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用于交互式电磁设备的3D打印机

会议文件(PDF)·2016年10月

DOI: 10.1145/2984511.2984523

摘要

用于交互式电磁设备的3D打印机

彭怀书1，2

弗朗索瓦1，2

詹姆斯麦肯1

斯科特E.哈德森1，3

迪士尼研究匹兹堡1

宾夕法尼亚州匹兹堡15213

jmccann@disneyresearch.com

计算与信息科学2

康奈尔大学

伊萨卡，纽约州14850

{hp356，fvg3} @ cornell.edu

HCI研究所3

卡内基·梅隆大学

宾夕法尼亚州匹兹堡15213

scott.hudson@cs.cmu.edu

图1. 3D打印的电磁设备。 a）用于驱动猫手的线圈; b）铁磁流体显示器; c）显示耦合强度的运动传感器; d）磁阻电动机的定子和转子、打印机使用的其他电磁元件（软铁芯和缠绕到位的多层铜线）。

摘要

我们推出了一种新型的低成本3D打印机，用于打印适用缠绕线圈成型的交互式机电物件。该打印机的核心是运用五自由度（5DOF）沉积线机制的熔融沉积建模（FDM）3D打印机。铜线可以与这种机构共同组成线圈，当电流通过它们时，线圈会产生磁场。软铁线还可以用来制成高磁导率部件来辅助磁场成形并引导磁场到需要位置。当使用结构性塑料元件进行制造时，这允许3D打印出简单但完整的定制电磁装置。作为示例，我们演示了用于幸运猫塑像猫臂的线圈执行机构、6极电机步进定子、磁阻电机转子和铁磁流体显示器的制造。另外，我们展示了如何将印刷线圈响应用户动作产生的小电流用于交互设备中的输入传感器。

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UIST #39;16, October 16 - 19, 2016, Tokyo, Japan

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ACM.

ACM 978-1-4503-4189-9/16/10 $15.00

DOI: http://dx.doi.org/10.1145/2984511.2984523

作者关键词

3D打印;计算工艺;电磁铁;快速原型制作;互动设备;制造。

ACM分类关键词

H.5.m.信息接口和演示（例如HCI）：杂项

引子

3D打印技术已经实现了将简单3D结构打印成多功能和可交互对象。最近的工作是考虑如何制作一系列功能物体，包括3D打印光学元件[30]，扬声器[11]，液压机器人[14]和用于触觉反馈的气动装置[28]。几个项目还在探索通过使用可导电的纤维、墨水或织物，在印刷物体内嵌入三维导电迹线以创建简单的电子设备[24,29,17] ]。它最终将使3D打印高度定制的交互式设备成为可能，并极大地扩展了我们快速制作复杂原型设备的能力。然而，到目前为止，我们还没能直接制造大多数需要执行器的功能设备，而是需要将预先制造的部件组装或添加到打印件中。在本文中，我们介绍了一种新型的3D打印机可以打印带有嵌入式电磁线圈组件的交互式物体，如图1所示，包括用于小幸运猫塑像臂的电磁线圈执行器（图1a），铁磁流体显示器（图1b），电磁输入传感器（图1c） ），以及电动机定子和转子（图1d）。线圈已被广泛用作将电流转换为磁场的基本部件以便施加力并根据需要产生机械运动。将电磁元件直接构建到3D打印物体中，将使我们更接近Willis等人提出的完全打印一次性交互式物体的愿景。 [30]。然而，电磁线圈的生产需要非常高导电率的材料（最通常由长股金属线提供），其可以密集布置并且配置许多转向，以及复杂的3D布线布局，这些布局在几乎所有3D打印步骤中都不容易与层结合。我们的打印机设计通过在3D打印对象内部跨越打印层嵌入连续的线束来克服这些困难。可以（部分）首先创建由传统印刷塑料组成的结构部件。利用我们打印机的5DOF特性，可以在这些部件周围放置布线（包括线圈）。最后，可以继续后续的传统塑料印刷（可能需要再次使用我们的打印机的5DOF功能以便删除）。

一般的FDM印刷有着“仅水平层”的限制。为了处理制造中作为添加材料的线材，我们开发了一种定制印刷头（如图2所示），带有两个送丝机，可围绕中心的传统FDM长丝挤出机尖端无限制旋转。送丝机可将导线送入挤出机尖端的中心，可切割导线，并在印刷过程中根据需要重新输送新的导线段。为了制作简单的线圈，打印头用挤压的线材来固定线的起点，然后围绕已经印刷的卷绕夹具进行圆周运动以形成3D线圈。为了增强磁场，第二个送丝机可以先铺设高磁导率的软铁丝作为缠绕在其上的线圈的磁芯。为了扩大卷绕的灵活性，我们将打印头安装到五自由度（5DOF）打印机[18]上，这使我们能够在各种位置和方向上进行卷绕，并允许在线圈创建后进行FDM打印。在下面的资料中，我们详细介绍了我们的打印机设计以及我们对打印机打印机电物体的探索。我们展示了使用我们的打印机打印的几个交互式示例，并为这种新型3D打印技术提供了设计指南。

相关技术

我们的工作建立在功能性物体制造工艺的基础上，并在3D打印中嵌入了布线技术。

功能对象的制作

多功能和可交互对象的制作是最近出现的研究领域。该项目的一种方法是在印刷物体内嵌入现成的传感器。 Savage等[22]展示了如何通过嵌入相机识别输入组件的运动并将其交互到3D打印对象的快速原型制作中。胡克等[10]使用无线加速度计将功能映射到3D打印的箱子。RevoMaker [8]允许用户在盒子内插入预制电路然后在它们周围打印，而Makers#39;Marks [23]允许识别放置在由例如模塑粘土制成的物理模型表面上的标记和标签，以及它们的翻译在相应的3D可打印模型上安装传感器和电子设备所需的几何形状。创建交互式对象的另一种方法是在打印过程中（主要）包括传感和致动部件的制造。研究人员已经研究过打印交互式物体，例如印刷发光管[30]，扬声器[11]，气动控制[28]，液压机器人[14]和电容式传感器[24]。通过使用导电油墨印刷电迹线以及嵌入电子元件（如现成的电机），Voxel8 [29]已经实现印刷较复杂的功能性物体如无人机。

图2.打印头设计概述。 a）打印头包括一对由电机驱动的电线输送机构和旋转切割机构。 b）这对送丝机安装在以传统FDM挤出机为中心的旋转滑环上。

我们对打印交互式对象的贡献是一种新型3D打印机，能够打印电磁元件 - 能够在指定的3D几何体内产生由电流控制的动态可变磁场的结构。这允许我们在潜在的单片印刷物体内创建可编程的机械运动。

定制线圈和布线路径的制作

由于线圈是非常常见的电气元件，因此主轴驱动的线圈绕线机已在制造业和消费市场中广泛使用。这些线圈绕线器可以制造高质量的线圈，但也只能用于这个目的。最近在3D打印领域，人们开始探索将线材插入3D打印的几何体的不同方法，从而可以在原地创建各种线圈。 Kim 等[12]显示了使用超声波焊接将导线连接到FDM制造部件表面的早期结果。 Bayless等[2]探讨了使用自动铅笔的机制嵌入线材来进行有限的早期印刷。 Bas等[4]使用旋转环来定向线材和挤出的长丝作为涂层和线材的粘合方法，并且示出了单层布线印刷的实例。Skylar-Scott[26]介绍了一种在空中印刷金属线的技术，以创建微尺度的螺旋弹簧等结构。最后，Saari等[21]展示了一种将线材嵌入3D打印物体中的技术，其中挤出的细丝作为封装。实现了高分辨率的打印，但是卷绕方向被限制为始终保持垂直，而且没有自动进给和切割机构。除了支持任意线圈方向，我们的方法使用绝缘线，并可以原位进给和切割。这使我们的打印机能够实现高密度线圈而不必担心绝缘问题。此外，我们的打印机可以生产一种更高效的软铁芯线圈。

混合FDM / WIRE打印机

嵌入线圈不同于在平面中铺设线材，因为线材需要成型为一系列彼此非常靠近的同心环。例如，电动机中的线圈通常由一根连续导线形成数百个同心圆制成，圆与圆之间尽可能彼此靠近，其间有绝缘层隔离。为了支持在3D模型内缠绕密集线圈，我们使用绝缘细磁线作为我们的卷材。使用绝缘线的好处是不需要为线圈的每一圈打印绝缘层，这简化了卷绕机构并允许我们以非常高的密度印刷线圈。使用砂纸打磨后，可以很容易地去除导线周围的绝缘涂层。卷绕过程可分为两个主要步骤：印刷卷绕线圈的夹具以及卷绕线材。该卷绕夹具是3D打印结构，用作线圈的结构支撑。可以使用传统的FDM印刷工艺完成该夹具的印刷。在打印夹具之后，机器可以绕夹具绕线。绝缘线通过送丝机输送到打印头的中心。送丝机组件可围绕挤出机中心自由旋转（没有这种旋转，导线会扭曲并最终断裂）。通过对打印头进行编程以围绕打印的夹具移动并使送丝器相应地旋转，导线可以自然地卷绕到打印的物体上。

几乎所有的3D打印机都以分层的方式工作，只有三个自由度，一次仅在一个水平层中存放材料。然而，因为由线圈产生的磁场可能需要在特定方向上取向，所以仅在一个方向上（例如，仅在垂直方向上）印刷线圈将显着地限制可以印刷的电磁结构。为了避免这种限制，我们的打印头放置在5DOF FDM打印机[18]中，允许添加各种方向的材料，一次不限于单个水平平面。此功能允许我们在各种位置和方向上打印线圈。

另外，使用5DOF印刷平台使得可以以与线圈正交的方向放置第二类型的线。我们可以利用这种能力在线圈内部形成高磁导率材料的芯（在我们的例子中是软铁线）。具有高渗透性的材料比低渗透性材料（例如空气或塑料）更容易在其中形成磁场。因此，高磁导率材料将引导磁通线在材料本身内，因此能够以有效的方式引导和集中由线圈产生的磁场。

打印头设计

图2a显示了打印头设计。设计的核心是一个六导体滑环连接器[27]，用于向旋转送丝头供电和传输数据。这样可以在顶部连接一个双线材导轨，在底部连接一个现成的线材加热机挤出端，还可以提供支架连接送丝机的平台和侧面的热端冷却风扇。滑环还提供动力以在旋转时控制送丝机。滑环具有12.7mm的内孔和56mm直径的外圈。内孔提供内部通道以引导整个打印头组件的顶部和底部之间的非旋转部件，包括塑料细丝，热端温度传感器线和加热盒电缆。外环与一对送丝器和热端冷却风扇一起形成可旋转部件。它们可以自由地连续旋转到打印头中心线同心。旋转由小型步进电机驱动，该电机位于打印头上部的线材导向器旁边。步进器的轴与外圈裙部处的3D打印的50齿环形齿轮配合以驱动旋转运动层。

送丝机设计

每个送丝机（图2b）是一个35times;50times;120mm的模块，安装在外滑环一侧，角度为45度，朝向挤出机尖端的中心。从上到下，送丝机包括一个线轴，一对夹送辊，一个带有对应圆柱形惰轮的旋转刀具，以及一个100毫米的导线导向器，铜导管的末端朝向挤出机尖端的中心。引导结构放置在线轴和压紧辊的上部之间，以及压紧辊的底部和线切割器之间。线轴上的导线通过管道结构向下传送到导线器的末端。一对13mm直径的夹送辊用于主动和被动地输送电线。两个夹送辊安装在一个小型单向离合器[9]上，由1000：1微型齿轮电机[1]驱动。单向离合器允许压紧辊在一个方向上被动地旋转但不在相反方向上。因此，当需要被动地输送线时，齿轮马达停止，使得线可以在两个辊之间滑动。当系统需要主动驱动电线时，齿轮电机被激活。

在这对夹送辊下面是旋转线切割器及其配对辊。旋转线切割机以紧凑的外形实现线引导和线切割。这是通过水滴形状实现的，其一端由13.5times;7mm的叶片制成，并且在形状的一侧具有引导半部。该组件安装在带有轴编码器[16]的1000：1齿轮电机[1]上。旋转刀具可以旋转360度。在线材卷绕过程中，切割器定位时切割刀片指向顶部（图3a），允许线材自由移动通过引导侧并经过配对夹送辊。为了切割，旋转刀具朝向辊子旋转（旋转360度）。由于切割刀片具有较长的半径，当它切割到压紧辊时，它会将导线压在压辊上，然后切割它（图3b）。高比率齿轮马达的强大扭矩确保切割器在通过对应辊时不会卡住。

在旋转切割器之后是导丝管。金属丝将通过管子朝向挤出机尖端的中心输送。这允许电线始终通过挤出机尖端。

送丝机设计用于与市场上常见的细线配合。具体来说，我们使用的铜线为30 AWG，软铁线为32 AWG。注意，可以通过改变线引导直径和相应的夹送辊之间的距离来卷绕其他厚度（即26AWG或34AWG）。

图3.切割机工作

硬件控制器

使用与[18]中描述的打印机相同的机制，打印机控制器的核心是Beagle Bone Black [3]，带有CRAMPS 2.0 cape模块[5]。但是，为了支持驱动送丝机运动所需的附加步进电机，我们在斗篷顶部添加了一个CRAMPS3附加装置[6]，同时支持最多9个步进电机运动控制。两个送丝机的齿轮电机直接由旋转组件内的微控制器控制，该控制器通过滑环数据线接收来自Beagle Bone Black主板的控制信号。

印刷线圈

在本节中，我们将介绍在垂直方向上打印基本圆柱形线圈所需的步骤（相对于打印头，但不一定相对于打印部件）。这用作打印交互式机电物体的基本构件。

打印空气线圈

锚

资料编号：[5288]