Optimiser la traction robot : roues imprimées 3D sur mesure avec moulage Markforged

Note de l'éditeur : Ce billet invité est écrit par Charles Guan, diplômé en génie mécanique du MIT et ancien instructeur atelier machine & design du MIT. Il est aussi le constructeur du robot Overhaul sur BattleBots d'ABC. Il travaille comme consultant en ingénierie robotique et transport, et est parrainé par Markforged pour concourir dans BattleBots et autres compétitions robotiques. Visitez son site web et Equals Zero Robotics pour plus !

Conception de roue

Les roues existent depuis plus de 6 000 ans, pourtant en robotique compétitive elles peuvent encore être source de frustration. En saison 2 de BattleBots, j'ai construit Overhaul 2.0 autour d'un châssis à entraînement 6 roues carré, visant à surpasser les adversaires par la vitesse pure. J'ai choisi des roues de chariot industrielles dureté moyenne avec bande de roulement élastomère thermoplastique (TPE), un choix éprouvé en combat robotique. Cependant, les moteurs brushless 16 ch ont rapidement surchargé le TPE, faisant fondre et glisser les roues sur les débris de l'arène. Regarder le match contre Beta a souligné à quel point mon hypothèse que BattleBots équivalait au D1 Grand Prix était fausse.

Après le tournoi, j'ai réalisé le besoin d'une roue qui pourrait transférer la puissance de façon fiable. Cela m'a mené à explorer les composés de caoutchouc moulables, inspiré par des concurrents qui coulaient des roues uréthane sur site. Malgré aucune expérience préalable en design de pneu, je me suis lancé pour créer une roue moulée en utilisant un modèle à l'échelle classe 30 lb d'Overhaul.

Conception du moule

En contactant les représentants Smooth-On au Detroit Maker Faire, ils ont recommandé les séries ReoFlex et Simpact pour leur haute résistance à la déchirure et à la traction — essentielle pour une roue qui cisaile constamment sa bande de roulement. J'ai obtenu le ReoFlex 50 (duromètre 50A, comparable à une semelle de chaussure) et commencé à concevoir le moyeu et le moule.

En observant les débris d'arène, j'ai ajouté un motif de bande de roulement spiral simple pour évacuer les éclats de peinture et particules libres. Bien que non optimisé, les rainures hélicoïdales dirigent les débris vers l'extérieur de la zone de contact. Pour le moyeu, je me suis inspiré des roues de trottinette et skateboard, incorporant des trous traversants et une côte centrale effilée. J'ai sélectionné l'Onyx pour le matériau du moyeu en raison de sa rigidité supérieure et meilleure adhérence à la surface microscopiquement rugueuse de la résine, permettant un moyeu léger mais robuste.

En utilisant les fonctionnalités paramétriques d'Autodesk Inventor, j'ai produit un moule de roue avant 2 pouces pour évaluer comment la résine s'écoulerait à travers une cavité plus petite.

Pour le premier test, j'ai imprimé un moule nylon simple non renforcé sur l'imprimante Mark Two : 4 parois, 4 couches toit/sol, 25% remplissage, hauteur couche 0,2 mm. Des trous de goupilles de registre ont été ajoutés pour un alignement précis.

Coulée du moule

Les moitiés de moule sont fixées avec un seul collier de serrage. À l'intérieur, le moyeu repose sur une bague d'adaptation qui le garde centré et permet un écrou de retenue de sceller la face inférieure. Avant l'assemblage, j'ai vaporisé le moule avec un agent de démoulage.

Pour éliminer les bulles d'air, j'ai dégazé la résine mélangée dans un pot sous vide — Smooth-On annonce un air piégé minimal, mais j'ai trouvé que des bulles se formaient encore. Dégazer le godet, plutôt que tout le moule, a prévenu la déformation du moule et assuré une bande de roulement lisse.

La coulée a pris environ deux minutes. En inclinant le godet de mélange juste assez pour maintenir un flux continu, la résine s'est répartie uniformément sans former de grosses bulles.

Après un premier lot réussi d'une roue 3″ et une roue 2″, j'ai augmenté la production en imprimant des moules additionnels pouvant accueillir quatre roues par coulée. Un godet de mélange pouvait gérer deux roues 3″ et deux roues 2″, qui est devenu ma taille de lot standard.

Le processus de durcissement

ReoFlex 50 recommande un durcissement lent à température ambiante suivi d'un chauffage à 65 °C pendant 4-8 heures. J'ai utilisé une chambre chauffée à ~70 °C ; le durcissement accéléré a produit des roues notablement plus résistantes et résilientes au toucher.

Après une semaine d'expérimentation, j'avais une poignée de chaque taille de roue. Manquant de ReoFlex 50, j'ai fait une pause pour évaluer la performance avant d'investir davantage. Ma routine est devenue : couler moules la nuit, démouler le matin, cuire la journée. Les roues finies sont montrées ci-dessous.

Ces roues sont maintenant installées sur la variante « 30-Haul » d'Overhaul. Pour détails sur la construction, visitez mon site web.

Quelle suite ? Avec le flux de production établi, j'explorerai des composés alternatifs et testerai l'adhérence sur un sol en acier peint dans la Partie II de cette série. Jusque-là, profitez des résultats de quelques matchs intenses !

Apprenez-en plus sur les imprimantes Markforged et comment elles peuvent convenir à vos applications !