Superstarke Roboter mit Kohlefaser 3D-drucken

//Superstarke Roboter mit Kohlefaser 3D-drucken

Robo Challenge ist ein kreatives Maschinenbauunternehmen in Birmingham, das Konstruktion und Materialien an die Spitze treibt. Die Brüder Grant und James und Ihr Vater Nick haben sich den Ruf aufgebaut, dass ihre Roboter zu den zähesten und kreativsten der Welt gehören.

Robo Challenge kombiniert neueste Technologien mit technischem Konstruktionswissen, um Ideen zum Leben zu erwecken. Unter anderem wurden hier die “House Robots” für die TV-Serie “Robot Wars” konstruiert, das international schnellste Motorsägen-betriebene Fahrzeug gebaut und ein autonomer bilderkennungs- und GPS-gestützter Linienmarkierer für Fußballfelder entwickelt. 

 

Herausforderung

Spectre muss geschaffen werden: Ein Kampfroboter der nächsten Generation, ausgestattet mit einem hochmodernen Hydraulikbrecher als Waffe. Als Ingenieursteam hinter BBCs “Robot Wars” durfte Robo Challenge hier nicht an den Roboterkämpfen teilnehmen. Der Spectre wurde also kurzerhand für das Turnier “King Of Bots” (KOB) in China entworfen. James Cooper, der  Geschäftsführer bei Bobo Challenge, erklärt: “In keiner anderen Branche werden Materialien, Akkus und Motoren so sehr an ihre Grenzen getrieben wie in Roboterkämpfen. Wir müssen eine 110 Kilogramm schwere Kampfmaschine konstruieren, die in einer 110 Tonnen schweren kugelsicheren Arena dann drei Minuten Zeit hat, um den Gegner entweder zu zerstören, oder vom Gegner zerstört zu werden. 

 

Es gibt einen ausschlaggebenden Unterschied zwischen Kampfrobotern und der Automobiloder Raumfahrtindustrie: Bei Kampfrobotern muss nicht auf Sicherheit geachtet werden. Anders als zum Beispiel in der Formel 1 besteht während Roboterkämpfen auch in den spektakulärsten Kampfszenen kein Sicherheitsrisiko für die Zuschauer. Dadurch können wir Toleranzen von Materialspezifikationen viel weiter ausreizen, ohne katastrophale Folgen befürchten zu müssen.”

Robo Challenges Gestaltungsvorgaben für den neuen Kampfroboter forderten eine Neuerfindung des Hydraulikbrechers. Drehende Waffen haben Roboterkämpfe zuletzt dominiert, und daran sollte sich bei der Neukonstruktion orientiert werden. James erklärt weiter: “King of Bots ist unsere Möglichkeit, viele kreative Konstruktionen für eine extreme Umgebung zu kombinieren. Wir wollten der Welt das scheinbar Unmögliche bieten: Einen hydraulischen Brecher, der die technologische Klasse von “Robot Wars” sprengen würde.”

 

Lösung

Markforged 3D-Drucker von Mark3D: Robo Challenge benötigte einen zuverlässigen, hochfesten 3D-Drucker, mit dem gebrauchsfertige Teile in organischerem Design und mit stärkeren Materialien 3D-gedruckt werden können. Das Team wandte sich an Mark3D, einem preisgekrönten britischen Reseller der Markforged 3D-Drucker. Mark3D vertreibt, unterstützt und installiert Markforged-Geräte, die mithilfe der CFF-Technologie (“Continuous Filament Fabrication”, “Endlosfaser-Herstellung”) Endprodukte fertigen. Robo Challenge investierte in einen Mark Two 3D-Drucker mit dualen Druckköpfen. Ein Druckkopf extrudiert Onyx, während der andere das Onyx mit Kohlefaser verstärkt. Die Kohlefaser ist sechsmal stärker und 18-mal steifer als Onyx, und als Ersatz für Aluminium entwickelt. Mit Kohlefaser gedruckte Komponenten sind mit einer Biegefestigkeit von 470 MPa so stark wie Aluminium. 

“Dank Markforgeds Kohlefaser-3D-Drucker von Mark3D stehen uns jetzt alle Möglichkeiten offen. Wir können mit Materialien und Ihren Toleranzen an die Grenzen gehen und erschaffen superstarke und federleichte 3D-gedruckte Komponenten.” James Cooper, Geschäftsführer, Robo Challenge

Markforgeds 3D-Drucker können 3D-gedruckte Komponenten auch mit Kevlar und Glasfaser verstärken.

Für James ist Zuverlässigkeit das Wichtigste: “Spectres Erfolg basiert darauf, dass er in der Arena kampfbereit ist und auch einstecken kann. Die Kohlefasern sind so stark wie Aluminium. Durch die Filamente der Markforged 3D-Drucker wird ein Druck dimensionsstabiler als bei den FDM-Druckern, die wir bisher verwendet haben. Wir können die Kohlefaser nach Bedarf ausrichten, sodass unser Teil an jeder Stelle und in jeder Achse ausreichend Stabilität aufweist.” Markforgeds CFF-Technologie ermöglicht Robo Challenge auch mehr Konstruktionsfreiraum. James weiß, dass sein Team mit dem 3D-Druck mehr Zeit in die Konstruktion des perfekten Teils investieren kann: “Wir machen uns keine Sorgen mehr darüber, wie unser Entwurf von Stahl und herkömmlichen Fertigungsmethoden beeinträchtigt wird. Wir sind nicht mehr an die Möglichkeiten einer 3-achsigen Fräse gebunden, sondern können mit generativer Gestaltung experimentieren und jede erdenkliche Form herstellen.”

Stärkere und leichtere Materialien 3D-drucken Früher wurden Spectres “Schlüsselbeine” aus Aluminium gefertigt. Jedes hat etwa ein Kilogramm gewogen. Mit der Kohlefaser-Technologie des Markforged 3D-Druckers konnte das Gewicht halbiert werden, ohne dabei an Stabilität zu verlieren. “Wir haben die Vorteile der Kohlefaser für alle internen Komponenten von Spectre genutzt. So konnten wir Steifigkeit und Stärke erreichen, ohne dabei das Gewicht zu erhöhen. Das war für uns ein großer Schritt nach vorn”, berichtet James. Durch den 3D-Druck mit Kohlefaser sparte Robo Challenge durchschnittlich 500 Gramm pro interner Komponente. Spectres Gesamtgewicht verringerte sich damit um insgesamt 2,5 Kilogramm. Robo Challenge nutzte das, um einen zweiten Akku einzubauen, mit dem Spectres Brecher seine volle Leistung bringen kann.

Das Ergebnis

Spectre gewann die KOB Weltmeisterschaft 2017. Sein weiterentwickelter Hydraulikbrecher kann jetzt 22 Tonnen Kraft übertragen (Der letzte sehr erfolgreiche Hydraulikbrecher kam nur auf neun Tonnen). James erklärt, was Spectre von den rivalisierenden Robotern so sehr unterschied: “Akribische Detailtreue und präzise Analysen der Komponenten. Spectre ist nicht nur ein Konstruktionsprojekt, sondern auch ein Kunstwerk.” “Dank Markforgeds Kohlefaser-3D-Drucker von Mark3D stehen uns jetzt alle Möglichkeiten offen. Wir können mit Materialien und Ihren Toleranzen an die Grenzen gehen und erschaffen superstarke und federleichte 3D-gedruckte Komponenten. Das Ergebnis ist ein in jeder Hinsicht optimierter Roboter, der so gut aussieht, als würde er in eine Garage der Formel 1 gehören und nicht in eine Arena mit Kampfrobotern.” Für die KOB-Meisterschaft 2018 in China plant Robo Challenge mit Spectre, generativer
Gestaltung und 3D-gedruckten Teilen die Titelverteidigung.

Auf einen Blick
– Aluminiumteile durch 3D-gedruckte Komponenten ersetzen
– Superstarke Endprodukte
– Etwa 50% leichtere Teile
– Keine gestaltungstechnischen Kompromisse mehr

“Mark3D ist ein großartiger Anbieter unseres Markforged 3D-Druckers und der zugehörigen Materialien. Das engagierte Team ist unglaublich hilfsbereit und stellt uns Datenblätter und komplexe Muster der vielen erhältlichen Materialien zur Verfügung. Als bei Projekten Zeitdruck aufkam, wurden unsere Erwartungen mit schnellem und praxisbezogenem Support weit übertroffen. Um Spectre rechtzeitig kampfbereit zu haben, durften wir sogar einige seiner Komponenten bei Mark3D drucken lassen!” – James Cooper, Robo Challenge

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