Markforgedで牽引力を獲得：3Dプリントホイールのオーバーモールドと鋳造

編集者注：このゲスト投稿は、MIT機械工学の卒業生で元MITの機械工場および設計インストラクターであるCharlesGuanによって書かれています。彼はまた、ABCのバトルボットのロボットオーバーホールの製作者でもあります。彼はロボット工学と輸送のエンジニアリングコンサルタントとして働いており、バトルボットやその他のロボット競技会に出場するためにMarkforgedが後援しています。詳細については、彼のWebサイトとEquals ZeroRoboticsを確認してください。

ホイールデザイン

ホイール。 6、000年以上の歴史があり、今では完璧になっていると思います。バトルボットシーズン2で苦労したことを知ったので、これは多くの点で真実とはほど遠いものです。あなたは実際に車輪の再発明をしてそれを間違えることができます。私は、グラップリングリフターで敵を捕らえるのにスピードを利用することを目的として、強力で安定した正方形の6輪駆動プラットフォームを備えたオーバーホール2.0を設計しました。私が知っていることに基づいてホイールを選びました。最初からロボット戦闘で使用されていた熱可塑性エラストマー（TPE）トレッドを備えた中硬度の工業用キャスターホイールです。 1秒で19mphに達するように設計されたロボットに、これらの車輪に16馬力のモーターを搭載することは、未知の領域でした。

これは、アリーナではまったくうまくいきませんでした。 TPEホイールはバラバラになり始め、文字通り、TPEホイールにかかる力から溶けていきました。彼らの滑らかなトレッドは、ボットが氷の上を運転していたように、箱の中のゆるい破片や粒子の上を滑っていました。結果として、16馬力のブラシレス駆動モーターはほとんど無駄になりました。昨シーズンのベータ戦との試合を見ると、バトルボットをD1グランプリと間違えて試合の大部分を占めていることがわかります。

バトルボットシーズン2トーナメントの後、私は次のステップについて疑問に思っていました。ボットの力を地面に置くには、車輪を変更する必要があります。ここからキャスタブルゴムコンパウンドの研究を始めました。型を作って材料を注ぎ、硬化するのにかかる時間内に何か他のものに取り組んでもかまいませんでした。バトルボットのシーズン2の間に、ベータ版を含むいくつかの競合他社が自社のウレタンホイールを現場に注ぐのを見ていました。

私はタイヤとホイールのデザインについても、成形と鋳造についても何も知りませんでした。暗闇の中でのショットについて話してください！幸いなことに、私は夏の間、デトロイトメーカーフェアでSmooth-Onの会社の代表者を追い詰め、どの製品がトラクションホイールの製造に適しているかについて彼らの考えについて詳しく話しました。 Smooth-Onは、主に特殊効果、衣装、小道具の金型製作と鋳造を目的とした会社であり、産業用途ではありません。ただし、販売代理店は全国にあるため、ボストンから車でわずか15分で、実験用の資料を簡単に入手できます。ミッション：2016年秋の大会でデザインしたオーバーホールの30ポンドクラスのスケールモデル用のカスタムホイールを作成して、レジンキャストのワークフローを学びます。

金型の設計

担当者は、引き裂き抵抗と引張強度が良好な2つの材料、ReoflexシリーズとSimpactシリーズを指摘しました。これらの2つの特性は、ゴムがトレッドの厚さ全体にわたって絶えずせん断され、地面に沿って引きずられるホイールコンパウンドで望ましいものです。 ReoFlex 50（50Aデュロメーター用、靴底のように適度に柔らかい）のサンプルを手に入れ、金型とハブの設計に取り掛かりました。

‍ボックスでのオーバーホールのパフォーマンスの後、ホイールの表面に何らかの破片除去機能が必要であるとかなり確信しました。車のタイヤのように水や爪を泥に通そうとはしていませんが、それでも、アリーナ自体からのデトリタスやペイントフレークが緩んでいて、対処する必要がありました。まず、シンプルなスパイラルトレッドパターンを作成しました。これは決して最適化されたものではありませんでした。今のところ、成形段階にすばやく到達したかっただけです。らせん状の溝は、接地面から離れた側に破片を押し出す傾向があると思いました。タイヤの買い物をしたことがあるなら、正確な方向と溝の数は明らかにまだ不安定な科学です。

次に、ホイールハブの設計作業に直面しました。私はインスピレーションを得るためにスクーターとスケートボードのホイールの箱を調べました。それらはすべて共通の特徴を持っていました：ウレタンが周りに流れ込んだ貫通穴またはスロット。私は、接着が失敗した場合でもトレッド材料がハブに留まるようにすることに非常に熱心でした。かなり基本的な円筒形のハブをモデル化しましたが、テーパー状の中央リブに多くのスルーホール機能があり、ウレタンが付着する最大の面積と断面を提供します。剛性と強度が高いため、ハブには通常のナイロンよりもオニキスを選択しました。接着特性を考慮に入れました。剛性を高めることでホイールハブを軽量化でき、樹脂は光沢のあるナイロンよりもオニキスの微視的に粗い質感によく密着します。

‍Tiny Overhaulには小さな前輪も必要になるため、AutodeskInventorのパラメトリック機能を使用して2インチモデルをすばやく生成しました。この型には、注ぐためのかなり狭い領域があったので、材料がどのように動作するかに興味がありました。

マーク2に無地の非強化ナイロンを使用してテストモールドを印刷しました。型は非常にまばらでした– 4つの壁と4つの屋根と床の層が、0.2mmの最も粗い層の設定で印刷された25％の塗りつぶしだけでした。位置合わせを確実にするために、登録ピンの穴を半分にモデル化しました。

型を注ぐ

金型の半分は、単一の通常のホースクランプで一緒に保持されるように設計されています。内部では、ホイールハブがアダプターブッシング上にあり、金型の中央に配置されています。このアダプターブッシングには、金型の半分の下側に貫通穴があり、保持ナットとボルトを垂直に動かして、の底面をシールできます。金型に対するホイールハブ。これを組み立てる前に、型の半分をスプレー式の離型剤でコーティングしました。

‍成形と鋳造の経験が豊富な友人のアドバイスを受けて、混合樹脂からすべての気泡を引き出すために真空ポットを借りました。 Smooth-onは、樹脂を「閉じ込められた空気を最小限に抑える」と宣伝していますが、混合物が沸騰するのを見ると、これは効果的ではないことがわかりました。気泡が閉じ込められると、材料に多くの中断が生じるため、ホイールトレッドの完全性が低下します。金型全体を液体樹脂でチャンバーに入れるのではなく、混合材料のカップを脱気しました。金型の半分が中空に印刷されていないため、空気がすべて変形したり、漏れてゆっくりと泡立ったりする可能性があるためです。

3インチのホイールモールドを注ぐのに約2分かかりました。継続的な液体の流れを維持するのに十分なだけミキシングカップを傾け、樹脂を底に沈殿させ、モールドの上に積み重なったり、頂上になったりしないようにしました。樹脂に「喫水線を見つけさせる」ことは、部品に大きな気泡が閉じ込められないようにする方法です。

開始バッチとして、3インチのホイールと2インチのホイールの両方を注ぎました。最初の2つのホイールが少なくともしっかりと現れた後、いくつかの生産に従事する時が来ました。一度に4つ以上のホイールを注ぐことができるように、追加の型を印刷しました。ミキシングカップの1つは、2つの3インチホイールと2つの2インチホイールに最適でした。これが標準になりました。

硬化プロセス

ほとんどの樹脂メーカーは、最初の室温でのゆっくりとした硬化を推奨し、その後、ポリマーの架橋をさらに強化するために材料を加熱します。たとえば、Reoflex 50のデータシートには、材料を摂氏65度まで4〜8時間加熱することが記載されています。私は摂氏約70度の加熱チャンバーを使用しました。この熱加速硬化から生まれた新しいホイールは、間違いなくより頑丈で、手触りに対してより弾力性がありました。

1週間の実験後の結果は、各サイズのホイールで半ダースほどでした。私はReoFlex50の供給を使い果たしたので、これは停止して、材料にもっとお金をかける前にホイールが実際に競争で機能することを確認するのに適した場所であると判断しました。私はここ数日前に素晴らしいサイクルに入りました。夜に出発する前に最後に行ったように型を注ぎ、朝に型を外してから、1日を通して焼きます。

そして、それはボットにインストールされているように見えます。 「30-Haul」というニックネームの開発に興味がある場合は、私のウェブサイトでそのビルドスレッドを確認できます。

では、次は何ですか？制作プロセスを検討し、基本的な設計を目の前にしたので、本当の科学を始める時が来ました。このシリーズのパートIIに注目してください。ここでは、さまざまなコンパウンドのホイールを作成し、塗装されたスチールの床でそれらのトラクションをテストしてみます。今のところ、ハードドライブの試合を数回行った後のこれらのホイールは次のようになります！

Markforgedプリンターの詳細と、それらがアプリケーションにどのように適合するかをご覧ください！