A impressão 3D sai da caixa

Os alunos do laboratório DREAMS passaram o último ano combinando impressão 3D com montagem automatizada avançada, criando um processo de fabricação inédito.

10 de fevereiro de 2023

A impressão 3D normalmente envolve uma única máquina criando um objeto. Mas uma equipe de pesquisadores de graduação levou esse paradigma muito além de sua caixa no Laboratório de Design, Pesquisa e Educação para Fabricação Aditiva (DREAMS), liderado pelo professor Chris Williams, de LS Randolph.

O projeto começou com o objetivo de imprimir em 3D um drone que pudesse voar autonomamente para fora da impressora e evoluiu para uma abordagem altamente robusta e adaptável para a fabricação de grandes sistemas mecatrônicos.

Drones são mecanismos complexos com hélices giratórias, componentes eletrônicos precisamente calibrados, baterias e uma série de outras peças e peças. Um dos primeiros desafios da equipe foi abordar essa complexidade com a impressão 3D. Algumas peças, como uma bateria carregada e um motor, simplesmente não podiam ser impressas e, em vez disso, exigiam montagem. Esta montagem não se enquadra na função normal de uma impressora 3D, que é colocar camadas empilhadas umas sobre as outras, formando um único objeto estacionário.

A equipe também precisava resolver um problema um tanto complicado: libertar o drone. Como a primeira camada de uma impressora 3D adere ligeiramente à placa de construção, a equipe precisava descobrir como raspar a peça impressa durante o processo autônomo.

Uma impressora 3D típica não alcançaria todos esses objetivos. Embora a máquina possa colocar camadas para criar uma forma e até mesmo imprimir diferentes materiais juntos, ela não pode pegar componentes e montá-los, e não pode raspar seu próprio produto. Determinar como concluir todas essas etapas de forma autônoma seria o fator crítico na criação de um drone funcional que deixou seu fabricante com sucesso.

A equipe planejou contornar a função típica da impressora 3D que usa uma cabeça de impressão em um pórtico fixo. Em vez disso, o grupo utilizou um braço robótico que poderia ser equipado com ferramentas para impressão e montagem de componentes. Embora os braços exijam mais trabalho para programar e operar, eles também oferecem mais opções.

“Ao conectar uma cabeça de impressão a braços robóticos industriais multieixos, ganhamos graus adicionais de liberdade de movimento que nos permitem finalmente imprimir em 3D verdadeiro”, disse Williams. “Em vez de apenas empilhar uma série de impressões bidimensionais de cada camada, a flexibilidade cinemática do braço do robô nos permite depositar material em qualquer direção no espaço 3D.”

O braço robótico ofereceu aos membros da equipe outra vantagem: eles poderiam fabricar um conjunto versátil de ferramentas para o braço. Essa abordagem multimodal significava que o braço poderia usar uma cabeça de impressão 3D para uma parte de um trabalho, mudar para uma ferramenta de montagem para colocar componentes eletrônicos e outras peças acabadas e depois voltar para uma ferramenta de impressão 3D para fechar a estrutura do drone. Ao implantar diversas ferramentas em uma única célula de trabalho robótica, eles eliminaram a necessidade de diversas máquinas.

“A flexibilidade dos braços robóticos nos permite trocar as ferramentas no meio da impressão para que possamos colocar objetos estranhos, como motores, baterias e fios, no objeto enquanto ele está sendo impresso”, disse Williams. “Isso nos proporcionou um caminho para fabricar conjuntos mecatrônicos funcionais completos em uma única célula de trabalho robótica.”

Depois que os alunos designaram as peças para impressão ou montagem, eles precisaram determinar a melhor maneira de quebrar a ligação adesiva entre a peça acabada e a placa de construção. Isso se tornou uma lição de termodinâmica.

A grande placa de impressão aquecida da impressora robótica, que atua como base para a peça que está sendo construída, é levemente quente para criar adesão suficiente para que a peça não se mova durante a impressão. Embora essencial para alcançar a precisão necessária para a construção, criou um obstáculo para uma peça impressa que precisa voar para longe da impressora.

O membro da equipe Dalton Phillips descobriu uma solução surpreendentemente simples para remover a peça impressa: deixe esfriar. Se a placa esfriasse alguns graus após o término da impressão, a aderência ficava mais fraca. Depois que a placa esfriasse até certo ponto, um simples raspador mecânico poderia ser usado para afastá-la. Essa abordagem funcionou e o drone pôde ser libertado.