Minibuilder - 3D-Druck großer Strukturen mit kleinen Robotern - Gunook - 2020 - How ToDo Well

Minibuilder - 3D-Druck großer Strukturen mit kleinen Robotern - Gunook - 2020 - How ToDo Well

Inhaltsverzeichnis:

Anonim

Es gab immer eine enge Beziehung zwischen Architektur und Technologie. In jüngster Zeit stagnierte die Architektur, und die Bauindustrie setzte nur langsam Technologien ein, die in anderen Bereichen bereits etabliert sind. Während wir digital entwerfen, konstruieren wir immer noch manuell.

Die Robotik bietet ein großes Potenzial für Innovationen in der Bauindustrie. In ihrer gegenwärtigen Form, die auf das Gebiet der Architektur, insbesondere der Konstruktionsrobotik, angewendet wird, haben diese Systeme jedoch alle eine bestimmte Einschränkung: Die Objekte, die sie produzieren, sind an die Größe der Maschine gebunden und werden proportional dazu eingeschränkt. Diese Produktions- und Konstruktionsmethode ist nicht skalierbar. In diesem Sinne muss die Maschine einen Arbeitsbereich haben, der so groß ist wie das Haus selbst, um ein Haus unter Verwendung der aktuellen Baurobotik zu erstellen.

Daher zielt das unten erarbeitete Projekt darauf ab, diese besondere Einschränkung durch die Schaffung einer Technologie zu beseitigen, die sowohl skalierbar als auch in der Lage ist, Strukturen mit Werkzeugen herzustellen, die von der Form oder Größe des Endprodukts unabhängig sind. Das Team erkundete und untersuchte die Potenziale der additiven Fertigung (3D-Druck) im architektonischen Maßstab.

Wir haben einen großen Roboter gegen eine Reihe kleinerer, wendigerer Roboter ausgetauscht und eine Familie von kleinen Baurobotern entwickelt, die alle mobil sind und weit größere Objekte als der Roboter selbst konstruieren können. Darüber hinaus sollte jeder der entwickelten Roboter eine vielfältige Aufgabe erfüllen, die mit den verschiedenen Bauphasen verbunden ist. Als Familie zusammenarbeiten, um ein einheitliches strukturelles Ergebnis zu erzielen.

Minibuilders ist eine Familie von drei Robotern, wobei jeder Roboter mit Sensoren und einem lokalen Positionierungssystem verbunden ist. Diese übertragen Live-Daten in kundenspezifische Software, die die Steuerung der Roboterbewegung und der Materialablagerung ermöglicht, einem schnell abbindenden Kunstmarmor.

Aktuelle Forschungsschwerpunkte sind der 3D-Druck für das FDM (Fused Deposition Modeling). Dies bedeutet, dass dreidimensionale Objekte hergestellt werden können, indem wiederholt Schichten aus erstarrendem Material aufgebracht werden, bis sich die Form gebildet hat. Material, das bei Verfestigung mit einer angemessenen Bindung an der vorherigen Schicht haftet, kann verwendet werden.

Die Positioniervorrichtung, die kleinen Roboter, die alle mit der Druckkopfdüse ausgestattet sind, bewegen sich in einem vordefinierten Weg und legen Material in Schichten ab. Jede Schichtbasis wird durch die vorherige Schicht definiert, und jede Schichtdicke wird durch die Höhe, in der sich die Spitze des Druckkopfs in Bezug auf die vorherige Schicht befindet, definiert und genau gesteuert. Steuerung, Materialversorgung und Stromquellen sind extern angeschlossen.

http://robots.iaac.net/

Zubehör:

Schritt 1: Basisroboter

Der erste Roboter, der Basisroboter, legt die ersten zehn Materialschichten ab, um eine Grundfläche zu schaffen. Sensoren, die innerhalb der Robotersteuerungsrichtung montiert sind und einem vordefinierten Pfad folgen. Durch die Bewegung in einem kontinuierlichen Pfad kann ein vertikaler Aktuator die Düsenhöhe schrittweise einstellen, um eine glatte, kontinuierliche, spiralförmige Schicht zu erhalten. Der Vorteil des Legens von Material in einer kontinuierlichen Spirale besteht darin, dass ein konstanter Materialfluss ermöglicht wird, ohne dass dies erforderlich ist
Bewegen Sie die Düse in Abständen von einer Schicht nach oben.

Der Fundamentroboter Größe 26 * 35 * 37 cm, wiegt 2,05 kg.

Werkzeuge und Materialien:

-Maker Beam mit Lagern und Schrauben und Muttern

-QTR-8RC Reflexionssensor-Array

-Elektronisches Band

-Waterjet Aluminiumgetriebe

-T2,5 Zahnriemen und Riemenscheibe

-Laser geschnittenes Acryl

-Motor, Achse und Radhalterung (Aluminium oder 3D gedruckt)

-9 / 4 / 4mm lager

-4mm Metallschaft

Der Basisroboter ist mobil, wobei eine vertikale CNC die Düse schrittweise in Z-Richtung nach oben bewegt, während sich der Roboter entlang einer vordefinierten Bahn bewegt. Dies erzeugt einen kontinuierlichen spiralförmigen Werkzeugweg für die Düse, die das Material auf jede zuvor gedruckte Schicht legt.

Alle drei Roboter verwenden Makerbeams für ihre Rahmen und bieten so Flexibilität beim Prototyping. Makerbeams sind wiederverwendbar und mit dem T-Nut-Bolzensystem relativ einfach einzustellen. Die CNC wird ebenfalls mit dem Makerbeam-Lagersatz hergestellt. Sie können aus den hier aufgeführten Projekten lernen.

Die Verbindung zwischen Rädern, Fahrgestell und Motoren erfolgt einfach über ein Lager, um die mit selbstsichernden Muttern befestigte Radwelle abzustützen. Die Stabilität der Welle hängt von der Größe und dem Abstand des Lagersatzes ab. Mit dieser Lösung wurde eine stabilere Druckplattform als mit einem weichen Aufhängesystem geschaffen.

Damit der Roboter dem vorgegebenen Pfad folgen kann, haben wir ein grundlegendes QTR-8RC-Reflexionssensorarray verwendet. Dadurch kann der Roboter einem vordefinierten Pfad folgen. Bei Tests im Freien stellten wir fest, dass der Sensor bei starker direkter Sonneneinstrahlung die Spur seines Pfades verlieren würde. Die einfache Lösung bestand darin, den Sensor vor der Sonne zu schützen.
Die Arduino- und Verarbeitungsdatei finden Sie im Softwareabschnitt von Schritt 4.

Schritt 2: Greifroboter

Um die Hauptschale der endgültigen Struktur zu erstellen, wird der zweite Roboter, der Grip Robot, an der Grundfläche des Fundaments befestigt. Die vier Rollen klemmen sich an der Oberkante der Struktur fest, sodass sie sich entlang des zuvor bedruckten Materials bewegen und mehr Schichten ablagern können. Die Düse bewegt sich dynamisch und ermöglicht so eine genauere Materialabscheidung. Um eine gekrümmte Oberfläche zu erzeugen, wird die Materialausgabe schrittweise versetzt. In die Roboterstruktur integrierte Heizelemente erhöhen die lokale Lufttemperatur, um den Aushärtungsprozess zu beeinflussen. Der Roboter wird von einer benutzerdefinierten Software gesteuert und folgt einem vordefinierten Pfad. Er kann seinen Pfad jedoch auch anpassen, um Fehler zu korrigieren
innerhalb des Druckprozesses. Drehantriebe steuern die Höhe über der vorherigen Schicht, um eine konsistente Schicht zu erhalten.

Der Greifroboter Größe 40 * 27 * 12 cm wiegt 4,6 kg.

Werkzeuge und Materialien:

-Makerbeam

-Dynamixel Axe-12 Servos * 9

-6mm Metallschaft

-Federn

-6mm lineare Bewegung

-Wasserstrahl-Aluminium für Karosserie und Getriebe

-Kunststoffzahnräder -18 / 6 / 6mm Lager

-3D gedruckter Radkern

- Gummi, zum des Rades und der Rollen zu werfen

-Heizpistole für Heizelement, Sensoren und Lüfter abisoliert.

-3D bedruckte Riemenscheibe und Riemen aus dem Hobbycar Shop

-4mm Acryl zum Laserschneiden

Das Druckkopf-Positionierungssystem umfasst ein lineares Vorwärts-Rückwärts-Bewegungssystem (11).
Seitenlinearbewegungssystem (12), Vorne-Hinten-Bewegungs-Betätigungssystem (13), Seitenbewegungs-Betätigungssystem (14) und Aktuatoren für einen Druckkopf oder mehrere Druckköpfe. Der Anschluss der Druckköpfe an die Materialversorgung ist in (15) dargestellt. Das Gerätepositionierungssystem besteht aus Füßen (5), die jeweils an weiteren vier oder mehr Beinen (4) befestigt sind, die am Rahmen befestigt sind. Die Beine sind über ein lineares Bewegungssystem (9) mit dem Rahmen verbunden. Linearbewegungslager (10) ermöglichen eine gleichmäßige Bewegung relativ zum Rahmen. Diese Bewegung kann entweder durch Federn oder durch Linearantriebe (8) betätigt werden. Die Füße sind über Drehgelenke an den Beinen befestigt, die eine Drehung relativ zu den Beinen ermöglichen. Diese Drehung ist steuerbar und wird durch das Fußbetätigungssystem (7) betätigt. Die Räder (3) sind auf den Füßen montiert und werden über das Radbetätigungssystem (6) bewegt. Die Oberfläche ist mit einem haltbaren, flexiblen Material beschichtet, um Vibrationen des Geräts während der Bewegung zu reduzieren und den Halt an der Struktur zu verbessern, an der das Gerät befestigt ist.

Wenn der Druckpfad ohne Öffnungen geschlossen ist, ist die Bewegung des Roboters kontinuierlich und die Bewegung des Druckkopfs von vorne nach hinten kann nicht verwendet werden.Das Gerät wird an einer gewünschten Position auf die Standfläche gelegt. Sobald das Material durch die Öffnung des Druckkopfs extrudiert wurde und sich das Gerät in die gewünschte Richtung bewegt, muss der Druck ohne Unterbrechung auf einer durchgehenden Spiralbahn erfolgen. In diesem Fall befinden sich die Räder während des Druckvorgangs nicht in ihrer zentralen Position. Das Gerät bewegt sich ständig nach oben. Bei jeder vollständigen Umdrehung bewegt sich das Gerät um eine Schicht nach oben.
Wenn der Druckkopf in einer festen Position fixiert ist, würde dies eine Reihe von Problemen verursachen. Auf jeder gekrümmten Bahn würde die Druckkopfmitte von der Mitte der Bahn abweichen, wo die Mittenposition der Düse mit einer gestrichelten Linie markiert ist. In diesem Fall würde jeder vorangehende Pfad akkumulativ von der gewünschten Form abweichen, wodurch eine andere als die programmierte Struktur gedruckt würde.

Dies kann gelöst werden, indem dem Druckkopf eine lineare Bewegung von Seite zu Seite zugeführt wird. Sie kann verwendet werden, um die Abweichung zu korrigieren und den Weg des Druckkopfs zu steuern. Um den Druckkopf richtig zu positionieren, berechnet ein mechanischer Sensor die Abweichung und passt sie entsprechend an. Wenn die Position des Geräts und die Pfadkrümmung bekannt sind, kann die Abweichung geometrisch berechnet werden, ohne dass zusätzliche Sensoren erforderlich sind.

Wenn der Druckkopf nur auf die vorherige Schicht beschränkt wäre, könnten gedruckte Strukturen nur als extrudierte Versionen ihrer Fußabdrücke geformt werden. Dies würde Formen wie Gewölbe und Ausleger ausschließen. Durch Verschieben des Druckkopfes kann die Wandkrümmung während des Druckvorgangs verändert werden. Wenn sich Ebenen relativ zu ihren vorherigen Ebenen verschieben, ändert sich die Krümmung der Wand. Das Ausmaß der Verschiebung sollte abhängig von der Position des Geräts vorberechnet werden. Für den Fall, dass die Position des Roboters falsch ist oder ein Fehler erkannt wird, sollte die Kurvenabweichung berücksichtigt und entweder zur Schicht addiert oder von dieser subtrahiert werden. Die Position des Roboters in Bezug auf vorherige Schichten kann auf verschiedene Arten abstrahiert werden, zum Beispiel verschiedene Arten von Sensoren, von lokalen Positionierungssystemen bis hin zu Rotationszählern, die an den Rädern angebracht sind, was zu vielen Möglichkeiten führt.

Schritt 3: Vakuumroboter

Eine weitere wesentliche Einschränkung der heutigen additiven Fertigungstechniken hängt mit der unidirektionalen Ausrichtung der Schichten zusammen, wodurch eine inhärente Schwäche entsteht. Die additive Fertigung ermöglicht eine heterogen optimierte Verteilung der Materie. Um dies auszunutzen und nicht dieser Einschränkung zu unterliegen, haben wir mithilfe von Werkzeugen zur Strukturoptimierung eine zweite Materialschicht über der Schale erstellt. Das Material ist außerdem eng an der Spannungsrichtung ausgerichtet, wodurch Orientierung und Dicke der Schalenstruktur optimiert werden. Die aus der Strukturanalyse abgeleiteten Daten werden dann in Pfade für den dritten und letzten Roboter, den Vakuumroboter, übersetzt. Mit einem Vakuumgenerator wird dieser Roboter an der Oberfläche der zuvor gedruckten Struktur befestigt. Bewegen Sie sich frei über die erste Schale auf ihren Spuren, setzen Sie Material auf der Oberfläche der Schale ab und verbessern Sie ihre strukturellen Eigenschaften. Diese Aufgabe kann von einem Roboter oder einem Schwarm von koordiniert arbeitenden Robotern ausgeführt werden.

Beratungspapiere unten:

http://link.springer.com/article/10.1007%2Fs10846-013-9820-z#page-1

http://jin-shihui.com/minibulders/Schmidt12.pdf

Der Vakuumroboter Größe 30 * 27 * 12 cm wiegt 2,1 kg

Werkzeuge und Materialien:

-Makerbeam

-Dynamixel Axe-12 Servos * 4

-Silber-Klebeband

-Smoothon Ecoflex Silicon 00-10 (weichste)

-700w Handzyklonsauger. Wir haben den Core benutzt.

-Schaum zum CNC-Fräsen

-4mm Acryl zum Laserschneiden

-Motor, Achse und Radhalterung (Aluminium oder 3D gedruckt)

-Gummispuren

Der Rahmen des Roboters ähnelt dem ersten Roboter, eine Aluminiumhalterung befestigt die Motoren und den Radmechanismus am Rahmen. Während der Vakuumerzeuger mit dem Rahmen verschraubt ist. Der Vakuumerzeuger saugt Luft unter dem Roboter ab und ein flexibler Saugnapf versiegelt die unregelmäßige Oberfläche. Durch den Unterdruck im Raum zwischen Saugnapf und Oberfläche wird der Wandkletterroboter an vertikalen und horizontalen Oberflächen befestigt. Um dem Roboter Mobilität auf doppelt gekrümmten Oberflächen zu verleihen, sollte der Saugnapf so eingestellt werden, dass er niedriger als die Schienen ist (ca. 3 mm). Der Rahmen des Roboters sollte so starr wie möglich und der Saugnapf so weich und formbar wie möglich sein. Es gibt andere Lösungen, die es den Rädern / Ketten ermöglichen, stets die Traktion aufrechtzuerhalten, beispielsweise die Verwendung eines Aufhängungssystems. Wir fanden dies jedoch am einfachsten und zuverlässigsten.

Die Kraft des Vakuumerzeugers muss das Gewicht des Roboters überwinden. Darüber hinaus muss die Leistung / das Drehmoment der Motoren das Gesamtgewicht des Roboters sowie die Reibung zwischen Saugnapf und Oberfläche überwinden. Gummiartige Materialien erzeugen Reibung mit anderen Oberflächen, insbesondere wenn eine Kraft ausgeübt wird. Wir haben mit vielen Lösungen experimentiert und nach einem gummiartigen Material oder einer Beschichtung gesucht, um die Reibung zu verringern. Eine alternative Lösung wurde gefunden, indem eine oder zwei Schichten Silberklebeband auf den Saugnapf aufgebracht wurden. Wir haben festgestellt, dass dies die Reibung erheblich verringert und sich als haltbarer als Kunststoffbeschichtungen oder Schmiermittel erweist. In der Praxis verschlechterte sich die Klebebandbeschichtung langsam, sie war jedoch leicht zu reparieren.

Für bestimmte Krümmungen (Einzelkrümmung oder Doppelkrümmung) ist die Größe des Rades umso besser, je kleiner der Abstand der Räder ist, desto leichter sollte der Roboter sein, ein größerer Saugnapf ergibt eine bessere Saugkraft. Somit besteht ein Gleichgewicht zwischen dem Gewicht des Roboters und der Leistung der Motoren, der Saugnapfgröße und der Robotergröße.

Schritt 4: Software und Aktoren

Alle Roboter verwenden Dynamixel-Servos. Diese intelligenten Servos haben ein gutes Drehmoment und eingebettete Encoder

http://www.robotis.com/xe/dynamixel_en

Die erste Arduino-Bibliothek wurde von Alejando Savage für AX-12 geschrieben. Http: //savageelectronics.blogspot.co.uk/2011/01/a …

und eine neue aktualisierte Version für die MX-Serie können hier heruntergeladen werden: http: //savageelectronics.blogspot.co.uk/2011/01/a …

Wir haben auch einen Arduino Mega Plus-Treiber verwendet.

(http://ro-botica.com/es/Producto/Adaptador-Arduino-Bioloid-CDS55xx/)

Dank Guillem Camprodon können Sie die Verarbeitungs- und Arduino-Dateien herunterladen, um die Roboter mit der Dokumentation der Servos in unserem Github With Special zu steuern.

Schritt 5: Materialextrusion

Das von den Robotern verwendete Material muss bestimmte Eigenschaften, Festigkeit, Klebkraft, geringe Kosten und Aushärtezeit aufweisen. Die Aushärtungszeit ist besonders wichtig, damit der Roboter auf zuvor gedruckten Schichten fahren kann, während die strukturelle Integrität erhalten bleibt. Für die endgültige Struktur verwenden wir eine Mischung aus 40% Axon Easymax-Zweikomponentenpolymer und 60% Marmorpulver. Jede Schicht ist 6 mm hoch und 16 mm breit. Die Schichten sind miteinander verbunden und bilden beim Aushärten eine gleichmäßige Hülle. Die Krümmung der Schale kann bei einem Radius von 30 cm zuverlässig bis zu 90 Grad erreichen. Es ist auch möglich, den Anteil an Marmorpulver zu erhöhen, ohne die mechanischen Eigenschaften zu verlieren. Mit zunehmender Viskosität des Materials steigt jedoch auch der Druck, der erforderlich ist, um es durch die Rohre zu bewegen, was wiederum die Kontrolle über den Materialfluss erschwert.

Nach dem Mischen des Marmorpulvers mit der Polymerkomponente A und B werden beide getrennt in verschlossenen Fässern gelagert. Dieses gemischte Material kann bis zu einem Monat zuverlässig gelagert werden, sofern das Pulver beim Mischen keine Feuchtigkeit enthält.
Beim Drucken vor Ort verwendeten wir einen professionellen zweiteiligen Polymerextruder. Es wurde im Verhältnis 1: 1 durch Hochdruckrohre extrudiert, die an einem speziellen Mischblock befestigt waren, der wiederum die Einweg-Statikmischerdüse verband. Die Düse ist mit dem Roboter verbunden und härtet in 2-3 Minuten aus, was chemisch oder durch Verwendung von Wärme beschleunigt werden kann.

Der Extruder ist auch mobil und gilt als „vierter Roboter“, der Material, Strom, Steuerungen, Heizungssteuertafel und Extruderflusssteuertafel liefert. Der vierte Roboter folgt den kleinen Robotern beim Drucken und demonstriert zwei Mobilitätsstufen innerhalb des Systems.

Anmerkungen:
Die in diesem Dokument enthaltenen Bilder können Unterschiede aufgrund des Prototyps aufweisen, der das System ständig weiterentwickelt hat.

Wir haben versucht, die Roboter so offen wie möglich zu gestalten, indem wir die Spezifikationen in diesem wissenschaftlichen Artikel geteilt haben.

http: //arxiv.org/ftp/arxiv/papers/1406/1406.3400.p …

Das Projekt wurde auch in einer Reihe von Publikationen vorgestellt, siehe unten für weitere Informationen.

economist.com/blogs/economist-explains/2014/07/economist-explains-13

wired.com/2014/06/these-drones-could-3-d-print-your-next-house/

creativeapplications.net/environment/minibuilders-small-robots-x-large-sculptures/

Credits:

Forschungsteam: Stuart Maggs, Dori Sadan, Cristina Nan, Jin Shihui

Fakultät: Sasa Jokic, Petr Novikov

Projekt von: Institut für fortgeschrittene Architektur von Katalonien

Gefördert von: SD Ventures