Robot Traction Optimaliseren: Custom 3D-geprinte Wielen met Markforged Casting

Redacteur's noot: Deze gastpost is geschreven door Charles Guan, een MIT Mechanical Engineering graduate en voormalig MIT machine shop & ontwerp instructeur. Hij is ook de bouwer van de robot Overhaul op ABC's BattleBots. Hij werkt als engineering consultant in robotica en transport, en wordt gesponsord door Markforged om te concurreren in BattleBots en andere robotica competities. Bekijk zijn website en Equals Zero Robotics voor meer!

Wiel Ontwerp

Wielen bestaan al meer dan 6.000 jaar, maar in competitieve robotica kunnen ze nog steeds een bron van frustratie zijn. In Seizoen 2 van BattleBots bouwde ik Overhaul 2.0 rond een vierkante, zes-wiel-aandrijving chassis, met als doel concurrenten te overklassen met pure snelheid. Ik koos medium-hardheid industriële casterwielen met thermoplastische elastomer (TPE) lopen, een bewezen keuze in robotgevecht. Echter, de 16-pk brushless motoren overbelasten de TPE snel, wat de wielen liet smelten en glijden over de arena-afval. De wedstrijd tegen Beta benadrukte hoe mijn aanname dat BattleBots gelijk was aan de D1 Grand Prix fout was.

Na het toernooi realiseerde ik me de behoefte aan een wiel dat kracht betrouwbaar kan overdragen. Dat leidde me tot het onderzoeken van gietbare rubbercompounds, geïnspireerd door concurrenten die urethane wielen on-site gooien. Ondanks geen eerdere ervaring in bandenontwerp, zette ik uit om een molen-gegoten wiel te creëren met een 30-lb-klasse schaalmodel van Overhaul.

De Molen Ontwerpen

Uitreikend naar Smooth-On vertegenwoordigers op de Detroit Maker Faire, adviseerden ze ReoFlex en Simpact series voor hun hoge scheurweerstand en treksterkte – essentieel voor een wiel dat constant door zijn loop schuift. Ik verkreeg ReoFlex 50 (50A durometer, vergelijkbaar met een schoenzool) en begon met het ontwerpen van de molen en naaf.

Observërend de arena-afval, voegde ik een eenvoudig spiraal looppatroon toe om verfvlokken en losse deeltjes te clearen. Hoewel niet geoptimaliseerd, richten de helicale groeven afval naar buiten van het contactvlak. Voor de naaf, trok ik inspiratie van scooter en skateboard wielen, met doorgaande gaten en een getapte centrale rib. Ik selecteerde Onyx voor het naafmateriaal vanwege de hogere rigiditeit en betere adhesie aan het microscopisch ruwe oppervlak van de hars, wat een lichtgewicht toch robuuste naaf toelaat.

Met Autodesk Inventor's parametrische features, produceerde ik een 2-inch voorwiel molen om te evalueren hoe de hars door een kleinere kaviteit zou stromen.

Voor de eerste test, printte ik een simpele, onversterkte nylon molen op de Mark Two-printer: 4 wanden, 4 dak/vloer lagen, 25% infill, 0,2 mm laaghogte. Registratiepengaten werden toegevoegd voor precieze uitlijning.

De Molen Gieten

De molenhelften worden bevestigd met een enkele slangklem. Binnenin zit de naaf op een adapterbus die hem gecentreerd houdt en een bevestigingsmoer toelaat de bodem te verzegelen. Voor assemblage, sproeide ik de molen in met een molen-vrijmakingsmiddel.

Om luchtbellen te elimineren, degaste ik de gemengde hars in een vacuümpot – Smooth-On adverteert met minimaal ingeperste lucht, maar ik vond dat bubbels nog steeds ontstonden. Degassen van de bekker, in plaats van de hele molen, verhinderde molendeformatie en garandeerde een gladde loop.

Het gieten duurde ongeveer twee minuten. Door de mengbeker net genoeg te kantelen om een continue stroom te behouden, vestigde de hars gelijkmatig zonder grote bellen te vormen.

Na een succesvolle eerste batch van een 3″ wiel en een 2″ wiel, schaalde ik productie op door extra molen te printen die vier wielen per giet konden accommoderen. Een mengbeker kon twee 3″ wielen en twee 2″ wielen aan, wat mijn standaard batchgrootte werd.

Het Uitharden Proces

ReoFlex 50 adviseert een trage kamertemperatuur uitharding gevolgd door verwarmen tot 65 °C voor 4–8 uur. Ik gebruikte een verwarmde kamer ingesteld op ~70 °C; de versnelde uitharding produceerde wielen die merkbaar tougher en meer veerkrachtig aan het voelen waren.

Na een week experimenteren had ik een handvol van elke wielgrootte. Opgehouden ReoFlex 50, pauzeerde ik om prestaties te evalueren voordat ik verder investeerde. Mijn routine werd: molen 's nachts gieten, 's ochtends ontmolen, overdag bakken. De afgewerkte wielen zijn hieronder getoond.

Deze wielen zijn nu geïnstalleerd op de "30-Haul" variant van Overhaul. Voor details over de build, bezoek mijn website.

Wat is er volgende? Met de productieworkflow gevestigd, zal ik alternatieve compounds verkennen en tractie testen op een geverfde staalvloer in Deel II van deze serie. Tot dan, geniet de resultaten van een paar harde wedstrijden!

Leer meer over Markforged-printers en hoe ze uw toepassingen kunnen passen!