CN113696221A - 一种基于3d打印的软体机械指及机械爪装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于3D打印的软体机械指及机械爪装置。设计了软体机械爪的结构，采用新型材料通过3d打印的方式制作。在打印过程中，使用TPU材料的支撑模具实现对上层材料的支撑，在打印结束后通过DMF溶液溶解模具，使模具可以轻易得取出。该方法制作得到的软体机械指一体成型，与分步打印再粘合的方法相比，该方法得到的机械指空腔的密封性更高。解决了现有技术中机械爪的制作材料选择与空腔支撑的问题。使用该机械指与通孔数量不同的连接底座配合使用，可以灵活设置机械爪中的手指数量，适用于不同的应用场景，增强机械爪的通用性。
Description
技术领域
本发明属于工业制作领域，具体涉及一种基于3D打印的软体机械指及机械爪装置。
背景技术
随着技术的高速发展，越来越多的工作场合需要使用机械臂进行操作，而机械臂的工作离不开机械爪，目前的机械爪主要分为刚性和软体两类。刚性机械爪因为其坚硬的特性主要适用于需要抓取体积较大或者重量较重的物体的场合。而软体机械爪适用于需要抓取小而微的物体的场合。刚性机械爪的制造方法基本上是铸造或者机加工单个零件然后组装。软体机械爪由于其材料的特殊性，大部分都是采用模具注塑的办法，也有小部分采用了3d打印的方法。
使用3d打印技术制作软体机械爪的难点主要是在软体机械指材料的选择，以及制作过程中空腔方法的选择上，由于软体机械爪内部必定存在有空腔，如果分体打印，最后再进行连接，可能导致密封度下降或者精度不高。采用一体成型的打印方法，则如何对其进行支撑便成为难题：选择普通材料作为支撑物，在打印完成后很难将其取出；如果选择软体材料，则因为材料本身强度不够，难以实现大面积的支撑。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提出了一种基于3D打印的软体机械指及机械爪装置，设计了软体机械爪的结构与打印过程中的支撑方法，使软体机械爪可以一体成型，并且支撑物在使用后可以轻易得取出。解决现有技术中机械爪的制作材料选择与空腔支撑的问题。
一种基于3D打印的软体机械指，其内工作面为平面结构，外工作面为多个间隔排列的U型空腔。软体机械指的底端设置有与内部空腔连通的通孔。
作为优选，外工作面的壁面厚度为0.8～1.2mm。
该软体机械指的制作方法具体包括以下步骤：
步骤一、准备制作材料
将质量比为10:1的聚二甲基硅氧烷聚合物和嵌入织物混合后熔化为液态材料A，将TPU(热塑性聚氨酯)材料熔化为液态材料B。所述嵌入织物为脂肪族PA、芳香族PA和热塑性树脂的混合物。
步骤二、支撑模具制作
使用液态材料B打印支撑模具，支撑模具的形状与软体机械指的内腔形状相同。然后在支撑模具表面喷涂脱敏剂。
步骤三、软体机械指打印
打开3d打印机，使用液态材料A由软体机械指的一个侧壁开始打印。当软体机械指的一侧和内、外工作面打印完成时，暂停打印。等待材料冷却后，将步骤二得到的支撑模具放入软体机械指的空腔中，再开启打印机完成软体机械指另一个侧壁的打印。
作为优选，3d打印机的喷头直径小于软体机械指壁厚的1/3。
作为优选，3d打印机挤出液体材料A的温度为120～130℃。
步骤四、支撑模具处理
待步骤三打印的软体机械指冷却后，通过底端的通孔向软体机械指内部注入DMF(N,N-二甲基甲酰胺)溶液，待支撑模具溶解后，将内部的溶液倒出。然后将软体机械指浸泡在氯化钠溶液中。
作为优选，等待支撑模具溶解的时间不少于15min。
作为优选，浸泡软体机械指的氯化钠溶液溶度为26％，浸泡时间为20min。
步骤五、后续处理
将软体机械指从氯化钠溶液中取出，使用清水清洗后放入烘干箱中，得到基于3D打印的软体机械指。
作为优选，设置烘干箱的烘干温度为60～70℃，烘干时间不超过15min。
一种基于3D打印的软体机械爪装置，包括连接底座、固定装置与软体机械指。固定装置上设有一个通孔，软体机械爪底端的通孔与固定装置上的通孔对齐后，将机械爪底端固定在固定装置上。连接底座的顶端均匀分布有多个通孔，将多个固定装置上的通孔与连接底座上的通孔对齐后固定，连接底座内部的微泵与软体机械指顶端的通孔相连，形成软体机械爪。
作为优选，其中连接底座与固定装置使用PLA(聚乳酸)材料通过3d打印的方式制作。
作为优选，软体机械指的长度小于连接底座直径的3/4。
作为优选，软体机械指与固定装置通过胶水粘合连接。
作为优选，固定装置与连接底座通过螺纹、螺母连接。
本发明具有以下有益效果：
1、采用3d打印的方式制作了一种TPU材料的支撑模型，支撑模型本身的材质较软，但是密度略大于软体机械指的密度，使得支撑模型既可以为软体机械指的打印提供有力的支撑，同时不对机械指内壁造成破坏，并且打印完成后便于取出。
2、采用聚二甲基硅氧烷聚合物和嵌入织物的组合材料进行软体机械指的制作，熔化后直接采用3d打印的方法加工，相比于其他柔性材料，该材料可以不采用倒模铸造的方式，在其并且打印出的成品不需要进行任何的操作便可以使用。
3、软体机械指固定在固定装置上后，再与连接底座连接，可以通过更换不同的底座或机械指，实现不同的形状的机械爪组合。增加机械爪的通用性，适应不同环境下的使用。
4、本方法制备工艺具有快速便捷、设备要求低、可操作性好、经济性好，从而很大程度上缩短了机械指的时间成本和制造成本。
附图说明
图1为软体机械指的剖面图；
图2为软体机械指制作流程图；
图3为软体机械爪装置的示意图；
图4为软体机械爪装置的连接底座示意图；
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步的解释说明；
如图1所示，一种基于3D打印的软体机械指，壁厚为1mm，其内工作面为平面结构，外工作面为多个间隔排列的U型空腔。软体机械指的底端设置有与内部空腔连通的通孔。
如图2所示，该软体机械指的制作方法具体包括以下步骤：
步骤一、准备制作材料
将质量比为10:1的聚二甲基硅氧烷聚合物和嵌入织物混合后熔化为液态材料A，将TPU材料熔化为液态材料B。所述嵌入织物为脂肪族PA、芳香族PA和热塑性树脂的混合物。
步骤二、支撑模具制作
使用液态材料B打印支撑模具，然后在支撑模具表面喷涂脱敏剂。
步骤三、模型建立
使用三维建模软件建立软体机械指的三维模型，导出为STL格式进行参数设置，并将转化为3d打印机专用格式，将转化后的文件导入3d打印机。
步骤四、软体机械指打印
选择3d打印机的喷头直径为0.3mm，设定喷头挤出温度为125℃。打开3d打印机，使用液态材料A由软体机械指的一侧开始打印。当软体机械指的一侧和内、外工作面打印完成时，暂停打印。等待材料完全冷却后，将步骤二得到的支撑模具放入软体机械指的空腔中，再开启打印机完成软体机械指另一侧的打印。
步骤五、支撑模具处理
待步骤四打印的软体机械指冷却后，通过底端的通孔向软体机械指内部注入DMF溶液，等待或挤压15分钟，待支撑模具完全溶解后，将内部的溶液倒出。然后将软体机械指浸泡于溶度为26％的氯化钠溶液中20min以去除空腔中残余的DMF溶液。
步骤六、后续处理
将软体机械指从氯化钠溶液中取出，使用清水清洗后放入烘干箱中烘干，烘干温度为65℃，烘干时间为10min。得到基于3D打印的软体机械指。
一种基于3D打印的软体机械爪装置如图3所示，其中1为连接底座、2为固定装置，3为软体机械指。连接底座与固定装置使用PLA材料通过3d打印的方式制作，软体机械指的长度小于连接底座直径的3/4。固定装置上设有一个通孔，软体机械爪底端的通孔与固定装置上的通孔对齐后，通过胶水粘合连接。连接底座的顶端均匀分布有多个通孔，将多个固定装置上的通孔与连接底座上的通孔对齐后通过螺纹、螺母固定连接，连接底座内部的微泵与软体机械指顶端的通孔相连，向软体机械指的空腔内注入液体，通过液体的压力使得腔体膨胀，由外工作面向内工作面弯曲，模拟人手弯曲抓取物体的效果。
如图4所示，4为1指时，底座的通孔设置方式；6为二指时，底座的通孔设置方式；5为三指时，底座的通孔设置方式。通过设计连接底座顶端通孔的数量，可以根据实际使用情况，得到一指、二指、三指等指数不同机械爪。连接底座的底端圆周上均匀分布有3个螺纹孔，用于通过螺丝与机械臂连接。
Claims (10)
1.一种基于3D打印的软体机械指，其特征在于：软体机械指的内工作面为平面结构，外工作面为多个间隔排列的U型空腔；软体机械指的底端设置有与内部空腔连通的通孔；
该软体机械指的制作方法具体包括以下步骤：
步骤一、准备制作材料
将质量比为10:1的聚二甲基硅氧烷聚合物和嵌入织物混合后熔化为液态材料A，嵌入织物为脂肪族PA、芳香族PA和热塑性树脂的混合物；将TPU材料熔化为液态材料B；
步骤二、支撑模具制作
使用液态材料B打印支撑模具，支撑模具的形状与软体机械指的内腔形状相同；然后在支撑模具表面喷涂脱敏剂；
步骤三、软体机械指打印
打开3d打印机，使用液态材料A由软体机械指的一个侧壁开始打印；当软体机械指的一个侧壁和内、外工作面打印完成时，暂停打印；等待材料冷却后，将步骤二得到的支撑模具放入软体机械指的空腔中，再开启打印机完成软体机械指另一个侧壁的打印；
步骤四、支撑模具处理
待步骤三打印的软体机械指冷却后，通过底端的通孔向软体机械指内部注入DMF溶液，待支撑模具溶解后，将内部的溶液倒出；然后将软体机械指浸泡在氯化钠溶液中；
步骤五、后续处理
将软体机械指从氯化钠溶液中取出，使用清水清洗后放入烘干箱中，得到基于3D打印的软体机械指。
2.如权利要求1所述一种基于3D打印的软体机械指，其特征在于：软体机械臂外工作面的壁面厚度为0.8～1.2mm。
3.如权利要求1所述一种基于3D打印的软体机械指，其特征在于：打印软体机械指时，3d打印机喷头直径小于软体机械指壁厚的1/3。
4.如权利要求1所述一种基于3D打印的软体机械指，其特征在于：3d打印机挤出液体材料A的温度为120～130℃。
5.如权利要求1所述一种基于3D打印的软体机械指，其特征在于：等待支撑模具溶解的时间不少于15min。
6.如权利要求1所述一种基于3D打印的软体机械指，其特征在于：浸泡软体机械指的氯化钠溶液溶度为26％，浸泡时间为20min。
7.一种基于3D打印的软体机械爪装置，其特征在于：包括连接底座、固定装置与如权利要求1所述的软体机械指；固定装置上设有一个通孔，软体机械爪底端的通孔与固定装置上的通孔对齐后，将机械爪底端固定在固定装置上；连接底座的顶端均匀分布有多个通孔，将多个固定装置上的通孔与连接底座上的通孔对齐后固定，连接底座内部的微泵与软体机械指顶端的通孔相连，形成软体机械爪。
8.如权利要求7所述一种基于3D打印的软体机械爪装置，其特征在于：其中连接底座与固定装置使用PLA材料通过3d打印的方式制作。
9.如权利要求7所述一种基于3D打印的软体机械爪装置，其特征在于：软体机械指的长度小于连接底座直径的3/4。
10.如权利要求7所述一种基于3D打印的软体机械爪装置，其特征在于：软体机械指与固定装置通过胶水粘合连接；固定装置与连接底座通过螺纹、螺母连接。
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