Využití 3D tisku v konstrukci robotů

Jiří Suder

Doctoral thesis

The use of 3D printing in the design of robots

Abstract:

Předkládaná disertační práce se zabývá využitím metody 3D tisku v konstrukci robotů, přičemž se zaměřuje na metodu Fused Filament Fabrication. Věnuje se některým vybraným tématům spojeným s návrhem a realizací materiálů, které mohou být dále použity i pro konstrukci robotů. Práce se zabývá testováním lepených spojů, vlivem žíhání tištěných vzorků na jejich výslednou pevnost a teplotní odolnost, zkouškám vodotěsnosti a tlakovým zkouškám. Testovanými materiály jsou nejčastěji PLA a relativně nové flexibilní materiály TPU. Součástí práce je také řešení základních problémů při tisku z flexibilních materiálů. Řešení spočívá v návrhu vlastního extrudéru na tiskárně vlastní konstrukce a implementaci zakoupeného speciálního extrudéru Flexion pro tisk z flexibilních materiálů na zakoupenou tiskárnu Original Prusa I3 MK3S. Práce obsahuje metodiku pro nastavení parametrů tisku k dosažení vodotěsného tištěného vzorku. Dále se práce zabývá využitím 3D tisku z pružných materiálů pro konstrukci robotů. V této části jsou uvedeny dvě aplikace. První je využití tištěných pružných vložek čelistí kolaborativního robotu ke zvýšení třecí síly čelisti. Druhou aplikací jsou tištěné adaptivní prsty založené na Fin Ray efektu pro využití v soft robotice. Součástí testování Fin Ray prstů je návrh nové a jednoduché metody pro optimalizaci těchto prstů z hlediska jejich obalení okolo vtlačovaného objektu. Také je zde uveden postup pro simulaci těchto čelistí a porovnání simulací s reálnými testy na tištěných prstech. Úvodní kapitola této disertační práce se věnuje nejpoužívanějším technologiím 3D tisku, materiálům pro metodu Fused Filament Fabrication, ukázkám tiskáren pro tuto technologii a příkladům využití výtisků v robotice. Z oblasti nových materiálů jsou popsány flexibilní materiály a možné problémy s nimi spojené při tisku na neupravených stolních tiskárnách. Dále jsou stanoveny cíle práce, které vycházejí z aktuálních požadavků podle průzkumu současného stavu a podle problémů, které vyplynuly v souvislosti s realizovanými projekty jak na Katedře robotiky, tak při vlastním testování a výzkumu. Vlastní část práce je rozdělena do jednotlivých kapitol podle řešených témat. Závěr práce obsahuje zhodnocení dosažených výsledků.

Abstract:

The presented dissertation deals with the use of 3D printing in the design of robots, focusing on the method of Fused Filament Fabrication. It deals with some selected topics associated with the design and implementation of materials that can be further used for the construction of robots. The work deals with testing of glued joints, the influence of annealing of printed samples on their final tensile strength and temperature resistance, water tightness tests and pressure tests. The tested materials are most often PLA and relatively new flexible TPU materials. Part of the work is also the solution of basic problems when printing from flexible materials, namely the design of the own extruder on a printer of the own design and implementation of the purchased special extruder Flexion for printing from flexible materials on the purchased printer Original Prusa I3 MK3S. The work contains a methodology for setting the printing parameters to achieve a waterproof printed sample. Furthermore, the work deals with the use of 3D printing from flexible materials in the design of robots. In this section, two applications are presented, namely the use of printed elastic inserts of the jaws of a collaborative robot to increase the friction force of the jaw and printed adaptive fingers based on the Fin Ray effect for use in soft robotics. Part of the Fin Ray finger testing is the design of a new and simple method for optimizing these fingers in terms of their wrapping around the embossed object. A procedure for simulating these fingers and comparing simulations with real tests on printed fingers is presented. The introductory chapter deals with the most used 3D printing technologies, materials for the Fused Filament Fabrication method, examples of printers for this technology and an example of the use of prints in robotics. In the field of new materials, flexible materials and possible problems associated with them when printing on unmodified desktop printers are described. Furthermore, the goals of the work are set, which are based on current requirements according to a survey of the current state and according to the problems that have arisen in connection with the implemented projects, both at the Department of Robotics and in the own testing and research. The actual part of the own work is divided into individual chapters according to the topics addressed. The conclusion of the work contains an evaluation of the achieved results.

Keywords

3D tisk, Fused Filament Fabrication, Robotika, Soft robotika, Experimentální testování

Keywords

3D print, Fused Filament Fabrication, Robotics, Soft Robotics, Experimental testing

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 26. 5. 2021

Thesis defence

• Date of defence: 31. 8. 2021
• Supervisor: Zdenko Bobovský
• Reader: Milan Mihola, Ivan Gajdoš, Radek Knoflíček

VSB – Technical University of Ostrava

Fakulta strojní

Doctoral programme / field:
Strojní inženýrství / Robotika