碳纤维3D打印在设计中有什么作用?全国大学生机器人大赛参赛师生谈了关键几点

第22届全国大学生机器人大赛“RoboMaster2023机甲大师超级对抗赛”抽签中三支种子队伍上海交通大学、哈工大(深圳)、深圳大学抽在了一起,成为了名副其实的“死亡之组”。最后上海交通大学杀出重围并最终捧杯。

碳纤维增强3D打印是这个赛季Raise3D为多个赛队提供的超级秘密武器。此次Raise3D复志科技特别邀请了哈工大(深圳)南工骁鹰和上海交通大学交龙战队的指导老师和同学们,谈谈使用Raise3D打印机和碳纤增强材料的打印的心得体会。

Raise3DRoboMaster2023机甲大师超级对抗赛
© Raise3D

block 问:今年两所学校都进了国赛,并会师在“死亡之组”,大家可以先介绍下战队的情况和3D打印在队内的大致使用情况?

哈工大(深圳)戴老师(以下简称为戴老师):“南工骁鹰机器人队成立于2016年,致力于为哈工大深圳校区学子提供科技创新的有力平台,培养高素质创新、创业人才,提高本科生创新及工程实践能力,孵化创新创业团队,已经成为哈工大(深圳)成立时间最早、规模最大、最具有代表性的一支机器人战队。”

“南工骁鹰机器人队包括机械组、电控组、硬件组、算法组、宣传组,目前使用3D打印最多的属于机械组的队员。我们战队非常注重技术的革新和进步,在比赛前期,我们利用3D打印技术制作了许多自主设计的零部件和配件,使得我们的机器能够具备更高的性能和适应性。这些3D打印的零部件不仅提高了机器的稳定性和精度,还大大减少了制造成本和生产周期。”

“其次,3D打印技术也在我们队内起到了快速原型设计和调试的作用。我们可以通过3D打印快速制作出各种零部件和模型,进行机器的实验和测试。这使得我们能够更加高效地进行机器的优化和改进。”

“总体来说,3D打印技术在我们战队中扮演了重要角色,它不仅提高了我们机器的性能和稳定性,还为我们带来了更高效的原型设计和调试方法。”

交大武老师(以下简称为武老师):“今年的交龙大家可能都知道是从复活赛打上来的,一路杀进决赛拿到冠军。大家会觉得交龙今年走的很稳,其实也不是看到的这样逆袭而上,一帆风顺的。”

“比如今年比赛中机械臂工程车,当时的时候,是自旋开启陀螺的功能做防御,但是工程的底盘的传动带断裂,导致机器无法正常工作造成摔倒,那场相当于没工程,是很难打的。”

raise3D_Car

“但我们今年是有备用车,虽然赛队机器也会出现问题,但我们做了充分的准备,比如我们有两套技术方案,有两辆工程,一套机械臂,一套XY三点的运行方式,包括英雄主力有一台摩擦轮非常稳定,还有一台非常新的“弹弓”,用复合弓的弹性材料去发射大弹丸。”

“另外,我们的零件获取相对比较容易,目前有3台Raise3D E2CF碳纤维打印机,可以打印多种复合材料,还有许多其他桌面级的3D打印机,给战队提供了足够的技术支持。”

block 问:目前学校学生如何使用3D打印?现在比赛里面有什么典型的应用场景么?

戴老师:“目前学校使用3D打印机主要有4个场景,第一是课程,学校有3D打印成形相关的课程,学生会学习并使用到3D打印设备;第二是参加机器人竞赛,比如RoboMaster、RoboCon、工创赛及机创赛等,3D打印可以用于制作机器人的零部件、底盘、机械手臂等,通过3D打印,可以实现快速原型设计和定制化制造,满足不同机器人的需求;第三是用于科学研究;第四是作为青少年科普教育,已成为中小学或其他高校的参观点。

“这次RoboMaster比赛,有个比较典型的应用就是飞镖。飞镖本体全部是3D打印做的,研发过程中利用3D打印进行快速迭代。去年历经了大概几十次迭代,今年定型后迭代了四五次左右,飞镖内部的填充则考虑到控制重心的需求,最后设定在前端是100%填充,后端是40%的填充率,保证飞镖的弹道。”

raise3D_boom3D打印飞镖本体

武老师:“针对相对复杂的三维零件,实际上我们有普通PLA、E2CF设备3D打印的碳纤维增强尼龙和铝合金机加工这三个选项,现在我们复盘从整个比赛周期来看,PLA零件大概占了30%,20%是增强尼龙,剩下的一半是机加工。”

“三者的关系来说,刚开始做原型的时候先用PLA打,成本低,比如和哈工大深圳校区一样,我们的飞镖也是用3D打印来做的,大部分用PLA,因为我们认为飞镖就是一个一次性的零件,所以要保证它的使用成本,我们每次打非常多来用。”

“除了飞镖这种一次性的零件以外,其他零件定型以后,再用E2CF设备制作功能零件,测试下来还需要进一步加强性能的时候,我们再安排CNC的加工外协。

raise3D_car_1交龙战队使用Raise3D E2CF打印零件

block 问:两所学校都配置了桌面碳纤维打印设备E2CF,使用下来感觉如何?

武老师:“Raise3D 的E2CF 3D打印设备在我们的制作中应用非常广泛,尤其对于一些需要具备轻量化特性的立体结构件。以步兵机器人为例,其四个角落的滑环保护键是一个空间的立体结构,能够很好地保护传感器。如果采用传统的铝件机加工方式,成本会很高且重。但为了满足对刚性兼顾韧性的需求,就会选择E2CF 3D打印设备。”

“在之前进行的测试中,我们比较了E2CF和PLA打印出的两个块状体或两个平面状的物体在碰撞或敲击后的表现,发现E2CF设备3D打印出的物体综合性能确实比PLA要好很多。因此,对于需要较高强度的地方,我们都会选择E2CF来进行打印。”

raise3D_robort上交步兵机器人

戴老师:“在我们学校的实验与创新实践教育中心里面最主要是Raise3D打印机,一共有20多台。也有一些小的桌面级的设备,还有两套尼龙烧结的设备,Raise3D的话主要是Pro3、E2和E2CF 3D打印设备。”

“我们没有一定说是用增强碳纤来打印最终的零件,学生会自由的调整并且测试这个零件,比如说早期的平衡车第一代的轮毂我们是用E2CF 设备3D打印的增强碳纤维的,对比铝合金材质,大幅减轻轮子重量,制动提高,惯性小了。”

raise3D_wheel早期平衡车碳纤维增强轮毂

“后来我们测试发现使用Raise3D Pro3打印的PLA内轮毂,外圈增加了碳板保护的方案更好;就替换了原有的碳纤维增强的方案,应该说,E2CF 3D打印设备在里面扮演了一个碳纤维增强的一个平台,提供了很好的一个可选项,让我们可以灵活地去不断切换平台,以形成最好的方案。”

raise3D_wheel2Raise3D打印的PLA内轮毂,外圈增加了碳板保护

block 问:相比其他品牌的FDM/FFF的3D打印机,您觉得Raise3D给你们学生使用上最大的区别在哪里?

武老师:“我最认可的是复志的整个生态系统,特别是RaiseCloud,RaiseCloud是一个完整的企业管理方式,它可以让一个团队共享视野,同时绑定和监测多台3D打印机,谁用哪台机器执行了什么打印任务?项目处于什么状态?都可以在线上随时进行查看。”

“RaiseCloud也能自动对3D打印机、学生工单、打印项目以及材料使用等方面进行数据统计,就像在我们这个团队账号下,目前能看到已经打印了116盘零件。”

raise3D_phone

戴老师:“Raise3D我觉得比较好的地方就是对耗材的兼容性更强,我们使用了几台不同品牌3D打印机,尝试了不同的材料打印,发现对材料的兼容性其实不是很好。”

“Raise3D Pro3和E2采用双喷头设计,学生反馈Raise3D的设备3D打印效率更高,打印过程更稳定。这使学生和教师能够获得更多的打印自由度,进一步促进工科实践的发展。”

raise3D_pro3D打印成形实验室的Raise3D Pro3打印机

戴老师:“其次也是RaiseCloud软件,我们的实验室离3D打印成形实验室,还是有一段距离的,如果每次打印需要远程走过去开机,是比较麻烦的,我们要提高学生使用的便捷度。”

“通过RaiseCloud学生能在寝室,就可以远程下发指令,3D打印成形实验室属于24小时开放,学生会进行不间断的7天24小时连续生产,一般学生可能晚上打了后第二天来取,或者是白天打印晚上来拿。”

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