Als ich von FormFutura gefragt wurde, ob ich ihr CarbonFil Komposit-Filament testen möchte, war ich zunächst ziemlich skeptisch. Ich war mir ziemlich sicher, dass ich nicht noch so ein Ding wie Lo-Poly Charmander oder Halter für GPS drucken würde. Ich war mir der einzigartigen technischen Eigenschaften des Materials bewusst und wollte es unbedingt in einer echten Automobilanwendung testen. Zunächst wandte ich mich an das örtliche Formula-Student-Rennteam, aber durch eine Reihe magischer Ereignisse wurde ich überraschenderweise vom wissenschaftlichen Studentenclub AGH Space Systems angesprochen. Nach einem Brainstorming beschlossen wir, ein innovatives 3D-gedrucktes Antriebssystem für ihren Marsrover Kalman zu entwerfen und zu erstellen.
FormFutura stellte alle notwendigen Filamente für die Tests und den endgültigen Druck des Komposit-Felgensatzes zur Verfügung. Diese Zusammenfassung umfasst eine fünfmonatige Arbeit mit Tests, Designänderungen, Prototyping, 3D-Druck und Zusammenbau. Alle Entwürfe und Prototypen des Kalman-Rover-Antriebsmoduls wurden von Andrzej Zakręcki (AGH Space Systems) und Bart Gaczorek (PLM Solutions) entwickelt.
Bevor ich beginne, muss ich sagen, dass CarbonFil das beste Klebematerial ist, das ich je verwendet habe. Nicht nur aus Verbundwerkstoffen, sondern aus allen Materialien, einschließlich modernem und altmodischem PLA oder TPU/TPE. Es haftet unglaublich gut auf warmem Kapton-Tape, das mit einer dünnen Schicht UHU-Kleber bedeckt ist, und dennoch lassen sich alle Drucke super einfach von der Bauplattform entfernen und von kleineren Stützstrukturen reinigen. Ich habe für alle Drucke große Ränder von 10 mm und mehr verwendet, und ich hatte nie Probleme mit Verformungen.
Aber nun zu den Rädern… Ziel dieses Projekts war es, ein steifes, haltbares und leichtes Antriebssystem für einen von Schülern gebauten Rover-Roboter zu entwerfen und zu prototypisieren. Ein häufiges Problem bei den letztjährigen Wettbewerben war der Grip auf unterschiedlichem Terrain. Serienmäßige RC-Car-Räder verlieren auf Wüstensand und rutschigen Steinen völlig die Bodenhaftung. Außerdem sind sie schwer, und jedes einzelne Gramm Weltraumfracht kostet ein kleines Vermögen – ein geringeres Gewicht bedeutet bei echten Missionen enorme Einsparungen.
Wir haben uns für ein luftloses Reifendesign entschieden, das von militärischen Anwendungen abgeleitet ist, und den drehmomentstarken Motor direkt in die leichte Carbonfelge eingebaut.
Prüfung von Materialien
Wir begannen mit Tests an Materialien. Ziel der Tests war es, Werte für strukturelles Knicken und statische Spannungen zu ermitteln und sie zur Aufzählung des Young’schen Moduls zu verwenden, das zur Berechnung der Bauteilfestigkeit durch die Finite-Elemente-Methode verwendet wird. Ich habe fast 150 Muster in zwei Lagenausrichtungen und zwei Fülldichten (50 % und 100 %) gedruckt, die in Quetsch-, Biege- und Dehnversuchen auf hochwertigen metrischen Universitätsgeräten zum Sterben gebracht wurden. Auch wenn die Werte der Testergebnisse niedriger sind als die des Harzanbieters, so sind sie doch höher als erwartet.
Eine vollständige Zusammenfassung des Tests wird in Kürze verfügbar sein.
Ich muss gestehen, dass ich mit Kohlenstoffpartikeln gefüllte 3D-Druckfilamente als einen Hype betrachtet habe und eher einen Gewinn an Steifigkeit als an Festigkeit erwartet habe. Ich habe mich geirrt, aber auch hier ist die Realität viel komplizierter.
Wir haben einige Tests mit einfachem HDglass durchgeführt, und diese waren am interessantesten. CarbonFil war in jedem Fall leichter, was offensichtlich ist. Es war auch steifer und stärker beim Biegen und Strecken, aber überraschenderweise schwächer beim Quetschen! Achten Sie also auf Ihre Schichtorientierung, denn sie ist wichtiger denn je! Es ist in der Tat anfälliger für Druck als HDglass, was bei der Reinigung und Bearbeitung des fertigen Teils beobachtet werden kann. Wenn man sich jedoch an die Konstruktionsrichtlinien hält, erhält man extrem haltbare Teile!
Um den Entwurfsprozess zu beschleunigen und uns mehr Freiheit zu geben, habe ich einen parametrischen Algorithmus für Reifenfüllungen entwickelt. Diese wird auf der rechten Seite angezeigt. Ich habe Rhinoceros 3D mit Grasshopper-Plugin verwendet. Die Dichte und Ausrichtung der Waben sowie die Wandstärke können mit wenigen Schiebereglern verändert werden. Damit konnten wir die Elastizität verschiedener Proben testen und die beste auswählen.
Randstruktur beim Druck in HD-Glas für bessere Sichtbarkeit
Für den Rand wähle ich die in Meshmixer erzeugte Gitterfüllung. Das Gewicht und die Dichte der Füllung basieren auf den Ergebnissen von Materialtests. Ich habe die Felge auf eine Düse aus gehärtetem 0,8 mm Stahl gedruckt. Die Präzision und die Rückzugskontrolle waren gerade noch ausreichend, aber die Druckzeit hat sich deutlich verkürzt. CarbonFill neigt dazu, an der Düse zu kleben, und ich musste den Druck unterbrechen und den “Blackball” von Zeit zu Zeit manuell entfernen. Dies ist der einzige aufgefallene Makel des Materials, ansonsten ist der Druck recht einfach.
Die Ergebnisse waren gut. In der folgenden Tabelle werden alte und neue Radsätze miteinander verglichen:
| Alter Satz | Neues Set | |
| Gewicht der Felge | 350 g | 300 g |
| Gewicht des Motors | 1 800 g | 800 g |
| Gewicht des Reifens | 250 g | 700 g |
| Gesamtgewicht | 2 400 g | 1800 g |
| Reifenaufstandsbreite | 90 mm | 150 mm |
Es sieht so aus, als hätten wir am meisten an Gewicht zugelegt, wenn wir den neuen Motor mit dem alten Rad kombiniert hätten. Aber wir wollten nicht nur Gewicht einsparen, sondern auch die Bodenhaftung und die Fahreigenschaften verbessern; beides erreichten wir, indem wir das Rad verbreiterten und den Motor darin unterbrachten. Eine bessere Radkonstruktion ermöglicht den Einsatz kleinerer Motoren, so dass sich die Gewichtsreduzierung direkt aus den gewählten Materialien und Bauteileigenschaften ergibt. In der Tat würden wir fast 2,8 Mio. $ für die Entsendung von Rovern zum Mond* einsparen, ganz zu schweigen vom Mars!
Die Arbeit an diesem Projekt war eine fantastische Erfahrung, die bewiesen hat, dass Verbundwerkstoff-Filamente nicht nur ein leeres Gerücht sind. Schließlich war es eine Gelegenheit, etwas Wichtiges zu schaffen, das man ohne die Hilfe des 3D-Drucks nicht schaffen kann. Diese bahnbrechende Technologie hat die Art und Weise, wie wir Dinge herstellen, verändert, und nun verändert sie langsam auch die Art und Weise, wie wir sie gestalten. 3D-Druck und generatives Design sind mit Sicherheit eine der grundlegenden Komponenten für erfolgreiche Marsmissionen.
Zusammenfassend sind hier einige kurze Eindrücke über CarbonFill:
- Sehr geringe Schrumpfung im Vergleich zu Carbonfilamenten auf Nylonbasis – erstaunlich gute Haftung auf Bauplattformen und noch bessere Ablösbarkeit.
- Der Rückzug sollte länger sein.
- Es verhält sich so, als ob es quillt – es ist sichtbar, dass das Filament einige Millimeter nach der Düse schrumpft – Fließgeschwindigkeitsmultiplikator so niedrig wie 90-92%.
- Es bildet während des Drucks Rückstände auf der Düse (sehr klebrig). Wenn sich ein besonders großer Klecks während des Drucks ablöst, kann dies zu Druckfehlern führen, weil sich die Stufen oder die Plattform/Düsen verschieben.
*Schätzung auf der Grundlage der tatsächlichen Astrobotiktarife https://www.astrobotic.com/
Über die Autoren:
Bartłomiej Gaczorek
Materialtests und solide Modelle von Andrzej Zakręcki
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