3D プリントは既存の概念を打ち破ります

DREAMS ラボの学生たちは昨年、3D プリンティングと高度な自動組立を組み合わせて、この種では初の製造プロセスを作成してきました。

2023 年 2 月 10 日

3D プリントでは通常、単一のマシンがオブジェクトを作成します。 しかし、学部研究者のチームは、LS ランドルフ教授クリス ウィリアムズが率いる積層造形のための設計、研究、教育 (DREAMS) 研究室で、そのパラダイムを枠から大きく逸脱しました。

このプロジェクトは、プリンターから自律飛行できるドローンを 3D プリントするという目標から始まり、大規模なメカトロニクス システムを製造するための非常に堅牢で適応性のあるアプローチに進化しました。

ドローンは、回転するプロペラ、正確に調整された電子機器、バッテリー、その他の一連の部品や部品を備えた複雑な機構です。 チームの初期の課題の 1 つは、3D プリンティングを使用してその複雑さに対処することでした。 充電されたバッテリーやモーターなどの一部の部品は印刷できず、代わりに組み立てが必要でした。 このアセンブリは、積み重ねられたレイヤーを互いに重ねて単一の静止オブジェクトを形成するという 3D プリンターの通常の機能には適合しません。

チームはまた、ドローンを自由にするという、やや厄介な問題を解決する必要もありました。 3D プリンターの最初の層はビルド プレートにわずかに付着しているため、チームは自律プロセス中に印刷された部分を削り取る方法を見つける必要がありました。

一般的な 3D プリンターでは、これらすべての目的を達成することはできません。 この機械は、レイヤーを配置して形状を作成したり、異なる素材を一緒に印刷したりすることはできますが、コンポーネントを掴んで組み立てたり、それ自体の製品を削り取ったりすることはできません。 これらすべてのステップを自律的に完了する方法を決定することは、メーカーから出荷されて正常に機能するドローンを作成する上で重要な要素となります。

研究チームは、固定ガントリー上のプリントヘッドを使用する一般的な 3D プリンターの機能を回避することを計画しました。 代わりに、グループは印刷とコンポーネントの組み立てのためのツールを装備できるロボットアームを使用しました。 アームのプログラムと操作にはより多くの作業が必要ですが、より多くのオプションも提供されます。

「プリントヘッドを多軸産業用ロボットアームに取り付けることで、動きの自由度がさらに高まり、最終的に真の 3D で印刷できるようになります」とウィリアムズ氏は述べています。 「各層の一連の 2 次元プリントを単に積み重ねるのではなく、ロボット アームの運動学的柔軟性により、3D 空間内の任意の方向に材料を堆積することができます。」

ロボット アームは、チーム メンバーに別の利点をもたらしました。アーム用の多用途のツール セットを作成できるということです。 このマルチモーダルなアプローチは、アームが作業の一部に 3D プリント ヘッドを使用し、電子機器やその他の完成部品を配置するために組み立てツールに切り替え、その後、ドローン フレームをクローズアップするために 3D プリント ツールに戻すことができることを意味しました。 単一のロボット作業セルに複数のツールを導入することで、複数のマシンが必要なくなりました。

「ロボットアームの柔軟性により、印刷中にツールを変更できるため、印刷中にモーター、バッテリー、ワイヤーなどの異物をオブジェクト内に配置することができます」とウィリアムズ氏は述べています。 「これにより、単一のロボット作業セルで完全な機能メカトロニクス アセンブリを製造する道が得られました。」

学生たちは、印刷または組み立てのいずれかに使用する部品を指定した後、完成した部品とビルド プレートの間の粘着性の結合を解除する最適な方法を決定する必要がありました。 これは熱力学の勉強になりました。

ロボット プリンターの大型の加熱ビルド プレートは、構築中の作品のベースとして機能しますが、印刷中に作品が動かないように十分な接着力を生み出すためにわずかに暖かくなっています。 構築に必要な精度を達成するためには不可欠ですが、プリンターから飛び散る必要がある印刷物にとっては障害となります。

チーム メンバーのダルトン フィリップスは、印刷された部分を取り除くための驚くほど簡単な解決策を発見しました。それは、冷却することです。 印刷終了後、版が数度冷えると密着が弱くなります。 プレートがある程度冷えたら、単純な機械式スクレーパーを使用してプレートを押しのけます。 このアプローチは功を奏し、ドローンは解放されることができました。