АВТОМАТИЗИРАН КОМПЛЕКС ЗА СИТОПЕЧАТ ВЪРХУ ЦИЛИНДРИЧНИ ПОВЪРХНИНИ

Препис

1 ПРОЕКТИРАНЕ И ИЗСЛЕДВАНЕ НА СГЛОБЕНИ ЧРЕЗ 3D ПРИНТИРАНЕ РОТАЦИОННИ ВЪЗЛИ. ПРИЛОЖЕНИЯ ЗА МОДЕЛИРАНЕ НА МЕХАНИЗМИ В РОБОТИКАТА И. Чавдаров, П. Дачкинов, А. Кръстев, В. Тренев, Г. Еленчев Резюме: 3D принтирането е технология чрез добавяне на малки частици материал, което позволява създаването на принципно нови видове детайли и конструкции. Проектирани са различни варианти на сглобени ротационни възли, отпечатани с 3D принтер. Експериментално се изследват хлабините в предложените конструктивни решения. Анализират се получените резултати с цел оптимизиране на конструкцията. Представят се примери за приложение при моделирането на механизми в роботиката. Ключови думи: 3D принтиране, сглобени детайли, оптимизация. 1. Въведение 3D принтирането е технология чрез добавяне на материал (Additive Manufacturing). Най-разпространени са три технологии за адитивно производство SLA (Stereolitography), SLS (Selective Laser Sintering), FDM (Fused Deposition Moddeling), датиращи съответно от 1986, 1987 и 1989 г. През последното десетилетие, тези технологии претърпяват голямо развитие и намират широко приложение. Това се дължи от една страна на тяхното комерсиализиране, а от друга на нарастващите възможности на софтуера за проектиране, както и на сложните геометрични форми, част от които могат да бъдат реализирани единствено чрез този технологичен процес. Това е нов тип технология, чиито възможности тепърва се изследват. Основните ѝ предимства са: възможност за реализиране на детайли със сложна форма, включително вътрешни кухини [2,3]; възможност за реализиране на детайли с променлива структура и плътност в обема си [2,3,4]; възможност за получаване на детайли от разнородни материали [1,5,6]; икономически предимства цената не зависи от сложността на детайла, а от неговата маса и времето за печат; не е необходима пълна техническа документация (2D чертежи печата се директно от 3D модела); не са нужни инструменти и формообразуващи за реализацията на детайлите; спестяват се разходи от това, че файловете с 3D моделите (STL) могат да бъдат изпратени навсчкъде; безотпадна технология; Няма отпадъци или са минимални (за поддържащ материал), голяма част от материалите са безвредни. Темата на статията се фокусира върху възможността на технологията за реализиране на вътрешна геометрия на детайлите, а именно изработване на директно сглобени ротационни възли. Създаването на този тип ротационни възли е невъзможно чрез използването на традиционните технологии. 2. Описание на опитната постановка За отпечатването на сглобени ротационни възли е необходимо те да бъдат проектирани по специален начин, така че да е възможно правилното им изработване и функциониране. Осигуряването на възела за въздействие на осеви сили е проблем, чието решение се търси. 412

2 FDM технологията позволява изработването на детайли с надвеси до 45 о (Фиг. 1). Изследват се ротационни възли с различни напречни сечения (Фиг. 2). Детайлите се създават с помощта на 3D принтер (Leapfrog Creatr HS) като оста (Z) на ротационната връзка се разполага перпендикулярно на платформата за изграждане (Фиг. 1). Връзката се образува със създаване на последователни концентрични окръжности, между които остава хлабината s. При отпечатване с FDM технология за да прилепне добре първият слой на детайла, дюзата екструдира на по-малка височина спрямо платформатата за изграждане. Това довежда до нежелано намаляване на хлабината. За да се избегне този проблем се поставят фаски f= 0.5x45 o, за да се компенсира по-ниския първи слой. Фиг.1 Сечения на образците Експериментите се провеждат след създаването на множество образци, чиито размери са D=14 [mm] (диаметърът на вътрешното тяло остава непроменен, като се варира с размера на външното); H=15 [mm]; а хлабината s варира от 0.15 [mm] до 0.3 [mm]. Фиг. 2: Разрези на съвместно отпечатани ротационни стави с различна геометрична форма: а) трион, b) трапецовидна, c) сферична, d) вътрешна сфера, е) триъгълна. Използва се материал PLA, а процесите на принтиране са представени в Табл.1. Табл. 1: Процеси на принтиране Параметър Стойност Дименсия Процент на запълване 85 % Диаметър на дюзата 0,35 mm Прибиране на материала 4,2 mm Дебелина на слоя 0,15 mm Начин на изграждане от вътре навън - Тип на запълването по вътрешните слоеве линейно - Тип на запълването по външните слоеве концентрично - Температура на екструдера 210 C Температура на изграждащата маса 50 C Скорост на печат 50 mm/s Диаметър на нишката 1,75 mm 413

3 Отпечатани са образци със сечения, показани на Фиг.1 трионообразно, трапецовидно и сферично с хлабини 0.15 [mm], 0.16 [mm], 0.18 [mm], 0.20 [mm], 0.25 [mm] и 0.30 [mm]. Фиг. 3: Опитна постановка На Фиг. 3 е представена опитната постановка за определяне оптималната стойност на хлабините s и най-подходящата форма на сечението на образците (1), които са захванати към електродвигателя (2). Двата компонента заедно се поставят в стойката (3), прикрепена към основата (4). С позиция (5) е отбелязано ексцентричното натоварване G, разположено на разстояние L, на което е подложен образеца (1). Всеки образец се изпитва под товар (ексцентричен момент). Стойността на момента T се определя по следната зависимост: T mglcos( ) 0,03cos( ),[ Nm] (1) където: m= [kg] е масата на тежестта; g= 9.81 [m/s 2 ] е земното ускорение; L= 0.1 [m] (100 [mm]) е дължината рамото от центъра на захващане до тежестта; cos(α) (0;360 ) е ъгълът, заключен между рамото на тежестта и хоризонталната основа. За отчитане стойностите на оптималните резултати се измерва големината на тока I на двигателя под товар. За осъществяването на експеримента е използван постоянно токов мотор-редуктор с предавателно отношение i= 360:1, захранван със стабилизирано напрежение от 5 [V]. Данните се вземат с помощта на мултицет и осцилоскоп (7), като се преминава през шунтово (измервателно) съпротивление (6) 1[Ω] и честотен филтър за поголяма точност (фиг.3). 3. Резултати На Фиг. 4 е показана осцилограма на големината на тока във времето. Графиката е със синусоидален характер, което съответства на зависимост (1). Забелязват се многобройни пулсации, които са резултат от неточности при изработването на контактните повърхнини и смущения в системата. За получените резултати се определя средно аритметична стойност I mid, амплитуда - A, за всеки един от образците при различни хлабини и геометрични форми. Отчетите са направени за шест секунди работа на двигателя при установен режим. Получените средни стойности I mid от измерванията са показани на Фиг.5. Като се варира хлабината на образеца със сферична форма, при стойности по-малки от 0.15 [mm] слоевете се слепват и съединението става неподвижно. С увеличаване на хлабината съпротивлението (тока) намалява, достигайки минимум при 0.16 [mm] и след това запазва почти постоянни стойности. 414

4 Големина на тока I [ma] I [ma] A I max I mid 6[s] 20[mA] 0,0 I min Фиг. 4: Осцилограма на големината на тока във времето t [s] Сфера Трион Трапец 0,07 0,06 0,05 0,04 0,03 0,02 0,01 0 0, 1 5 0, 1 6 0, 1 8 0, 2 0, 2 5 0, 3 Хлабина s [mm] Фиг. 5: Средни стойности на тока под товар за различните геометрии и хлабини При образците с трапецовидно сечение се наблюдават аналогични резултати невъзможност за реализиране на подвижно съединение под 0.15 [mm] хлабина; минимум при 0.16 [mm]. От друга страна, за разлика от сферата, при това съединение с нарастване на хлабината над 0.16 [mm] съпротивлението и токът нарастват. За съединението с трионообразно сечение се наблюдават най-големи стойности на съпротивлението и тока. При този вариант минималните стойност на реализираната хлабина е 0.16[mm]. Също така тук са най-големите стойности на тока. На Фиг. 6 са дадени примери, при които са използвани директно сглобени ротационни възли при прототипиране в роботиката а) шесткрак робот; b) роботизирана хуманоидна ръка. а) шесткрак робот b) роботизирана хуманоидна ръка Фиг.6: Примери за приложение на съвместно отпечатани ротационни възли 4. Заключение Представени са различни конструктивни варианти за реализиране на ротационни възли, директно сглобени с FDM технология за 3D печат. Отпечатването се извършва без да се използва поддържащ материал (Supports), което е предимство. Сравняват се различните конструктивни решения. Най-високи стойности на тока и респективно съпротивление има при трионообразен ротационен възел, което се дължи на голямата контактна площ. Възли с трапецовидна и сферична форма са подходящи за приложение при ненатоварени модели на роботи като минимално съпротивление се достига при хлабина

5 [mm]. Хлабини s>0.3 [mm] са твърде големи, което води до неточности и проблеми при движение. Предложеният метод за създаване на сглобени подвижни съединения с 3D принтер е с ограничено приложение основно при създаване на неотговорни механизми. С развитието на технологията обаче, нараства точността на принтерите, качеството на материалите, както и се търсят нови по-добри конструктивни решения. Авторите смятат, че в близко време спектърът на приложение на подобни конструкции ще се разшири. Литература: 1. Calì J., Calian D., Amati C., Kleinberger R., Steed A., Kautz J., Weyrich T., 3D- Printing of Non-Assembly, Articulated Models, ACM Transactions on Graphics (TOG) - Proceedings of ACM SIGGRAPH Asia 2012, Volume 31 Issue 6, November 2012; 2. Fernandez-Vicente M., Calle W., o FerrandizS., Conejero A., Effect of Infill Parameters on Tensile Mechanical Behavior in Desktop 3D Printing, 3D PRINTING AND ADDITIVE MANUFACTURING Volume 3, Number 3, 2016 ª Mary Ann Liebert, Inc. DOI: /3dp , pp ; 3. Ion A., Frohnhofen J., Wall L., Kovacs R., Alistar M., Lindsay J., Lopes P., Hsiang- Chen T., Baudisch P., Metamaterial Mechanisms, Published in Proceedings of UIST '16, October 16-19, 2016, Tokyo, Japan, pp ; 4. Kenny L., Alvarez C., Rodrigo F. Lagos C., and Miguel A., Investigating the influence of infill percentage on the mechanical properties of fused deposition modelled ABS parts, IngenIería e InvestIgacIón vol. 36 n. 3, december ( ), pp ; 5. Robert M., Robert K., Youbin K., Daniela R., Printable Hydraulics: A Method for Fabricating Robots by 3D Co-Printing Solids and Liquids, International Conference on Robotics and Automation (ICRA), 2016; 6. Shrey P., Vaibhav Sh., Rahul R., DESIGN FOR ADDITIVE MANUFACTURING OF KINEMATIC PAIRS, pp DESIGN AND ANALYSIS OF 3D PRINTED AND ASSEMBLED ROTATIONAL UNITS. APPLICATIONS FOR MECHANISMS USED IN ROBOTICS I. Chavdarov, P. Dachkinov, V. Trenev, A. Krastev, G. Elenchev Abstract: 3D printing is additive manufacturing technology which allows creation of new details and construction types. Different versions of assembled rotational units made by a 3D printer are designed. Clearances in mentioned constructions are experimentally analyzed. The results obtained by the survey are explored with optimization purpose. Examples for applications in the modeling of these mechanisms in robotics are presented. Данни за авторите: Иван Чавдаров, доцент доктор инж., Институт по роботика-бан, гр. София, ул. Акад. Георги Бончев бл.2, е-mail: ivan_chavdarov@dir.bg Панчо Дачкинов, инж., Институт по роботика-бан, гр. София, ул. Акад. Георги Бончев бл.2, pdachkinov@gmail.com Васил Тренев, професор доктор, инж., Институт по роботика-бан, гр. София, ул. Акад. Георги Бончев бл.2, vtrenev@gmail.com Александър Кръстев, главен асистент доктор, Институт по роботика-бан, гр. София, ул. Акад. Георги Бончев бл.2, aikrastev.iser.bas@gmail.com Георги Еленчев, Институт по роботика-бан, гр. София, ул. Акад. Георги Бончев бл.2, georgyel@gmail.com 416