智利研究人员尝试开发攀爬Koala 3D打印机

来源： 增材之光

智利大学的研究人员为建筑制造开辟了新的角度，开发了将攀爬机器人与3D打印机配对的新型机器。作者在最近发表的《Koala 3D：连续攀爬3D打印机》中发表了他们的发现，他们试图简化大型物体的制造方法，创造出可以“连续地沿着正在制造的物体导航”的硬件。

3D打印机如今在建筑项目中以及在使用诸如混凝土的材料（从开发艺术品和家具到制作泡沫板）再到为整个3D打印村庄创建概念的过程中，都越来越经常地依赖3D打印机。尽管研究人员指出，3D打印的好处之一是能够制造“基本上不小于整机体积的部件”，但硬件通常仅限于使物体的尺寸小于其自身的结构。

借助一种新的机器概念，它可以在沿着所制造的对象移动时进行打印（而不仅仅是从3D打印平台创建的部件），因此研究人员进一步研究了集成有以下内容的增材制造工艺：
•自主协作机器人组装
•垂直滑模结构
•航空航天应用的桁架成型机

研究人员最初提出了一个用于打印机头部分和爬升部分的概念，该概念旨在通过一对机器人驱动的夹具工作，下部机构在打印机主体的底部，上部机构在上部和下部之间移动。小型伺服电机由于其紧凑，轻巧的特性以及提供高扭矩而被用于夹紧。夹紧以开环运动进行。

将Koala 3D安装在其打印基座上。上部入口：制造过程的打印和重新固定阶段。

打印机可以分解为两个主要子系统。其中之一是用于重新固定的垂直爬升台，在打印过程中进行精确的垂直运动以及携带电子设备。另一个子系统是用于移动打印机挤出机的x-y定位台。该阶段还带有材料脉冲系统。以下小节描述了每个子系统的设计。

Koala 3D打印机最终设计部件的详细信息。（a）打印机部件的基座支撑着y机架，y导轨和JPYDSTOP开关。（b）y托架支撑y电动机，x机架，x导轨和x挡块。（c）X托架支撑X电动机和挤出机。（d）伺服基座固定在爬升部分的下部和中央支架上。每个伺服组件均驱动一个导螺杆，该导螺杆将力传递至夹具（e）具有两个伸缩轮的LCC和CCC钳口允许引导机器人的运动，并在夹具必须锚定时缩回（f）下部夹具滑架LCC固定起重电机和丝杠。（g）中央夹紧滑架CCC的螺母与LCC的导螺杆连接（h）上部滑架未电动，并且具有用于移动质心的配重。

定位系统的目的是要更坚固，在典型的3D打印机上进行改进，其工作台覆盖x-y平面上45mm x 45mm的挤出机运动范围。

“我们期望在这种运动跨度下产生截面积为30mm x 30mm的垂直光束。额外的运动跨度（在每个尺寸上都增加了50％）旨在使挤出机能够在打印区域外进行吹扫，并有可能在所产生的光束表面引入一些特征。”研究人员表示。

“据观察，在3D打印机上使用的大多数x-y定位平台都依赖于由定时皮带轮驱动的运动皮带。通常将驱动马达置于运动导轨之外，并使用一个额外的皮带轮将动力传递到平台。设计对于我们的目的而言过于庞大。因此，我们选择将驱动马达放置在导轨的中间，并通过小齿轮和齿条机构传递动力。这也需要更少的组件。”

由于简化的设计，重量轻和“出色的性能”，J-Head E3D挤出机被选为新的3D打印概念。

这组研究人员说：“我们使用了可免费获得的Bowden材料脉冲设计，该设计是一个与打印头分开的材料脉冲单元。使用塑料管将物料引导到挤出机中。”

a）纵向切割前视图。1上部托架，2 x-y平台，3中央托架，4打印柱，5下部夹紧托架。b）处于打印过程中时的自由体图。在此阶段，中央夹紧滑架保持整个机器，而下部夹紧滑架引导运动通过立柱。6进料器，7配重，8导螺杆，9控制板。c）C-C剖视图。中央夹持压力机在打印阶段的自由机构图。（d）D详图，在打印过程中强制使用CCC。

一组11个样本光束以3D打印，尺寸从350毫米到850毫米不等，并且还制造了一个较小的部件。

“进行了广泛的实验以表征和理解所提出的概念。事实证明，使用建议的打印-重新整理-打印方案可以进行3D打印。研究人员在桌面规模上使用3D打印常用材料（PLA塑料）进行了实验和性能评估。”

“我们确定了使用这些材料生产的物体高度的理论极限。这是由于PLA的机械强度降低引起的，而不是由制造过程本身引起的。使用更坚固的材料肯定会扩大这些限制。我们为攀登3D打印机中的三个重要问题检测，表征并提出了解决方案。问题是：（1）重新锚固后机器掉落；（2）高长宽比下的结构振动；（3）部件与基座之间的初始对齐。解决这些问题对于开发可以沿着它们生产的相同结构爬升的自动机械非常重要。”

（a-c）使用千分尺测量重新起锚过程中机器落差的示例。机器最初由CCC挂起。随后（a）LCC接通，而CCC断开。（b）CCC的后续运动导致下降幅度增加。（d）产生大光束的例子。辅助视频2显示了打印此光束时机器的运行情况。

今后，研究人员还计划简化用于锚固的机制，并创建一个更基本的设计以消除使用配重。除了这些计划，他们还计划用更少的执行器和更轻的重量来改进攀岩系统、以提高性能。

新的3D打印机不断地被创造出来，特别是专门用于从混凝土模板到飞机部件到研究飞溅等效果的大规模生产。