Lorsque FormFutura m’a demandé de tester son filament composite CarbonFil, j’ai d’abord eu des doutes. J’étais à peu près sûr que je n’imprimerais pas d’autres choses vraiment inutiles comme le Charmander lo-poly ou le support pour GPS. Je connaissais les propriétés techniques uniques du matériau et je voulais vraiment le tester sur une application automobile réelle. J’ai d’abord contacté l’équipe locale de course Formula Student, mais par une série d’événements magiques, j’ai été surpris par le club scientifique des étudiants d’AGH Space Systems. Après un brainstorming, nous avons décidé de concevoir et de créer un système de propulsion innovant imprimé en 3D pour leur rover martien Kalman.
FormFutura a fourni tout le filament nécessaire pour les tests et l’impression finale du jeu de jantes en composite. Ce résumé couvre un travail de cinq mois de tests, de modifications de la conception, de prototypage, d’impression 3D et d’assemblage. Tous les travaux de conception et de prototypage du module de propulsion du rover Kalman ont été réalisés par Andrzej Zakręcki (AGH Space Systems) et Bart Gaczorek (PLM Solutions).
Avant de commencer, je dois dire que CarbonFil est le meilleur matériau adhésif que j’ai jamais utilisé. Non seulement en matériaux composites, mais aussi en tous matériaux, y compris les PLA ou TPU/TPE modernes et anciens. Il adhère incroyablement bien au ruban Kapton chaud recouvert d’une fine couche de colle UHU, mais toutes les impressions sont très faciles à retirer de la plate-forme de construction et à nettoyer des structures de support mineures. J’ai utilisé des bordures de plus de 10 mm pour toutes les impressions et je n’ai jamais rencontré de problèmes de déformation.
Mais venons-en aux roues… L’objectif de ce projet était de concevoir et de prototyper un système de propulsion rigide, durable et léger pour le robot rover construit par les étudiants. Le problème commun de la compétition de l’année dernière était l’adhérence sur des terrains variés. Les roues d’origine des voitures RC perdaient complètement leur adhérence sur le sable du désert et les pierres glissantes. De plus, ils sont lourds et chaque gramme de cargaison spatiale coûte une petite fortune – réduire le poids permet de réaliser des économies considérables lors des missions réelles.
Nous avons décidé d’utiliser le concept de pneu sans air dérivé des applications militaires et de placer le moteur à couple élevé directement à l’intérieur de la jante légère en carbone.
Matériaux d’essai
Nous avons commencé par tester les matériaux. L’objectif des essais était d’obtenir des valeurs de déformation structurelle et de contrainte statique et de les utiliser pour dénombrer le module de Young qui est utilisé pour calculer la résistance de la pièce par la méthode des éléments finis. J’ai imprimé près de 150 échantillons dans deux orientations de couche et deux densités de remplissage (50 % et 100 %) qui sont nés pour mourir dans les tortures des tests d’écrasement, de pliage et d’étirement sur un équipement métrique universitaire de première qualité. Même si les valeurs des résultats des tests sont inférieures à celles du fournisseur de résine, elles restent supérieures à ce que nous attendions.
Le résumé complet du test sera disponible sous peu.
Je dois avouer que je considérais les filaments d’impression 3D remplis de particules de carbone comme un produit d’appel et que je m’attendais à un gain de rigidité plutôt que de résistance. Je me suis trompé, mais la réalité est bien plus complexe.
Nous avons effectué des tests avec des verres HD simples et ce sont ces tests qui ont été les plus intéressants. CarbonFil était plus léger dans tous les cas, ce qui est évident. Il était également plus rigide et plus fort à la flexion et à l’étirement, mais étonnamment plus faible à la compression ! Veillez donc à l’orientation de votre couche, car elle est plus importante que jamais ! Il est en effet plus sensible à la pression que le HDglass, ce qui peut être observé lors du nettoyage et de l’usinage de la pièce finale. Cependant, en suivant les lignes directrices de la conception, le résultat a été des pièces extrêmement durables !
Pour accélérer le processus de conception et nous donner plus de liberté, j’ai créé un algorithme paramétrique pour le remplissage des pneus. qui est affichée à droite. J’ai utilisé Rhinoceros 3D avec le plugin Grasshopper. La densité et l’orientation du nid d’abeilles ainsi que l’épaisseur des parois peuvent être modifiées à l’aide de quelques curseurs seulement. Grâce à lui, nous avons pu tester l’élasticité de différents échantillons et choisir le meilleur.
Structure de la jante lors de l’impression en HDglass pour une meilleure visibilité
Pour la jante, j’ai choisi un remplissage en treillis généré dans Meshmixer. Le poids et la densité du remplissage sont basés sur les résultats des tests de matériaux. J’ai imprimé la jante sur une buse en acier trempé de 0,8 mm. La précision et le contrôle de la rétraction étaient à peine suffisants, mais le temps d’impression a considérablement diminué. Le CarbonFill a tendance à coller à la buse et j’ai dû interrompre l’impression et retirer manuellement la “boule noire” de temps en temps. C’est le seul défaut remarqué du matériau, sinon les impressions sont assez faciles.
Les résultats ont été satisfaisants. Le tableau ci-dessous compare les anciens et les nouveaux jeux de roues :
| Ancien jeu | Nouvel ensemble | |
| Poids de la jante | 350 g | 300 g |
| Poids du moteur | 1 800 g | 800 g |
| Poids des pneus | 250 g | 700 g |
| Poids total | 2 400 g | 1800 g |
| Largeur de contact du pneu | 90 mm | 150 mm |
Il semble que si nous avions associé le nouveau moteur à l’ancienne roue, c’est nous qui aurions pris le plus de poids. Nous avons obtenu ces deux résultats en élargissant la roue et en insérant le moteur à l’intérieur. Une meilleure conception des roues permet d’utiliser des moteurs plus petits, de sorte que la réduction du poids découle directement du choix des matériaux et des propriétés des pièces. En fait, nous économiserions près de 2,8 millions de dollars sur l’envoi de rovers sur la Lune*, sans parler de Mars !
Travailler sur ce projet a été une expérience fantastique qui a prouvé que les filaments composites ne sont pas de vains mots. Enfin, c’était l’occasion de créer quelque chose d’important, qui ne peut pas être créé sans l’aide de l’impression 3D. Cette technologie perturbatrice a changé la façon dont nous créons les choses, et maintenant elle change lentement la façon dont nous les concevons. Il est certain que l’impression 3D et la conception générative sont l’un des éléments de base de la réussite des missions vers Mars.
En résumé, voici quelques impressions rapides sur CarbonFill :
- Rétrécissement très faible par rapport aux filaments de carbone à base de nylon. Adhésion étonnamment bonne aux plates-formes de construction et retrait encore meilleur.
- La rétractation devrait être plus longue.
- Il se comporte comme s’il gonflait – il est visible que le filament se rétrécit de quelques millimètres après la buse – multiplicateur de débit aussi bas que 90-92%.
- Il forme des résidus sur la buse pendant l’impression (très collants). Lorsqu’un blob particulièrement important se détache lors de l’impression, cela peut entraîner une défaillance de l’impression due à une perte de pas ou à un décalage entre la plate-forme et la buse.
*Estimation basée sur les tarifs réels d’Astrobotic https://www.astrobotic.com/
A propos des auteurs :
Bartłomiej Gaczorek
Essais de matériaux et modèles solides par Andrzej Zakręcki
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