MODULE M4 · 15.0 HOURS

3D 打印及零部件加工

已完成 0%

LEARNING OBJECTIVES

本模块目标

  1. 理解使用碳纤维增强 PC 线材(PC-CF)进行零部件制作及优化打印设置。
  2. 掌握热熔嵌件(Heat-set insert)及滑动轴承的精密组装公差管理。
  3. 理解用于肌腱驱动机制的 Dyneema 线处理方法及绞盘设计结构。
  4. 掌握确保机器人结构件尺寸稳定性与刚性的加工及锁紧技术。

3D 打印及零部件加工理论

碳纤维增强工程材料 (PC-CF)

PC(Polycarbonate)具有优异的刚性和耐热性，添加碳纤维的 PC-CF 线材可最大化刚性，适合制作结构件 [S19]。但由于碳纤维的磨损性，必须使用硬化钢喷嘴 [S19]，且需要 285°C 左右的高温打印 [S19]。

精密组装用的嵌件及锁紧

为使塑料打印件能够反复拆装，使用热熔螺纹嵌件 [S21]。对于 M3 嵌件，必须在 CAD 设计阶段预先布置 4.0mm 直径的引孔，以确保精准定位 [S21]。此外，免润滑聚合物滑动轴承(iglide J)在与 8mm 铝轴组装时，其设计旨在压入后内径具有最佳游隙 [S17]，因此轴径 8mm 的公差管理至关重要 [S17, S18]。

肌腱驱动结构

Dyneema SK78 纤维在 1.5mm 直径下具有 230 daN 的高断裂载荷和低于 1% 的伸长率 [S16]，是钢缆的优良替代品。由于肌腱在旋转轴处反复弯曲，设计圆角化的绞盘边缘以防止摩擦导致的断裂结构非常重要。

WORKED EXAMPLES

讲解示例

  1. 示例 1: PC-CF 线材喷嘴选择 - 考虑到碳纤维的高磨损性，Brass(黄铜)喷嘴会快速磨损导致打印质量下降和堵头，因此确认必须选择硬化钢(Hardened steel)喷嘴 [S19]。
  2. 示例 2: 嵌件孔设计 - Accu HTBI-M3-BR 嵌件外径为 4.4mm，但官方建议孔径为 4.0mm [S21]，因此 CAD 设计时将孔径固定为 4.0mm，使塑料在热熔时能充分嵌入嵌件滚花(knurling)之间 [S21]。

LAB PROTOCOL

手指结构件制作与组装实习

  1. 1

    设定配备硬化钢喷嘴的 FDM 3D 打印机打印碳纤维 PC 线材的环境 [S19]。

  2. 2

    手指连杆和手掌框架打印完成后，去除支撑并整理表面。

  3. 3

    利用热工具将热熔嵌件垂直安放在 4.0mm 引孔内 [S21]。

  4. 4

    按轴承规格切割 IGUS 精密铝轴并对端部倒角 [S18]。

  5. 5

    滑动轴承压入外壳后插入轴，确认游隙 [S17]。

  6. 6

    使用 M3 帽螺钉锁紧结构件及传感器支架 [S20]。

安全检查
  • 注意高温喷嘴(285°C)及平台(110°C)导致的烫伤风险 [S19]。
  • 打印件后处理及倒角作业时必须佩戴护目镜。
  • 热熔嵌件加热时可能会产生烟雾，应开启通风设备。
  • 通电前确认所有机械锁紧状态。

实验提交物

  • 制作完成的 5 仿生机器人手结构件（连杆、手掌）。
  • 热熔嵌件垂直度及轴承游隙测量记录。
  • 最终锁紧部位目视检查完成报告。

ASSIGNMENT

机器人手制作精度验证

提交物

评分标准

  • 热熔嵌件是否垂直安装（优/良/差）
  • 轴-轴承组装后是否旋转运动顺畅（合格/不合格）
  • 是否遵守 BOM 中明确的零件额定值及型号规格 [B10, B11, B12, B13, B14]

KNOWLEDGE CHECK

理解检查

1使用 PC-CF 线材时必须使用硬化钢喷嘴的主要原因是？
2使用 M3 热熔嵌件(Accu HTBI-M3-BR)时建议的引孔直径是？

FIELD CHECK

完成标准

  • 所有结构件均通过 FDM 3D 打印完成制作 [B10]
  • 热熔嵌件准确安装在所有指定孔位 [B14]
  • 铝轴与滑动轴承的组装游隙满足标准 [B11, B12]
  • 锁紧时正确使用了指定的 M3 规格帽螺钉 [B13]

MODULE SOURCES

本模块参考资料

  1. Prusament PC Blend Carbon Fiberprusa3d.com · technical_documentation
  2. M3 Heat-Fix Threaded Inserts HTBI-M3-BRaccu-components.com · datasheet
  3. iglide J JSM-0810-10 Sleeve Bearingigus.com · technical_documentation
  4. drylin R Metric Aluminum Precision Shaft AWMPigus.com · technical_documentation
  5. D-Pro 1.5 mmliros.com · technical_documentation
  6. Socket Head Cap Screws Technical Datain.misumi-ec.com · technical_documentation