Markforged로 견인력 얻기:3D 인쇄 휠 오버몰딩 및 주조

편집자 주:이 게스트 게시물은 MIT 기계 공학 졸업생이자 전 MIT 기계 공장 및 디자인 강사인 Charles Guan이 작성했습니다. 그는 또한 ABC의 BattleBots에서 로봇 정밀 검사의 빌더이기도 합니다. 그는 로봇 공학 및 운송 분야의 엔지니어링 컨설턴트로 일하고 있으며 Markforged의 후원을 받아 BattleBots 및 기타 로봇 공학 대회에 참가합니다. 자세한 내용은 그의 웹사이트와 Equals Zero Robotics를 확인하세요!

휠 디자인

바퀴. 6,000년이 넘는 역사를 가지고 있기 때문에 우리가 지금쯤이면 완벽하게 완성했을 것입니다. BattleBots 시즌 2에서 어려운 방법을 찾았지만 이것은 여러 면에서 사실과 거리가 멉니다. 실제로 바퀴를 재발명하고 실수할 수 있습니다. 나는 그래플링 리프터에서 상대방을 포착할 때 내 이점에 맞게 속도를 사용하려는 의도로 강력하고 안정적인 사각 6륜 구동 플랫폼으로 Overhaul 2.0을 설계했습니다. 나는 내가 알고 있는 것을 기반으로 바퀴를 선택했습니다. 초기부터 로봇 전투에 사용되었던 열가소성 엘라스토머(TPE) 트레드가 있는 중간 경도 산업용 캐스터 바퀴입니다. 1초에 19mph에 도달하도록 설계된 로봇의 이 바퀴에 16마력 모터를 장착하는 것은 미지의 영역이었습니다.

이것은 경기장에서 전혀 나에게 유리하게 작동하지 않았습니다. TPE 바퀴가 떨어져 나가기 시작했고, 문자 그대로 그 바퀴에 가해지는 힘에 녹아내렸습니다. 그들의 매끄러운 트레드는 봇이 얼음 위를 운전하는 것처럼 상자의 느슨한 파편과 입자 위로 미끄러졌습니다. 브러시리스 드라이브 모터의 16마력은 결과적으로 거의 완전한 낭비였습니다. 지난 시즌 베타와의 경기를 보시면 제가 BattleBots를 D1 그랑프리로 착각한 것을 볼 수 있을 것입니다.

BattleBots 시즌 2 토너먼트가 끝난 후 다음 단계가 궁금했습니다. 봇의 힘을 지면에 두기 위해서는 바퀴를 바꿔야 합니다. 여기에서 캐스터블 고무 화합물을 연구하기 시작했습니다. 나는 몰드를 만들고, 재료를 붓고, 치료하는 데 걸리는 시간에 다른 작업을 하는 것을 꺼리지 않았습니다. BattleBot의 시즌 2 동안 저는 Beta를 포함한 몇몇 경쟁자들이 현장에서 우레탄 바퀴를 붓는 것을 보았습니다.

나는 타이어와 휠 디자인, 몰딩과 캐스팅에 대해 전혀 몰랐습니다. 어둠 속에서의 샷에 대해 이야기하십시오! 운 좋게도 나는 여름 동안 디트로이트 메이커 박람회에서 Smooth-On 회사 대표 몇 명을 모았고 그들의 제품 중 트랙션 휠을 만드는 데 적합한 제품에 대한 생각에 대해 길게 이야기했습니다. Smooth-On은 주로 산업용이 아닌 특수 효과, 의상 및 소품을 위한 금형 제작 및 주조를 전문으로 하는 회사입니다. 그러나 유통업체가 전국에 있기 때문에 재료를 실험에 매우 쉽게 사용할 수 있습니다. 보스턴에서 차로 단 15분 거리에 있습니다. 임무:2016년 가을 대회를 위해 디자인하고 있던 Overhaul의 30lb급 축척 모델을 위한 맞춤형 바퀴를 생산하여 수지 주조 작업 흐름을 배웁니다.

금형 설계

담당자는 인열 저항과 인장 강도가 유리하게 높은 두 가지 재료인 Reoflex와 Simpact 시리즈를 알려 주었습니다. 이 두 가지 특성은 고무가 트레드 두께를 통해 지속적으로 전단되고 지면을 따라 끌리는 휠 컴파운드에서 바람직합니다. ReoFlex 50 샘플(신발 밑창처럼 적당히 부드러운 50A 경도계용)을 손에 넣고 금형과 허브를 설계하기 시작했습니다.

‍박스에서 Overhaul의 성능을 확인한 후, 나는 휠 표면에 어떤 종류의 파편 제거 기능이 필요하다고 꽤 확신했습니다. 우리가 자동차 타이어처럼 진흙을 통해 물을 흐르게 하거나 발톱을 깎으려 하지 않는 동안, 경쟁해야 할 경기장 자체에서 여전히 느슨한 찌꺼기와 페인트 조각이 있었습니다. 먼저 간단한 나선형 트레드 패턴을 만들었습니다. 이것은 최적화된 것이 아닙니다. 저는 일단 성형 단계에 빨리 가고 싶었습니다. 나선형 홈이 파편을 접촉 패치에서 떨어진 쪽으로 밀어내는 경향이 있다고 생각했습니다. 정확한 방향과 홈의 수는 타이어 쇼핑을 한 적이 있다면 분명히 여전히 불확실한 과학입니다.

다음으로 휠 허브를 설계하는 작업에 직면했습니다. 영감을 얻기 위해 스쿠터와 스케이트보드 바퀴 상자를 살펴보았습니다. 그들은 모두 우레탄이 주위로 흘러 들어가는 관통 구멍 또는 슬롯이라는 공통된 특징을 가지고 있습니다. 나는 접착력이 떨어져도 트레드 소재가 허브에 남을 수 있도록 하는 데 매우 열심이었습니다. 나는 상당히 기본적인 원통형 허브를 모델링했지만 우레탄이 붙을 수있는 최대 면적과 단면을 제공하기 위해 테이퍼 중앙 리브에 많은 관통 구멍 기능을 사용하여 더 높은 강성과 강도로 인해 허브에 일반 나일론보다 오닉스를 선택했습니다. 접착 특성을 고려합니다. 증가된 강성 덕분에 휠 허브를 가볍게 만들 수 있었고, 수지가 광택이 나는 나일론보다 미세하게 거친 오닉스의 질감에 더 잘 접착되었습니다.

‍Tiny Overhaul에는 더 작은 앞바퀴도 필요하기 때문에 Autodesk Inventor의 파라메트릭 기능을 사용하여 2인치 모델을 빠르게 생성했습니다. 이 몰드에는 부어야 하는 부분이 상당히 좁아서 재료가 어떻게 작용할지 관심이 많았습니다.

Mark Two에 일반 비보강 나일론을 사용하여 테스트 몰드를 인쇄했습니다. 몰드는 4개의 벽과 4개의 지붕 및 바닥 레이어로 매우 희박했지만 0.2mm의 가장 거친 레이어 설정에 인쇄된 25%만 채워졌습니다. 정렬을 보장하기 위해 정합 핀 구멍을 반으로 모델링했습니다.

금형 붓기

몰드 반쪽은 단일 일반 호스 클램프와 함께 고정되도록 설계되었습니다. 내부에서 휠 허브는 어댑터 부싱에 위치하여 금형 중앙을 유지하고 이 어댑터 부싱에는 금형 반쪽의 아래쪽에 관통 구멍이 있어 고정 너트와 볼트를 수직으로 작동하여 금형의 바닥면을 밀봉할 수 있습니다. 금형에 대한 휠 허브. 이것을 조립하기 전에 스프레이 온 이형제로 금형 반쪽을 코팅했습니다.

‍몰딩&캐스팅 경험이 많은 친구들의 조언으로 진공 냄비를 빌려 혼합수지에서 기포를 모두 빼냈습니다. Smooth-on은 그들의 수지를 "갇힌 공기 최소화"라고 광고하지만 혼합물이 끓어오르는 것을 지켜보면 이것이 효과적이지 않다는 것을 보여주었습니다. 갇힌 기포는 재료에 많은 방해를 줄 수 있으므로 휠 트레드의 무결성을 감소시킵니다. 몰드 반쪽 내부의 모든 공기가 중공으로 인쇄되어 변형되거나 누출되어 천천히 거품이 나올 수 있기 때문에 챔버에 액체 수지가 있는 전체 몰드를 넣는 대신 혼합 재료 컵의 가스를 제거했습니다.

3인치 휠 몰드를 붓는 데 약 2분이 걸렸습니다. 믹싱 컵을 충분히 기울여 지속적인 액체 흐름을 유지하여 수지가 바닥에 가라앉고 몰드 위에 쌓이거나 뭉쳐지지 않도록 했습니다. 수지가 "수선을 찾도록" 하는 것이 부품에 큰 기포가 끼지 않도록 하는 방법입니다.

나는 시작 배치로 3인치 휠과 2인치 휠을 모두 부었습니다. 처음 두 바퀴가 적어도 견고하게 나온 후에는 일부 생산에 참여할 때였습니다. 한 번에 4개 이상의 휠을 부을 수 있도록 추가 금형을 인쇄했습니다. 믹싱 컵 중 하나는 3인치 휠 2개와 2인치 휠 2개에 적합하여 표준이 되었습니다.

경화 과정

대부분의 수지 제조업체는 초기 실온에서 천천히 경화시킨 다음 나중에 재료를 가열하여 폴리머 가교를 더 강화할 것을 권장합니다. 예를 들어, Reoflex 50의 데이터 시트에는 재료를 4~8시간 동안 섭씨 65도까지 가열한다고 나와 있습니다. 저는 약 섭씨 70도의 가열 챔버를 사용했습니다. 이 가열 가속 경화에서 나온 새로운 휠은 확실히 더 단단하고 만졌을 때 더 탄력적이었습니다.

일주일 간의 실험 결과는 각 크기의 바퀴가 6개 정도였습니다. 나는 ReoFlex 50의 공급을 다 훑어보았고, 재료에 더 많은 돈을 쓰기 전에 이곳이 멈추고 바퀴가 실제로 경쟁에서 작동하는지 확인하기에 좋은 장소라고 판단했습니다. 나는 지난 며칠 전에 좋은 사이클을 시작했습니다. 떠나기 전 밤에 마지막으로 했던 것처럼 틀을 붓고 아침에 틀을 틀고 하루 종일 굽습니다.

봇에 설치된 모습입니다. 우리가 별명을 붙인 "30-Haul"의 개발에 관심이 있다면 내 웹사이트에서 빌드 스레드를 확인할 수 있습니다.

다음은 무엇입니까? 생산 공정을 살펴보고 기본 설계를 눈앞에 뒀으니 이제 진정한 과학이 시작될 때입니다. 이 시리즈의 파트 II를 계속 지켜봐 주십시오. 여기에서 다양한 화합물로 바퀴를 만들고 페인트 칠한 강철 바닥에서 견인력을 테스트해 봅니다. 지금은 하드 드라이빙 경기를 몇 번 거친 후 이 휠이 어떻게 생겼는지 보여드리겠습니다!

Markforged 프린터와 이 프린터가 귀하의 애플리케이션에 어떻게 적합한지 자세히 알아보십시오!