MODULE M4 · 15.0 HOURS

3D 列印與零件加工

已完成 0%

LEARNING OBJECTIVES

本模組目標

  1. 理解使用碳纖維強化 PC 線材 (PC-CF) 進行零件製作與最佳化列印設定。
  2. 習得熱壓入嵌件 (Heat-set insert) 與套筒軸承的精密組裝公差管理。
  3. 理解用於肌腱驅動機制的 Dyneema 線材處理與絞盤設計結構。
  4. 熟練確保機器人結構尺寸穩定性與剛性的加工與緊固技術。

3D 列印與零件加工理論

碳纖維強化工程材料 (PC-CF)

PC (Polycarbonate) 具備優異的剛性與耐熱性，添加碳纖維後的 PC-CF 線材更能將剛性最大化，適合製作結構用零件 [S19]。然而，由於碳纖維的磨蝕性，務必使用硬化鋼噴嘴 [S19]，且需在 285°C 左右的高溫下輸出 [S19]。

為了精密組裝的嵌件與緊固

為了讓塑膠輸出件能進行重複的組裝與拆卸，採用熱壓入螺紋嵌件 [S21]。針對 M3 嵌件，CAD 設計時需預留 4.0mm 直徑的導引孔，以確保安放於精確位置 [S21]。此外，免潤滑聚合物套筒軸承 (iglide J) 與 8mm 鋁合金軸組裝時，壓入後內徑需達到最佳間隙，且與軸徑 8mm 的公差管理至關重要 [S17, S18]。

肌腱驅動結構

Dyneema SK78 纖維在直徑 1.5mm 時具有 230 daN 的高斷裂負載與低於 1% 的延伸率 [S16]，是鋼纜的優質替代品。由於肌腱在旋轉軸上會反覆彎曲，絞盤邊緣需進行圓角處理，以防止因摩擦導致斷裂的結構設計至關重要。

WORKED EXAMPLES

講解範例

  1. 範例 1：PC-CF 線材噴嘴選擇 - 考量碳纖維的高磨蝕性，Brass (黃銅) 噴嘴會迅速磨損導致輸出品質下降與噴嘴阻塞，因此必須確認選用硬化鋼 (Hardened steel) 噴嘴 [S19]。
  2. 範例 2：嵌件孔設計 - Accu HTBI-M3-BR 嵌件外徑為 4.4mm，但官方推薦孔徑為 4.0mm [S21]，故 CAD 設計時將孔徑固定為 4.0mm，以利熱壓入時塑膠能充分滲入嵌件紋路 (knurling) [S21]。

LAB PROTOCOL

手指結構製作與組裝實習

  1. 1

    設定配備硬化鋼噴嘴的 FDM 3D 列印機進行碳纖維 PC 線材列印環境 [S19]。

  2. 2

    輸出手指連桿與手掌框架後，進行支撐去除與表面整理。

  3. 3

    使用熱工具將熱壓入嵌件垂直安放於 4.0mm 導引孔 [S21]。

  4. 4

    依照軸承規格切割 IGUS 精密鋁合金軸並進行末端倒角 [S18]。

  5. 5

    將套筒軸承壓入殼體後，插入軸以確認間隙 [S17]。

  6. 6

    使用 M3 帽頭螺絲鎖固結構件與感測器支架 [S20]。

安全檢查
  • 注意高溫噴嘴 (285°C) 與底板 (110°C) 造成的燙傷風險 [S19]。
  • 進行輸出件後加工與倒角時，務必佩戴防護眼鏡。
  • 嵌件加熱時可能產生煙霧，請啟動通風設備。
  • 通電前請確認所有機械緊固狀態。

實驗繳交成果

  • 製作完成的 5 機器手結構件（連桿、手掌）。
  • 熱壓入嵌件垂直度與軸承間隙測量紀錄。
  • 最終緊固部位肉眼檢測完成報告。

ASSIGNMENT

機器手製作精度驗證

繳交成果

評分標準

  • 熱壓入嵌件是否垂直安放（優/良/差）
  • 軸-軸承組裝後是否能平順旋轉（合格/不合格）
  • 是否遵守 BOM 表中所列零件額定與型號規格 [B10, B11, B12, B13, B14]

KNOWLEDGE CHECK

理解檢查

1使用 PC-CF 線材時，必須使用硬化鋼噴嘴的主要原因為何？
2使用 M3 熱壓入嵌件 (Accu HTBI-M3-BR) 時，推薦的導引孔直徑為何？

FIELD CHECK

完成標準

  • 所有結構零件皆已使用 FDM 3D 列印機製作完成 [B10]
  • 熱壓入嵌件皆準確安放於所有指定孔位 [B14]
  • 鋁合金軸與套筒軸承的組裝間隙符合基準值 [B11, B12]
  • 緊固時正確使用了 BOM 規定的 M3 帽頭螺絲 [B13]

MODULE SOURCES

本模組參考資料

  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