам путь к изготовлению полных функциональных мехатронных узлов в единой роботизированной рабочей ячейке».

После того, как студенты определили детали для печати или сборки, им нужно было определить лучший способ разорвать липкую связь между готовой деталью и рабочей пластиной. Это стало уроком термодинамики.

Большая нагреваемая рабочая пластина роботизированного принтера, которая служит основой для собираемой детали, слегка теплая, чтобы обеспечить достаточную адгезию, чтобы деталь не двигалась во время печати. Хотя это необходимо для достижения точности, необходимой для изготовления, оно создает препятствие для печатной детали, которая должна улететь от принтера.

Член команды Далтон Филлипс нашел удивительно простое решение, как удалить отпечатанную деталь: дать ей остыть. Если после завершения печати пластина остыла на несколько градусов, прилипание стало слабее. Как только пластина остыла до определенной точки, ее можно было оттолкнуть простым механическим скребком. Этот подход сработал, и дрон удалось освободить.