Cuando FormFutura me pidió que probara su filamento compuesto CarbonFil, al principio tenía muchas dudas. Estaba bastante seguro de que no imprimiría otra cosa como Charmander lo-poly o un soporte para GPS. Conocía las propiedades técnicas únicas del material y tenía muchas ganas de probarlo en una aplicación automovilística real. Primero me puse en contacto con la escudería local Formula Student, pero en una serie de acontecimientos mágicos me sorprendió que el club científico de estudiantes AGH Space Systems se pusiera en contacto conmigo. Tras una tormenta de ideas, decidimos diseñar y crear un innovador sistema de propulsión impreso en 3D para su rover marciano Kalman.
FormFutura proporcionó todo el filamento necesario para las pruebas y la impresión final del juego de llantas de material compuesto. Este resumen abarca el trabajo realizado durante cinco meses de pruebas, cambios de diseño, creación de prototipos, impresión en 3D y montaje. Andrzej Zakręcki (AGH Space Systems) y Bart Gaczorek (PLM Solutions) realizaron todos los diseños y prototipos del módulo de propulsión del rover Kalman.
Antes de empezar, debo decir que CarbonFil es el mejor material adherente que he utilizado nunca. No sólo de materiales compuestos, sino de todos los materiales, incluidos los PLA o TPU/TPE modernos y de la vieja escuela. Se adhiere increíblemente bien a la cinta Kapton caliente cubierta con una fina capa de pegamento en barra UHU, sin embargo, todas las impresiones son súper fáciles de quitar de la plataforma de construcción y de limpiar de las estructuras de soporte menores. He utilizado un borde grande de más de 10 mm para todas las impresiones y nunca he tenido problemas de alabeo.
Pero pasemos a las ruedas… El objetivo de este proyecto era diseñar y crear un prototipo de sistema de propulsión rígido, duradero y ligero para un robot explorador construido por estudiantes. Un problema común durante la competición de los últimos años fue el agarre en terrenos diversos. Las ruedas de serie de los coches RC solían perder completamente la tracción sobre la arena del desierto y las piedras resbaladizas. Además, pesan mucho y cada gramo de carga espacial cuesta una pequeña fortuna: reducir el peso supone un enorme ahorro durante las misiones reales.
Decidimos utilizar el diseño de neumático sin aire derivado de las aplicaciones militares y colocar el motor de alto par directamente dentro de la ligera llanta de carbono.
Materiales de ensayo
Empezamos haciendo pruebas con materiales. El objetivo de los ensayos era obtener los valores de pandeo estructural y tensión estática y utilizarlos para enumerar el módulo de Young que se utiliza para calcular la resistencia de la pieza mediante el método de los elementos finitos. Imprimí casi 150 muestras con dos orientaciones de capa y dos densidades de relleno (50% y 100%) que nacieron para morir en torturas de pruebas de compresión, flexión y estiramiento en equipos métricos universitarios de primera calidad. Aunque los valores de los resultados de las pruebas son inferiores a los del proveedor de resina, siguen siendo superiores a lo que esperábamos.
El resumen completo de la prueba estará disponible en breve.
Debo confesar que estaba considerando a bombo y platillo los filamentos de impresión 3D rellenos de partículas de carbono y esperaba ganar más en rigidez que en resistencia. Me equivoqué, pero de nuevo la realidad es mucho más complicada.
Hicimos algunas pruebas contra HDglass simple y fueron las más interesantes. CarbonFil era más ligero en todos los casos, lo cual es obvio. También era más rígida y fuerte al doblarla y estirarla, pero sorprendentemente más débil al apretarla. Así que cuida la orientación de tus capas porque es más importante que nunca. En efecto, es más propenso a la presión que el HDglass, lo que puede observarse durante la limpieza y el mecanizado de la pieza final. Sin embargo, siguiendo las directrices de diseño, el resultado fueron piezas extremadamente duraderas.
Para acelerar el proceso de diseño y darnos más libertad, creé un algoritmo paramétrico para el relleno de neumáticos. Que se muestra a la derecha. He utilizado Rhinoceros 3D con el plugin Grasshopper. La densidad y la orientación del panal, así como el grosor de las paredes, pueden modificarse con unos pocos controles deslizantes. Gracias a él pudimos probar la elasticidad de algunas muestras diferentes y elegir la mejor.
Estructura del borde durante la impresión en HDglass para mejorar la visibilidad
Para la llanta elijo el relleno de celosía generado en Meshmixer. El peso y la densidad del relleno se basan en los resultados de los ensayos de materiales. Imprimí la llanta en una boquilla de acero endurecido de 0,8 mm. La precisión y el control de la retracción fueron apenas suficientes, pero el tiempo de impresión disminuyó significativamente. CarbonFill tiende a pegarse a la boquilla y tuve que pausar la impresión y quitar manualmente la “bola negra” de vez en cuando. Este es el único defecto apreciable del material, por lo demás se imprime con bastante facilidad.
Los resultados fueron agradables. En la tabla siguiente se comparan los juegos de ruedas antiguos y nuevos:
| Conjunto antiguo | Nuevo juego | |
| Peso de la llanta | 350 g | 300 g |
| Peso del motor | 1 800 g | 800 g |
| Peso del neumático | 250 g | 700 g |
| Peso total | 2 400 g | 1800 g |
| Anchura de contacto del neumático | 90 mm | 150 mm |
Parece que si hubiéramos emparejado el motor nuevo con la rueda vieja habríamos ganado en peso la mayoría. Pero no sólo buscábamos ahorrar peso, sino también agarre de la rueda y maniobrabilidad; conseguimos ambas cosas ensanchando la rueda e insertando el motor en su interior. Un mejor diseño de las ruedas permite utilizar motores más pequeños, por lo que la reducción de peso procede directamente de los materiales elegidos y de las propiedades de las piezas. De hecho, nos ahorraríamos casi 2,8 millones de dólares en enviar un rover a la Luna*, ¡por no hablar de Marte!
Trabajar en este proyecto ha sido una experiencia fantástica que ha demostrado que los filamentos compuestos no son pura palabrería. Por último, fue una oportunidad para crear algo importante, que no se puede crear sin la ayuda de la impresión 3D. Esta tecnología disruptiva ha cambiado la forma en que creamos las cosas, ahora cambia lentamente la forma en que las diseñamos. Sin duda, la impresión 3D y el diseño generativo son uno de los componentes básicos del éxito de las misiones a Marte.
En resumen, estas son algunas impresiones rápidas sobre CarbonFill:
- Muy baja contracción en comparación con los filamentos de carbono basados en nylon – sorprendentemente buena adhesión a las plataformas de construcción y aún mejor eliminación.
- La retracción debería ser más larga.
- Actúa como si se hinchara – es visible que el filamento se encoge unos milímetros después de la boquilla – multiplicador de caudal tan bajo como 90-92%.
- Forma residuos en la boquilla durante la impresión (muy pegajosos). Cuando una mancha especialmente grande se desprende en la impresión, podría causar un fallo de impresión debido a la pérdida de pasos o al desplazamiento de la plataforma/boquilla.
*Estimación basada en las tarifas reales de Astrobotic https://www.astrobotic.com/
Sobre los autores:
Bartłomiej Gaczorek
Ensayos de materiales y modelos sólidos por Andrzej Zakręcki
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