仿真驱动的3D印刷，气动驱动，轻型机器人设计
这是一篇客座文章，作者是加布里埃尔Dämmer，他是费斯托和约翰尼斯开普勒大学聚合物产品工程研究所的研究员。
将增材制造(AM)与结构优化相结合，可以产生功能集成、刚性但轻量化的结构。由于空间有限，结构顺应性和重量严重影响系统性能，这些属性对于轻量级机器人尤其可取。打印机器人的创建需要基于材料科学、增材制造技术和结构优化的合适设计策略。然而，打印机器人和一致设计策略的例子并不多。
基于这一点，我们开发出了一个多学科研究平台的原型机械臂AM SCARA (Selective Compliance Assembly robot arm)。该机器人的开发涵盖了从材料表征到制造和最终部件测试的必要步骤。该项目的目的不仅是获得不同学科的知识，而且是为自动化行业的下一代产品改进增材制造相关的开发流程。本项目应用的增材制造技术是弹性体和热固性丙烯酸酯的PolyJet™印刷，热塑性聚酰胺的选择性激光烧结，以及铝粉的选择性激光熔化。
Festo AG & Co. KG与Johannes Kepler University聚合物产品工程研究所(IPPE)合作完成了博士项目的研发。初步的研究和polyjet打印的部分产生于DIMAP[1]研究项目。
该AM SCARA是一个四自由度(4自由度)机械手，完全由气动执行器驱动。为了控制执行器的扭矩，打印的空气通道结合压电阀集成在机器人连杆。这些链接是通过选择性激光烧结制造的，并遵循Altair软件解决方案的模拟驱动设计方法进行设计。其中一个技术亮点是多材料夹道与集成弹性旋转驱动器，作为一个整体打印使用PolyJet™技术cirp［２］．一个真空喷嘴集成到抓手中，并通过打印的空气通道连接到四个吸盘。该机器人可达400毫米，可举起超过一公斤的有效载荷。
结构优化在力学发展的中心
AM SCARA是从头开始设计的，因为当时没有可比的系统存在。概念草图考虑了运动学，装配步骤的顺序和机电子系统的尺寸，如压电阀模块和电子。这个概念被转化为计算机辅助设计(CAD)模型，所有的设计特征都被补充，这些特征将影响结构行为和设计空间的定义。
在将机器人手臂几何形状导入Altair Inspire™后，将夹爪导入Altair HyperMesh™后，进行了有限元分析(FEA)，作为优化的基线。定义了多个负载情况，代表一个典型的拾取和放置应用程序中的负载。IPPE对结构材料SLS和PolyJet™进行了广泛的测试。这包括温度和应变率变化的单调拉伸试验，以及在不同应力和位移水平下的蠕变和松弛试验。
在此基础上，对材料模型进行了标定，确定了材料的应用范围。拓扑优化问题的制定包括结构的最小加权顺应性目标，对称约束和设计空间中允许的体积分数。在PolyJet™和SLS工艺中，由于结构的分层堆积和易于拆卸的支撑材料，没有制造相关的约束。链接完全优化在Altair Inspire和抓手优化使用Altair HyperMesh, Altair OptiStruct™和Altair HyperView™。每一个工具在过程中都起到了至关重要的作用，包括预处理，求解/优化和结果后处理。采用全各向同性和线弹性材料模型进行基础有限元荷载情况下，符合材料表征结果的小应变。
优化后的结构使用Altair Inspire中的PolyNurbs功能重新建模。对PolyNurbs几何结构进行了重新分析，并对结构进行了应变峰检查。为了完成设计，几何图形被重新导入到CAD软件中，最后的细节，包括打印的螺纹，在零件被构建成真实的结构之前被添加。
应用现状及未来研bob电竞官方究
该项目的挑战是实现完全功能的气动驱动机器人，主要组装在内的薄荷制造的零件。通过此目标达到，已显示清晰的图片，应考虑气动轻量级机器人的组件，以考虑添加剂制造，并需要进一步研究。该项目中获得的经验和数据可以为气动机电系统的早期测试构建功能原型。
一个即将进行的研究项目将包括各种添加剂和传统技术的比较，用于制造结构轻量化部件和几何形状复杂的阀门模块。在未来，模拟驱动的设计框架可能允许开发“定制机器人”。在这种新型的加法制造机器人中，轻量化结构和驱动系统将专门为每个客户的应用设计。
体验定制机器人的愿景formnext 2019。
Gabriel Dämmer是费斯托和约翰尼斯开普勒大学聚合物产品工程研究所的研究员，专注于打印聚合物结构的模拟驱动设计。在学习期间，Gabriel专注于聚合物技术和产品开发，拥有德国Esslingen应用科学大学和斯图加特大学的机械工程学位。在欧盟资助的DIMAP项目(2015-2018)期间，Gabriel负责PolyJet-printed轻型机器人的机械设计和开发。目前，他正在与他的同事一起研究新型打印气动执行器和功能集成的轻量化结构。
[1]DIMAP项目是685937赠款协议下地平线2020研究和创新框架计划的一部分。2015年至2018年开展项目工作。
［２］cirp GmbH是一家Römerstraße 8, 71296，德国海姆斯海姆。www.cirp.de
