Roboter-Traktion optimieren: Custom 3D-gedruckte Räder mit Markforged Casting

Redaktioneller Hinweis: Dieser Gastbeitrag stammt von Charles Guan, MIT Mechanical Engineering Absolvent und ehemaliger MIT Machine Shop & Design Instruktor. Er ist auch der Builder des Roboters Overhaul bei ABCs BattleBots. Er arbeitet als Engineering-Consultant in Robotik und Transport und wird von Markforged gesponsert, um bei BattleBots und anderen Robotik-Wettbewerben anzutreten. Schauen Sie seine Website und Equals Zero Robotics an für mehr!

Rad-Design

Räder gibt es seit über 6.000 Jahren, doch in wettbewerbsorientierter Robotik können sie immer noch Frustrationsquelle sein. In Season 2 von BattleBots baute ich Overhaul 2.0 um ein quadratisches 6-Rad-Antriebs-Chassis, um Gegner mit purer Geschwindigkeit zu übertreffen. Ich wählte mittelharte industrielle Lenkrollenräder mit Thermoplast-Elastomer (TPE) Laufflächen, eine bewährte Wahl im Roboterkampf. Doch die 16-PS bürstenlosen Motoren überlasteten das TPE schnell, was dazu führte, dass die Räder schmolzen und über Arenatrümmer rutschten. Das Match gegen Beta zeigte, wie falsch meine Annahme war, dass BattleBots der D1 Grand Prix gleichkommt.

Nach dem Turnier erkannte ich den Bedarf an einem Rad, das Leistung zuverlässig überträgt. Das führte mich zu untersuchen von gießbaren Gummi-Verbindungen, inspiriert von Wettbewerbern, die Urethan-Räder on-site gossen. Trotz keiner Vorerfahrung in Reifendesign machte ich mich auf, ein Formguss-Rad mit einem 30-lb-Klassen-Modell von Overhaul zu erstellen.

Form-Design

Auf der Detroit Maker Faire sprach ich mit Smooth-On Vertretern, die ReoFlex und Simpact Serien für ihre hohe Reißfestigkeit und Zugfestigkeit empfahlen – essenziell für ein Rad, das ständig durch seine Lauffläche schert. Ich erhielt ReoFlex 50 (50A Shore-Härte, vergleichbar mit Schuhsohle) und begann mit Design von Form und Nabe.

Basierend auf Arenatrümmer-Beobachtung fügte ich ein einfaches Spiral-Profilmuster hinzu, um Farbsplitter und lose Partikel zu räumen. Zwar nicht optimiert, leiten die helikalen Rillen Trümmer nach außen vom Kontaktpatch. Für die Nabe ließ ich mich von Roller- und Skateboard-Rädern inspirieren, integrierte Durchgangsbohrungen und einen verjüngten Zentralsteg. Ich wählte Onyx für das Nabenmaterial wegen seiner höheren Steifigkeit und besserer Adhäsion an die mikroskopisch raue Harzoberfläche, was eine leichte, aber robuste Nabe ermöglicht.

Mit Autodesk Inventors parametrischen Features produzierte ich eine 2-Zoll-Vorderrad-Form, um zu evaluieren, wie das Harz durch einen kleineren Hohlraum fließen würde.

Für den ersten Test druckte ich eine einfache, unverstärkte Nylon-Form auf dem Mark Two Drucker: 4 Wände, 4 Dach/Boden-Lagen, 25% Infill, 0,2 mm Schichthöhe. Registrierungsstiftlöcher wurden für präzise Ausrichtung hinzugefügt.

Form gießen

Die Formhälften werden mit einer einzelnen Schlauchschelle gesichert. Innen sitzt die Nabe auf einem Adapterbuchse, die sie zentriert und eine Haltemutter erlaubt, die untere Fläche zu versiegeln. Vor Montage sprühte ich die Form mit Trennmittel ein.

Um Luftblasen zu eliminieren, entgaste ich das gemischte Harz in einem Vakuumtopf – Smooth-On wirbt mit minimaler eingeschlossener Luft, aber ich fand, dass Blasenbildung dennoch auftrat. Entgasen des Bechers statt der gesamten Form verhinderte Formverformung und sicherte glatte Lauffläche.

Der Guss dauerte ca. zwei Minuten. Durch Kippen des Mischbechers gerade genug für kontinuierlichen Fluss setzte sich das Harz gleichmäßig ohne große Blasenbildung ab.

Nach erfolgreichem ersten Batch eines 3″-Rads und eines 2″-Rads skalierte ich Produktion hoch, indem ich zusätzliche Formen druckte, die vier Räder pro Guss aufnehmen konnten. Ein Mischbecher konnte zwei 3″-Räder und zwei 2″-Räder handhaben, was meine Standard-Batch-Größe wurde.

Der Aushärtungsprozess

ReoFlex 50 empfiehlt langsame Raumtemperatur-Aushärtung gefolgt von Erhitzen auf 65 °C für 4–8 Stunden. Ich nutzte eine beheizte Kammer auf ~70 °C; die beschleunigte Aushärtung produzierte Räder, die sich spürbar zäher und widerstandsfähiger anfühlten.

Nach einer Woche Experimentieren hatte ich eine Handvoll jeder Radgröße. Da ReoFlex 50 ausging, pausierte ich, um Performance zu evaluieren, bevor ich weiter investierte. Meine Routine wurde: Formen über Nacht gießen, morgens entformen, tagsüber backen. Die fertigen Räder sind unten gezeigt.

Diese Räder sind nun an der „30-Haul“ Variante von Overhaul installiert. Für Details zum Bau besuchen Sie meine Website.

Was kommt als Nächstes? Mit etabliertem Produktionsworkflow werde ich alternative Verbindungen erkunden und Traktion auf lackiertem Stahlboden in Teil II dieser Serie testen. Bis dahin, genießen Sie die Ergebnisse aus einigen harten Matches!

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