I ricercatori ricreano la lampada Disney / Pixar da salto con attuatore stampato in 3D
La stampa 3D è stata precedentemente utilizzata per creare meccanismi e macchine passivi , nonché gli attuatori utilizzati per farli funzionare. Secondo un nuovo documento, intitolato ” Un attuatore pneumatico lineare on-off stampato in miniatura 3D e la sua dimostrazione in un personaggio dei cartoni animati di una lampada da salto “, l’utilizzo della stampa 3D per creare attuatori può accelerare la progettazione e lo sviluppo, risparmiare tempo e denaro, e consentire una maggiore personalizzazione. Christian L. Nall dell’Università del Texas a San Antonio e Pranav A. Bhounsule dell’Università dell’Illinois a Chicago ha scritto e pubblicato il documento, che presenta il loro lavoro creando e fabbricando un piccolo attuatore pneumatico lineare a doppio effetto di tipo On-Off con stampa 3D FDM.
“In questo documento, esploriamo l’uso della stampa 3D per creare un attuatore pneumatico e la sua utilità su un robot con le gambe”, ha scritto la coppia.
“L’attuatore ha una lunghezza complessiva di 8 cm, una dimensione del foro di 1,5 cm e una lunghezza della corsa di 2,0 cm. Il peso complessivo è di 12 gm e genera una potenza di uscita di picco di 2 W quando funziona a una pressione dell’aria di ingresso di 40 psi ( 275,79 kPa). “
Esistono diversi modi per creare robot azionati con la stampa 3D, come la stampa 3D dei componenti, il loro assemblaggio e l’aggiunta di motori o giunti di stampa 3D all’interno di una struttura della macchina e l’arresto della stampa per incorporare gli attuatori. Attuatori pneumatici morbidi stampati in 3D sono stati realizzati in precedenza, ma non, come spiegano i ricercatori, “attuatori pneumatici lineari convenzionali con giunti scorrevoli … la principale novità di questo lavoro.”
“Le sfide fondamentali nella creazione di un tale attuatore sono il raggiungimento di perdite, basso attrito e un attuatore potente in grado di resistere a una pressione dell’aria relativamente elevata. Affrontiamo queste sfide utilizzando il trattamento chimico dopo la stampa 3D per ottenere un cilindro forte e a prova di perdite, il design del cilindro e la testa del pistone per ottenere una perfetta aderenza per l’O-ring, integrando la plastica con inserti metallici in aree ad alto stress per migliorare la durata e la lubrificazione delle superfici per ottenere movimenti a basso attrito. “
Il team ha utilizzato un materiale Ultimaker 3 Extended e ABS per creare la testata, il corpo e il cappuccio terminale, nonché la testa del pistone; l’asta del pistone, l’O-ring in gomma e il robot in acciaio zincato sono stati acquistati immediatamente. Anche se è stata usata una buona risoluzione per le parti del cilindro, avevano una finitura ruvida, quindi Nall e Bhounsule le hanno immerse in acetone per 15 secondi per risolvere il problema. Ciò ha anche ridotto le perdite d’aria attraverso i pori fini.
“Uno dei vantaggi della stampa 3D è la possibilità di incorporare materiali interrompendo il processo di stampa. Abbiamo usato questa funzione per stampare in 3D la testa del pistone sul bullone d’acciaio ”, hanno scritto i ricercatori.
Prima hanno stampato i ponteggi in 3D e hanno usato segnali visivi per determinare quando fermare la stampa e posizionare il bullone in verticale tra i ponteggi, con la testa in alto. Quindi, la testa del pistone è stata stampata in 3D sulla testa del bullone, con le impalcature utilizzate come materiale di supporto. Una volta rimossi i ponteggi, rimasero con “la testa del pistone sopra il bullone d’acciaio”.
Quindi, era tempo di mettere a dura prova l’attuatore.
“In primo luogo, abbiamo vincolato l’attuatore a una guida scorrevole per misurare la capacità di generazione di forza e potenza”, hanno spiegato. “Successivamente, dimostriamo movimento di salto e salto senza vincoli aggiungendo supporti. Successivamente, l’attuatore è stato incorporato in un robot ispirato a Disney / Pixar, Luxo Junior. ”
Un tubo dell’aria compressa con manometro si stava collegando a una porta di ingresso dell’elettrovalvola a doppio effetto, che utilizzava un Arduino Micro per consentire all’aria in pressione di fluire tra due porte di uscita sull’attuatore stampato in 3D; ciò estendeva e ritraeva lo stelo. È stato utilizzato un sensore piezoelettrico per misurare la forza prodotta dall’attuatore.
“La potenza di picco in uscita è di 2 W a una pressione di alimentazione di 275 psi (275,79 kPa), l’altezza massima di salto è di 3,93 cm, ovvero circa 2 volte la lunghezza della corsa”, ha scritto il team.
Utilizzando le gambe di supporto esterne, l’attuatore stampato in 3D può essere utilizzato come robot autonomo ed è stato in grado di saltare in diversi scenari, ad esempio attraverso l’uso di supporti e verticalmente da un piano orizzontale. La sua altezza di salto media era di circa 5,34 cm, superiore ai salti che l’attuatore gestiva con una guida di supporto.
“Abbiamo anche creato una lampada da sospensione basata sul personaggio Disney / Pixar Luxo”, hanno scritto. “L’attuatore è stato collegato tra la piastra di base e il montante verticale della lampada con una leggera inclinazione rispetto alla verticale. La temporizzazione della corsa dell’attuatore è stata regolata per fornire una spinta sufficiente alla lampada. La spinta fornita dall’attuatore alimenta la lampada in avanti inclinando e facendo scorrere il movimento. Non c’è stata alcuna fase di volo, a differenza dell’animazione Pixar della lampada. La velocità della lampada era di 1,2 cm / s. “
La coppia di ricercatori ha stabilito che era possibile stampare in 3D attuatori pneumatici con un eccellente rapporto peso-potenza, e “capitalizzare l’uso del trattamento chimico post-stampa e grasso impermeabile per ridurre l’attrito che può migliorare la generazione di forza”.
“Con l’avvento di stampanti 3D più economiche e più capaci, prevediamo un costante aumento degli attuatori stampati in 3D con un elevato rapporto peso / potenza, portando a ulteriori miglioramenti nella progettazione e nel controllo dei robot”, hanno concluso.
(a) L’orientamento dei diversi sottosistemi dell’attuatore durante la stampa 3D, (b) parti prima della finitura superficiale e (c) dopo la finitura superficiale con acetone. 
(a) Attuatore con supporti che dimostrano salti non vincolati. (b) Attuatore con supporti per saltare da una superficie inclinata a terra. (c) Attuatore incorporato nel robot con le gambe basato sul personaggio della lampada Disney / Pixar Luxo. 
(a) Finitura superficiale prima e dopo (b) trattamento con acetone. (c) Impalcatura stampata in 3D seguita da (d) posizionamento del bullone e stampa della testa e (e) bullone con testa del pistone dopo aver rimosso l’impalcatura. (f) La testa del pistone stampata in 3D è legata allo stelo da un adesivo. L’o-ring viene inserito manualmente nella scanalatura sulla testa del pistone. 