Toen ik door FormFutura werd gevraagd om hun CarbonFil composietfilament te testen, twijfelde ik aanvankelijk nogal. Ik was er vrij zeker van dat ik niet nog een noone-really-neads-it ding zou drukken zoals lo-poly Charmander of houder voor GPS. Ik was me bewust van de unieke technische eigenschappen van het materiaal en ik wilde het echt testen op een echte autotoepassing. Ik nam eerst contact op met het plaatselijke Formula Student racing team, maar in een reeks van magische gebeurtenissen werd ik verrassend aangesproken door de wetenschappelijke studentenclub AGH Space Systems. Na een brainstorm besloten we een innovatief 3D-geprint aandrijfsysteem te ontwerpen en te maken voor hun marsrover Kalman.
FormFutura leverde al het nodige filament voor tests en de uiteindelijke print van de composietvelgen. Deze samenvatting betreft het werk dat vijf maanden duurde van testen, ontwerpwijzigingen, prototyping, 3D printen en assemblage. Alle ontwerpen en prototypes van de Kalman-rovervoortstuwingsmodule zijn gemaakt door Andrzej Zakręcki (AGH Space Systems) en Bart Gaczorek (PLM Solutions).
Voordat ik begin, moet ik zeggen dat CarbonFil het beste hechtingsmateriaal is dat ik ooit heb gebruikt. Niet alleen uit composietmaterialen, maar uit alle materialen, inclusief modern en ouderwets PLA of TPU/TPE. Het plakt ongelooflijk goed op warme Kapton tape bedekt met een dunne UHU kleeflaag, en toch zijn alle afdrukken super gemakkelijk te verwijderen van het bouwplatform en schoon te maken van kleine ondersteunende structuren. Ik heb grote randen van 10 mm+ gebruikt voor alle afdrukken en ik heb nooit problemen gehad met kromtrekken.
Maar over de wielen… Het doel van dit project was het ontwerpen en prototypen van een stijf, duurzaam en licht aandrijfsysteem voor een door studenten gebouwde roverrobot. Het doel van dit project was het ontwerpen en prototypen van een stijf, duurzaam en licht aandrijfsysteem voor een door studenten gebouwde roverrobot. De wielen van standaard RC auto’s verloren volledig hun tractie op woestijnzand en gladde stenen. Bovendien zijn ze zwaar en elke gram ruimtelading kost een klein fortuin – een lager gewicht betekent een enorme besparing tijdens echte missies.
Wij besloten het luchtledige bandontwerp te gebruiken dat is afgeleid van militaire toepassingen en de motor met hoog koppel rechtstreeks in de lichtgewicht koolstofvelg te plaatsen.
Het testen van materialen
We begonnen met het testen van materialen. Het doel van de proeven was het verkrijgen van structurele knik- en statische spanningswaarden en deze te gebruiken om de module van Young op te sommen die wordt gebruikt om de sterkte van het onderdeel te berekenen met behulp van de eindige-elementenmethode. Ik drukte bijna 150 monsters af in twee lagen oriëntatie en twee invuldichtheden (50% en 100%) die geboren werden om te sterven in martelingen van knijp-, buig- en rekproeven op hoogwaardige universitaire metrische apparatuur. Hoewel de waarden van de testresultaten lager zijn dan die van de harsleverancier, zijn ze toch hoger dan we hadden verwacht.
De volledige testsamenvatting komt binnenkort beschikbaar.
Ik moet bekennen dat ik met koolstofdeeltjes gevulde 3D-printing filamenten beschouwde als een hype en ik verwachtte eerder winst in stijfheid dan in sterkte. Ik had het mis, maar de werkelijkheid is veel gecompliceerder.
We hebben wat tests gedaan tegen gewone HDglass en die waren het interessantst. CarbonFil was in alle gevallen lichter, wat duidelijk is. Het was ook stijver en sterker bij buigen en strekken, maar verrassend zwakker bij knijpen! Let dus op je laaggerichtheid, want die is belangrijker dan ooit! Het is inderdaad vatbaarder voor druk dan HDglass, wat kan worden waargenomen tijdens het reinigen en bewerken van het einddeel. Volgens de ontwerprichtlijnen leverde dit echter uiterst duurzame onderdelen op!
Om het ontwerpproces te versnellen en ons meer vrijheid te geven, creëerde ik een parametrisch algoritme voor de bandvulling. Wat rechts wordt weergegeven. Ik gebruikte Rhinoceros 3D met Grasshopper plugin. De dichtheid en oriëntatie van de honingraat en de wanddikte kunnen worden gewijzigd met slechts enkele schuifregelaars. Daardoor konden wij de elasticiteit van verschillende monsters testen en de beste kiezen.
Randstructuur tijdens het printen in HDglass voor betere zichtbaarheid
Voor de rand kies ik rasterinvulling gegenereerd in Meshmixer. Gewicht en vuldichtheid zijn gebaseerd op de resultaten van materiaaltests. Ik heb de rand afgedrukt op een 0,8 mm gehard stalen mondstuk. Precisie en terugtrekcontrole waren nauwelijks voldoende, maar de afdruktijd nam aanzienlijk af. CarbonFill heeft de neiging om aan de spuitmond te blijven kleven en ik moest het afdrukken af en toe pauzeren en de “blackball” handmatig verwijderen. Dit is de enige tekortkoming van het materiaal, verder print het vrij gemakkelijk.
De resultaten waren mooi. De onderstaande tabel vergelijkt oude en nieuwe wielstellen:
| Oude set | Nieuwe set | |
| Gewicht van de velg | 350 g | 300 g |
| Gewicht van de motor | 1 800 g | 800 g |
| Gewicht van de band | 250 g | 700 g |
| Totaal gewicht | 2 400 g | 1800 g |
| Contactbreedte van de band | 90 mm | 150 mm |
Als we een nieuwe motor aan een oud wiel hadden gekoppeld, zouden we het meeste gewicht hebben gewonnen. Maar we zochten niet alleen naar gewichtsbesparing, maar ook naar grip op het wiel en rijgedrag; beide bereikten we door het wiel breder te maken en de motor erin te plaatsen. Door een beter wielontwerp kan een kleinere motor worden gebruikt, zodat de gewichtsvermindering rechtstreeks voortvloeit uit de gekozen materialen en de eigenschappen van de onderdelen. In feite zouden we bijna 2,8 miljoen dollar besparen op het sturen van rovers naar de maan*, om nog maar te zwijgen van Mars!
Het werken aan dit project was een fantastische ervaring die bewees dat composietfilamenten geen loze hype zijn. Eindelijk was het een kans om iets belangrijks te creëren, dat zonder hulp van 3D printen niet gemaakt kan worden. Deze ontwrichtende technologie heeft de manier waarop we dingen maken veranderd, nu verandert ze langzaam de manier waarop we ze ontwerpen. 3D printen en generatief ontwerp zijn zeker een van de basiscomponenten van succesvolle missies naar Mars.
Hieronder volgen enkele korte indrukken over CarbonFill:
- Zeer lage krimp in vergelijking met op nylon gebaseerde koolstoffilamenten – verrassend goede hechting aan bouwplaten en nog betere verwijdering.
- Terugtrekken moet langer.
- Het werkt alsof het opzwelt – het is zichtbaar dat het filament een paar millimeter krimpt na de nozzle – vermenigvuldigingsfactor van 90-92%.
- Het vormt resten op de spuitmond tijdens het printen (zeer kleverig). Wanneer een bijzonder grote klodder loslaat tijdens het afdrukken, kan dit leiden tot een afdrukfout door het verlies van stappen of verschuiving van platform/nozzle.
*Estimation based on actual Astrobotic fares https://www.astrobotic.com/
Over de auteurs:
Bartłomiej Gaczorek
Materiaalproeven en massieve modellen door Andrzej Zakręcki
LinkedIn:
