Il rover marziano CarbonFil – Di Bart Gaczorek

Quando FormFutura mi ha chiesto di testare il suo filamento composito CarbonFil, all’inizio ero piuttosto dubbioso. Ero abbastanza sicuro che non avrei stampato un’altra cosa da novanta, come Charmander lo-poly o il supporto per il GPS. Ero a conoscenza delle proprietà ingegneristiche uniche del materiale e volevo davvero testarlo su un’applicazione automobilistica reale. Ho contattato dapprima la squadra di Formula Student locale, ma in una serie di magici eventi sono stato sorprendentemente contattato dal club scientifico studentesco AGH Space Systems. Dopo un brainstorming abbiamo deciso di progettare e creare un innovativo sistema di propulsione stampato in 3D per il loro rover marziano Kalman.

FormFutura ha fornito tutti i filamenti necessari per i test e la stampa finale del set di cerchi in composito. Questo riassunto copre un lavoro di cinque mesi di test, modifiche al progetto, prototipazione, stampa 3D e assemblaggio. Tutti i progetti e i prototipi del modulo di propulsione del rover Kalman sono stati realizzati da Andrzej Zakręcki (AGH Space Systems) e Bart Gaczorek (PLM Solutions).

Prima di iniziare, devo dire che CarbonFil è il miglior materiale aderente che abbia mai usato. Non solo in materiali compositi, ma in tutti i materiali, compresi i moderni e vecchi PLA o TPU/TPE. Si attacca incredibilmente bene al nastro Kapton caldo ricoperto da un sottile strato di colla UHU, ma tutte le stampe sono facilissime da rimuovere dalla piattaforma di costruzione e da pulire dalle strutture di supporto minori. Per tutte le stampe ho utilizzato un bordo grande, da 10 mm in su, e non ho mai riscontrato problemi di deformazione.

Ma veniamo alle ruote… Lo scopo di questo progetto è stato quello di progettare e prototipare un sistema di propulsione rigido, resistente e leggero per il robot rover costruito dagli studenti. Il problema comune della scorsa edizione è stata la tenuta su terreni diversi. Le ruote delle auto RC di serie perdevano completamente la trazione sulla sabbia del deserto e sulle pietre scivolose. Inoltre, sono pesanti e ogni singolo grammo di carico spaziale costa una piccola fortuna: ridurre il peso significa un enorme risparmio durante le missioni reali.

Abbiamo deciso di utilizzare il design del pneumatico airless derivato dalle applicazioni militari e di collocare il motore ad alta coppia direttamente all’interno del cerchio in carbonio leggero.

Materiali di prova

Abbiamo iniziato con i test sui materiali. Lo scopo dei test era quello di ottenere i valori di instabilità strutturale e di sollecitazione statica e di utilizzarli per calcolare il modulo di Young, che viene utilizzato per calcolare la resistenza delle parti attraverso il metodo degli elementi finiti. Ho stampato quasi 150 campioni con due orientamenti degli strati e due densità di riempimento (50% e 100%), che sono nati per morire nelle torture dei test di compressione, piegatura e allungamento su attrezzature metriche universitarie di alta qualità. Anche se i valori dei risultati dei test sono inferiori a quelli del fornitore di resine, sono comunque superiori alle nostre aspettative.

Il riepilogo completo del test sarà disponibile a breve.

Devo confessare che stavo considerando i filamenti per la stampa 3D riempiti di particelle di carbonio come un hype e mi aspettavo di guadagnare piuttosto in rigidità che in resistenza. Mi sbagliavo, ma ancora una volta la realtà è molto più complicata.

Abbiamo effettuato alcuni test contro il semplice HDglass e questi sono stati i più interessanti. CarbonFil era più leggero in tutti i casi, il che è ovvio. Era anche più rigido e più forte quando si piegava e si allungava, ma sorprendentemente più debole quando si stringeva! Quindi fate attenzione all’orientamento degli strati, perché è più importante che mai! È infatti più incline alla pressione rispetto all’HDglass, come si può osservare durante la pulizia e la lavorazione del pezzo finale. Tuttavia, seguendo le linee guida di progettazione, il risultato è stato quello di ottenere pezzi estremamente resistenti!

Per accelerare il processo di progettazione e darci maggiore libertà, ho creato un algoritmo parametrico per il riempimento degli pneumatici. Che viene visualizzato a destra. Ho usato Rhinoceros 3D con il plugin Grasshopper. La densità e l’orientamento del nido d’ape e lo spessore delle pareti possono essere modificati con pochi cursori. Grazie ad esso abbiamo potuto testare l’elasticità di alcuni campioni diversi e scegliere il migliore.

Struttura del bordo durante la stampa in HDglass per una migliore visibilità

Per il bordo ho scelto un tamponamento a traliccio generato in Meshmixer. Il peso e la densità dell’intaso si basano sui risultati dei test sui materiali. Ho stampato il cerchio su un ugello in acciaio temprato da 0,8 mm. La precisione e il controllo della retrazione erano appena sufficienti, ma il tempo di stampa è diminuito in modo significativo. Il CarbonFill tende ad attaccarsi all’ugello e di tanto in tanto ho dovuto mettere in pausa la stampa e rimuovere manualmente la “palla nera”. Questo è l’unico difetto notato del materiale, per il resto le stampe sono piuttosto facili.

I risultati sono stati piacevoli. La tabella seguente mette a confronto i vecchi e i nuovi set di ruote:

Sembra che se avessimo accoppiato il nuovo motore con la vecchia ruota avremmo guadagnato più peso. Ma non volevamo solo ridurre il peso, bensì anche l’aderenza delle ruote e le prestazioni di maneggevolezza; abbiamo ottenuto entrambi i risultati allargando la ruota e inserendo il motore al suo interno. Una migliore progettazione delle ruote consente di utilizzare motori più piccoli, per cui la riduzione del peso deriva direttamente dalla scelta dei materiali e dalle proprietà dei componenti. In effetti, risparmieremmo quasi 2,8 milioni di dollari per l’invio di rover sulla Luna*, per non parlare di Marte!

Lavorare a questo progetto è stata un’esperienza fantastica, che ha dimostrato che i filamenti compositi non sono solo una vuota illazione. Infine, è stata un’opportunità per creare qualcosa di importante, che non può essere creato senza l’aiuto della stampa 3D. Questa tecnologia dirompente ha cambiato il modo in cui creiamo le cose, ora cambia lentamente il modo in cui le progettiamo. Sicuramente la stampa 3D e la progettazione generativa sono una delle componenti fondamentali per il successo delle missioni su Marte.

In sintesi, ecco alcune rapide impressioni su CarbonFill:

1. Restringimento molto basso rispetto ai filamenti di carbonio a base di nylon – adesione sorprendentemente buona alle piattaforme di costruzione e rimozione ancora migliore.
2. Il ritiro dovrebbe essere più lungo.
3. Si comporta come se si gonfiasse – è visibile che il filamento si restringe di qualche millimetro dopo l’ugello – il moltiplicatore di flusso è inferiore al 90-92%.
4. Forma residui sull’ugello durante la stampa (molto appiccicosi). Quando un blob particolarmente grande si stacca durante la stampa, potrebbe causare un errore di stampa dovuto alla perdita di passi o allo spostamento della piattaforma/ugello.

*Stima basata sulle tariffe effettive di Astrobotic https://www.astrobotic.com/

Informazioni sugli autori:

Bartłomiej Gaczorek

Test sui materiali e modelli solidi di Andrzej Zakręcki

LinkedIn:

Andrzej Zakręcki