Chagua Lugha

Uchapishaji wa FDM kwa Saketi laini za majimaji: Urahisishaji wa Udhibiti wa Robotiki laini

Inachunguza matumizi ya kichapishi cha 3D cha FDM cha mezani kutengeneza vali laini zenye hali mbili thabiti za mantiki ya majimaji, kupunguza muda wa utengenezaji kutoka saa 27 hadi saa 3 na kupunguza vizuizi vya gharama.
3ddayinji.com | PDF Size: 1.3 MB
Ukadiriaji: 4.5/5
★ ★ ★ ★ ★
Ukadiriaji Wako
Umekadiria waraka huu tayari
Kifuniko cha Waraka PDF - Uchapishaji wa FDM kwa Saketi laini za majimaji: Urahisishaji wa Udhibiti wa Robotiki laini
Tazama Waraka PDF Pakua PDF Tafsiri PDF
Nyumbani » Nyaraka » Uchapishaji wa FDM kwa Saketi laini za majimaji: Urahisishaji wa Udhibiti wa Robotiki laini

1. Utangulizi na Muhtasari

Robotiki laini, inayojulikana kwa unyenyekevu na ushirikiano salama na binadamu, mara nyingi hutegemea mifumo ya udhibiti ya elektroniki ngumu, na kusababisha kutolingana kwa unyenyekevu. Mantiki ya majimaji, inayotumia shinikizo la hewa au maji kama chombo cha hesabu, inatoa mbadala laini kabisa. Hata hivyo, mbinu za jadi za utengenezaji kama vile kuchapa kwa kutumia kiolezo zinahitaji juhudi nyingi (saa 27) na zinaweza kusababisha makosa kwa urahisi. Kazi hii inachunguza Uchapishaji wa 3D wa Uundaji wa Deposition Iliyochanganywa (FDM) kama njia ya haraka, ya gharama nafuu, na ya kiotomatiki ya kutengeneza vipengele vya msingi vya mantiki ya majimaji—hasa, vali laini zenye hali mbili thabiti—kwa lengo la kuwezesha upatikanaji wa saketi za majimaji kwa ajili ya udhibiti wa robotiki laini.

27 hrs → 3 hrs

Kupunguzwa kwa Muda wa Utengenezaji

FDM ya Mezani

Jukwaa la Uzalishaji Lililopatikana Kwa Urahisi

Vali yenye Hali Mbili Thabiti

Kipengele cha Msingi cha Mantiki/Kumbukumbu

2. Teknolojia ya Msingi na Mbinu

2.1 Vali laini yenye hali mbili thabiti

Vali laini yenye hali mbili thabiti ndio kipengele cha msingi cha ujenzi. Inajumuisha mwili wa umbo la silinda uliogawanywa na utando wa nusu-tufe unaobonyea. Vali hiyo ina hali mbili thabiti (kwa hivyo "yenye hali mbili thabiti"), zinazobadilishwa na msukumo mahususi wa shinikizo. Tabia hii inawezesha matumizi yake kama kipengele cha kumbukumbu (kuhifadhi biti 1) au kama msingi wa kujenga milango ya mantiki (NOT, AND, OR) na saketi changamano kama vile rejista za kuhama na oscillators za pete.

2.2 Mchakato wa Uchapishaji wa FDM

Vali hiyo inachapishwa kama kipande kimoja, kikamilifu kwa kutumia uzi wa Thermoplastic Polyurethane (TPU) kwenye kichapishi cha kawaida cha FDM cha mezani. Uvumbuzi mkuu ni mkakati wa uchapishaji unaounda vichaneli na vyumba vya majimaji vinavyofanya kazi bila kuingia hewa, bila kuhitaji usanikishaji baadaye. Hii inatumia dhana zinazofanana na "uchapishaji wa njia ya Eulerian" kwa ajili ya kuunda viasi vya ndani vilivyofungwa.

2.3 Mfereji maalum wa bomba

Mchango mkubwa wa vifaa ni kuanzishwa kwa mfereji mpya wa uchapishaji ulioundwa ili kutoa bomba moja kwa moja. Hii inaruhusu uchapishaji uliojumuishwa wa bandari za muunganisho na vichaneli, na kuimarisha zaidi mchakato wa utengenezaji na kuboresha uaminifu wa kiolesura ikilinganishwa na kuunganisha mabomba tofauti kwa mikono.

3. Matokeo ya Majaribio na Utendaji

3.1 Ulinganisho wa Muda wa Utengenezaji

Matokeo makuu ya kiasi ni kupunguzwa kwa kasi sana kwa muda wa utengenezaji. Kama inavyoonyeshwa kwenye Kielelezo 1, muda wa uzalishaji wa vali laini yenye hali mbili thabiti hupungua kutoka takriban saa 27 kwa kutumia kuchapa kwa kutumia kiolezo cha jadi hadi saa 3 tu kwa kutumia mchakato wa FDM ulioelezewa. Hii inawakilisha kupunguzwa kwa 89%, na kuhamisha utengenezaji kutoka kwa mchakato wa siku nyingi, unaotegemea ustadi hadi kwa mchakato wa chini ya siku moja, wa kiotomatiki.

3.2 Utendaji wa Vali na Uchunguzi

Kielelezo 2 kinaelezea kwa kina muundo na uendeshaji wa vali. Mchoro wa CAD (Kielelezo 2B) unaonyesha vigezo muhimu (k.m., unene wa utando, kipenyo cha chumba) vinavyoathiri uthabiti. Watafiti walifanikiwa kuonyesha tabia ya kubonyea kwa hali mbili thabiti ya vali baada ya uchapishaji. Vali zilizochapishwa 3D zilifanya kazi kama ilivyokusudiwa, zikibadilisha hali kwa shinikizo lililotumika na kufanya kazi kama relay za majimaji, na kuthibitisha uwezekano wa kuchapishwa na utendaji wa njia hii.

4. Uchambuzi wa Kiufundi na Mfumo

4.1 Ufahamu wa Kichambuzi na Ukosoaji

Ufahamu wa Msingi:

Karatasi hii sio kuhusu muundo mpya wa vali; ni hila ya utengenezaji yenye athari kubwa za kuwezesha watu wengi. Mafanikio halisi ni kuthibitisha kwamba taratibu changamani, zisizoingiza hewa, za laini zinazotendeshwa na shinikizo zinaweza kuwa "zimekusanywa" kwa uaminifu kutoka kwa faili ya dijiti kwa kutumia kichapishi cha $300, na kuzuia kikwazo cha ustadi kilichowatesa robotiki laini.

Mtiririko wa Mantiki:

Hoja hiyo ni ya kulazimisha: 1) Robotiki laini zinahitaji udhibiti laini kabisa (majimaji). 2) Mantiki ya majimaji ipo lakini ni ngumu kutengeneza. 3) Uchapishaji wa 3D unaahidi otomatiki lakini mara nyingi unahitaji usanidi wa kipekee, wenye gharama kubwa. 4) Hapa ndio jinsi ya kufanya hivyo kwa kiwango cha chini kabisa cha teknolojia ya uchapishaji 3D (FDM/TPU), pamoja na mfereji maalum wa kutatua tatizo la kiolesura cha bomba—suala la jadi la maili ya mwisho katika utengenezaji uliojumuishwa.

Nguvu na Kasoro:

Nguvu: Kupunguzwa kwa 89% kwa muda ni kipimo kikubwa sana. Kinabadilisha mwelekeo wa taaluma kutoka "tunaweza kutengeneza moja?" hadi "tunaweza kurudia saketi ngapi?" Hii inalingana na falsafa ya utengenezaji wa haraka wa mfano ambao ulizaa uchapishaji wa 3D wa mezani yenyewe. Kasoro Muhimu: Karatasi hii inanyamaza wazi kuhusu utendaji wa muda mrefu. TPU chini ya shinikizo cha mzunguko huwa na tabia ya kutikisika na uchovu. Vali hii iliyochapishwa inaweza kudumu mizunguko mingapi ya utendaji ikilinganishwa na ile iliyochapishwa kwa kutumia kiolezo cha silikoni? Swali hili la uimara ndilo jambo kubwa linalojitokeza kwa ajili ya matumizi ya ulimwengu halisi.

Ufahamu Unaoweza Kutekelezwa:

Kwa watafiti: Acheni kuchapa kwa kutumia kiolezo kama chaguo-msingi. Njia hii ya FDM inapaswa sasa kuwa msingi wa kutengeneza mifano ya mantiki ya majimaji. Kwa tasnia: Hii ni teknolojia ya daraja. Wekeza katika kuendeleza nyuzi zaidi za FDM zenye elastomeric, zinazostahimili uchovu (k.m., maendeleo katika nyuzi za msingi wa PEBA) ili kufunga pengo la uimara. Njia ya kuuza bidhaa iko katika sayansi ya nyenzo kiasi sawa na katika muundo.

4.2 Uundaji wa Hisabati

Tabia ya kubonyea ya utando wa nusu-tufe inatawaliwa na nadharia ya elasticity isiyo ya mstari na kubonyea kwa ganda. Mfano rahisi wa shinikizo muhimu la kubadilisha ($P_{crit}$) linaweza kuihusisha na sifa za nyenzo na jiometri:

$P_{crit} \propto \frac{E \cdot t^3}{R^3 \sqrt{1 - \nu^2}}$

Ambapo $E$ ni moduli ya Young ya TPU, $t$ ni unene wa utando, $R$ ni radius ya curvature, na $\nu$ ni uwiano wa Poisson. Hii inasisitiza kwamba vigezo vya uchapishaji (urefu wa safu, kujaza) vinavyoathiri unene wa eneo $t$ na moduli bora $E$ ni muhimu kwa utendaji thabiti wa vali, changamoto katika sehemu za FDM zenye mwelekeo tofauti.

4.3 Mfano wa Mfumo wa Uchambuzi

Kesi: Kutathmini Lango la NOT Lililochapishwa (Inverter)
Lango la NOT la majimaji linaweza kujengwa kwa kutumia vali yenye hali mbili thabiti. Ili kuchambua utendaji wake ndani ya mfumo:

  1. Uchimbaji wa Vigezo: Kutoka kwa vali iliyochapishwa, pima $P_{crit}^{ON\to OFF}$ na $P_{crit}^{OFF\to ON}$ halisi kwa kutumia sensor ya shinikizo. Hizi zitakuwa tofauti kwa sababu ya kasoro za uchapishaji.
  2. Mfano wa Usambazaji wa Ishara: Tengeneza mfano wa lango kama utendakazi: $Output_{state}(t+\Delta t) = f(Input_{pressure}(t), Current_{state}(t), P_{crit})$. Ucheleweshaji $\Delta t$ unajumuisha muda wa usambazaji wa majimaji na muda wa majibu ya kiufundi wa vali.
  3. Uchambuzi wa Ukingo wa Kelele: Fafanua "ukingo wa kelele" wa shinikizo—masafa ya shinikizo la pembejeo chini ya $P_{crit}$ ambayo yanahakikisha hakuna kubadilisha kwa makosa. Ukingo huu uko mdogo zaidi katika vali za FDM ikilinganishwa na zile zilizochapishwa kwa kutumia kiolezo kwa sababu ya tofauti kubwa za vigezo.
  4. Uchambuzi wa Mfululizo: Simulia kuunganisha milango mingi kama hiyo. Tofauti katika $P_{crit}$ ya kila vali itakuwa sababu kuu ya kushindwa kwa kiwango cha mfumo, na kuongoza uvumilivu wa udhibiti wa ubora kwa mchakato wa uchapishaji.
Mfumo huu unabadilisha mwelekeo kutoka kwa muundo bora hadi muundo wa mfumo unaozingatia utengenezaji, muhimu kwa mpito kutoka kwa vifaa vya pekee hadi saketi changamano zilizochapishwa.

5. Matumizi ya Baadaye na Mwelekeo

Matokeo ya uchapishaji wa saketi za majimaji zinazopatikana kwa urahisi ni makubwa:

  • Udhibiti Uliojumuishwa, Unaotupika: Kuchapisha robotiki laini nzima pamoja na saketi za udhibiti zilizojumuishwa katika kazi moja ya uchapishaji. Fikiria roboti ya kutafuta na kuokoa ambayo ni ya bei nafuu kiasi cha kutupika.
  • Vifaa vya Tiba: Uchapishaji wa wakati ujao wa vidhibiti vya majimaji vilivyobinafsishwa kwa vifaa vya kurejesha afya vinavyovaliwa au pampu za kutoa dawa, kwa kutumia uwezo wa kuishi pamoja na mwili wa TPU fulani.
  • Vifurushi vya Kuelimisha: Kupunguza kwa kasi gharama na utata wa vifaa vya kufundisha hesabu za majimaji na kanuni za robotiki laini, kama ilivyotazamiwa na miradi kama vile vifurushi vya MIT vya "Nguvu ya Majimaji" lakini kwa sehemu ndogo ya gharama.
  • Mwelekeo wa Utafiti wa Baadaye: 1) FDM ya Nyuzi Nyingi: Kuchapisha vali zenye kofia ngumu na utando laini. 2) Udhibiti wa Mzunguko Uliofungwa: Kujumlisha sensor za shinikizo zilizochapishwa kwa ajili ya maoni. 3) Zana za Muundo wa Algorithm: Programu ambayo hubadilisha moja kwa moja mchoro wa mantiki kuwa mfano bora, unaoweza kuchapishwa wa FDM, sawa na zana za otomatiki ya muundo wa elektroniki (EDA).
Dhamira ya mwisho ni "mkusanyaji wa majimaji" ambapo algorithm ya udhibiti ya kiwango cha juu inatafsiriwa moja kwa moja kuwa mashine laini iliyochapishwa, iliyo kamili.

6. Marejeo

  1. Rus, D., & Tolley, M. T. (2015). Design, fabrication and control of soft robots. Nature, 521(7553), 467-475.
  2. Wehner, M., et al. (2016). An integrated design and fabrication strategy for entirely soft, autonomous robots. Nature, 536(7617), 451-455.
  3. Rich, S. I., Wood, R. J., & Majidi, C. (2018). Untethered soft robotics. Nature Electronics, 1(2), 102-112.
  4. Mosadegh, B., et al. (2014). Pneumatic networks for soft robotics that actuate rapidly. Advanced Functional Materials, 24(15), 2163-2170.
  5. Bishop-Moser, J., & Kota, S. (2015). Design and modeling of generalized fiber-reinforced pneumatic soft actuators. IEEE Transactions on Robotics, 31(3), 536-545.
  6. Rothemund, P., et al. (2018). A soft, bistable valve for autonomous control of soft actuators. Science Robotics, 3(16), eaar7986.
  7. Nemitz, M. P., et al. (2020). Using bistable valves to enable programmable, pneumatic soft robots. IEEE Robotics and Automation Letters, 5(2), 2224-2231.
  8. Preston, D. J., et al. (2019). Digital logic for soft devices. Proceedings of the National Academy of Sciences, 116(16), 7750-7759.
  9. Yap, H. K., et al. (2016). A fully fabric-based bidirectional soft robotic glove for assistance and rehabilitation. IEEE International Conference on Robotics and Automation (ICRA).
  10. Ilievski, F., et al. (2011). Soft robotics for chemists. Angewandte Chemie International Edition, 50(8), 1890-1895.
  11. Zhu, M., et al. (2020). Encoding and programming of soft matter for computation. Advanced Materials, 32(35), 2003392.
  12. MIT Computer Science and Artificial Intelligence Laboratory (CSAIL). (2023). Fluidic Computation. Retrieved from MIT CSAIL website.
  13. Nature Portfolio: Soft Robotics. (2023). Materials and Manufacturing for Soft Robotics. Retrieved from Nature.com.