研究

科学家们将低成本FDM 3D打印机转化为名为Functgraph的“一体化”生产线

来自明治大学这家位于东京的公司定制了一台低成本的FDM 3D打印机,用来制造一个“一体化”的制造机器人。

Functgraph,正如它所称的,能够自动打印和附加自定义工具头来改变其活动功能。这使用户能够抓取、旋转和打破3D打印对象,在一个单一的打印工作中组装更复杂的机械系统。为了展示定制机器人的能力,该团队已经将其用作三明治制作器、t恤折叠器、端到端玩具汽车装配线等等。

明治团队写道:“我们引入了使用3D打印机头作为三轴机器人操纵器的新方法,以实现先进的制造和使用,如组装单独打印部件,打破支撑材料,并在构建板上驱动打印对象。”

该团队使用Functograph作为一个微型玩具汽车组装工厂。照片来自明治大学。
该团队使用Functgraph作为一个微型玩具汽车组装工厂。照片来自明治大学。

消除人为干预

尽管现代FDM系统很先进,端到端3D打印工作流程仍然是高度手工的。一旦3D打印阶段完成,后期处理往往需要一名人工技术人员将部件从构建板上移除,移除所有的支撑结构,并将部件集成到一个组件中。这是明治团队试图用Functgraph克服的障碍。

为了启动这个项目,研究人员首先设计并3D打印了两个定制工具头开关-一个用于连接末端执行器,一个用于分离它们。这些开关被设计成可以直接集成到商用Creality CR-10 3D打印机中,并通过一个非常简单的夹合/夹合机制进行操作。

该Functograph具有两个末端执行器开关,用于连接和分离自定义工具头。照片来自明治大学。
该Functgraph具有两个末端执行器切换连接和分离自定义工具头。照片来自明治大学。

随着末端执行器切换到位,该团队开发了一个定制的gcode生成程序,它只涉及三个主要操作:打印必要的组件和末端执行器,拾取末端执行器,并将末端执行器应用到打印组件。

这是在下面的例子中演示的,其中研究人员使用Functgraph打印和组装从头到脚的整个锥齿轮系统。首先,个别齿轮被印平和拆卸在构建板上,连同末端执行器组装他们(一个挂钩)。打印头然后把挂钩从床上拆下来,用它把每个齿轮折叠成最终的机械装配-所有的一个gcode文件。

打印齿轮和末端执行器,拾取末端执行器,并将齿轮折叠成一个组件。照片来自明治大学。
打印齿轮和末端执行器,拾取末端执行器,并将齿轮折叠成一个组件。照片来自明治大学。

结合四种关键的先进制造技术

当然,印刷挂钩和折叠组件最终将用尽它的使用案例,所以该团队开发了四个关键的制造运动,可以相互结合使用,以更先进的项目。折叠是其中的第一个,可以使用印刷的铰链和球和插座的卡扣配合机制将组件扣在一起。

第二个关键操作是驱动,这是一个基于旋转的运动。演示了一个小规模的咖啡磨,驱动可以用来磨碎咖啡豆和执行其他圆周运动。

演示驱动与3D打印咖啡磨。照片来自明治大学。
演示驱动与3D打印咖啡磨。照片来自明治大学。

折断支撑结构是第三个关键动作,它使用户能够通过利用打印机的z轴电机和一个杆状末端执行器作为矛,将打印组件从支撑中解放出来。

最后,Functgraph还提供了滑动操作。滑动可能是最关键的动作,因为它允许用户将物体滑动到一起,创建组件,甚至使用刀片末端执行器对食物执行切割动作。通过智能地使用这四种操作的组合,Functgraph能够作为一个适应性强的制造机器人,用于整个创造性应用程序的主机。

3D打印一个工作的三明治制造设施直接到Functograph的构建板上。照片来自明治大学。
3D打印一个工作的三明治制造设施直接到构建板的Functgraph。照片来自明治大学。

该项目的更多细节可在题为“3D打印机头作为机器人操纵器”。它是由片仓Shohei, Yuto Kuroki和Keita Watanabe合著的。

像Functgraph这样的定制3D打印系统在学术领域非常流行。今年早些时候,麻省理工学院的研究人员计算机科学与人工智能实验室(CSAIL)开发了一种硬件附加组件,改变了商业模式激光切割系统到混合3D打印机。这个名为“激光工厂”(laser factory)的机电组件附着在激光切割机的头上,形成了一个综合制造平台,可以用来创建和组装功能齐全的电子设备,比如无人机。

在其他地方,在丹麦工业大学(DTU)的研究人员最近重新设计了一个微软Xbox 360的一个组件开发高分辨率纳米级3D打印机,在医疗领域有多种应用。

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功能图片显示Functgraph被用作三明治制作器。照片来自明治大学。

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