MOTH – Bolid 3D z Politechniki Poznańskiej

MOTH – Bolid 3D z Politechniki Poznańskiej

30/07/2016

Dziewięcioro studentów Politechniki Poznańskiej, zrzeszonych w kole naukowym Inżynierii Wirtualnej Projektowania, zbudowało jednoosobowy pojazd wydrukowany w technologii 3D, napędzany wkrętarką marki Bosch.

Pomysłodawcą i liderem zespołu jest Sylwester Szymański, student zarządzania inżynierii produkcji na Wydziale Budowy Maszyn i Zarządzania. Będąc na wymianie studenckiej w Niemczech usłyszał o zawodach Akkuschrauberrennen w Hildesheim, w których biorą udział jednoosobowe pojazdy napędzane wkrętarką. A gdy okazało się, że w tegorocznej edycji wyścigu rama pojazdu ma być wydrukowana w 3D, uznał, że to idealna okazja do sprawdzenia sił, bo właśnie w druku 3D specjalizuje się koło naukowe, do którego należy. Organizatorzy zawodów przystali na udział zespołu z Polski.

Cała rama

Przed studentami stanęło nie lada wyzwanie – zaprojektowanie i wydrukowanie w 3D bolida. Plan był taki, żeby użyć drukarek 3D dostępnych na uczelni, jednak po nawiązaniu współpracy z Materialise – liderem na rynku druku 3D – postanowiono wydrukować ramę (największy element pojazdu) w siedzibie głównego sponsora.

Jako jedyny zespół w tegorocznej edycji konkursu mieliśmy ramę wydrukowaną w całości, a nie z małych części jak zrobili to pozostali – mówi z dumą Patrycja Kronkowska, jeden z członków zespołu – co było naszym wielkim atutem, szczególnie w konkurencji innowacja i design – i dodaje – Zaletą naszej ramy był także materiał, z którego została stworzona, czyli poliamid. (Poliamid ma większą wytrzymałość i lepszą powierzchnię, niż często stosowane zamiennie tworzywo ABS)

Ze względu na duże gabaryty ramy (jak na wydruk 3D) – 75 cm długość i 45 cm szerokość – proces drukowania trwał ok. 20 godzin. Rama została wydrukowana z PA-6 metodą SLS (Selective Laser Sintering), czyli selektywnego spiekania laserowego proszków na bazie poliamidu. Plusem tej metody jest brak konieczności dalszej obróbki.

Przy konstrukcji ramy zastosowano system optymalizacji wagi, który polegał na zbudowaniu wewnątrz skorupy konstrukcji składającej się z wielu sześcianów o boku 10mm. Pomysł ten został wcześniej wykorzystany przez Materialise m.in. przy stworzeniu pierwszej na świecie, wydrukowanej podeszwy obuwia z tworzywa TPU dla marki Adidas.

Przed oddaniem do druku dokładność powierzchni była sprawdzana m.in. w programie Alias Automotive, w którym powstają modele aut takich marek jak BMW czy Audi.

Drugim głównym sponsorem został Volkswagen Poznań – Fabryka Samochodów Użytkowych i Komponentów, a przyczynił się do tego Sylwester Szymański, który jest zwycięzcą ubiegłorocznej edycji konkursu dla najbardziej uzdolnionych inżynierów – „BE THE BEST”, organizowanego przez Volkswagen Poznań. Kiedy zwrócił się o poparcie dla nowego projektu, nie było wątpliwości, że je otrzyma.

moth2

Jak wygląda ĆMA?

Lider zespołu jest również autorem nazwy i stylistyki poznańskiego bolida. Zainspirował go kształt ćmy (ang. moth – ćma) i jej dynamiczna sylwetka nawet w czasie spoczynku. Cały pojazd ma 125 cm długości i 85 cm szerokości. Jest trójkołowcem, jak pozostałe. Z drukarki 3D, oprócz ramy, pochodzą części przedniego i tylnego zawieszenia oraz wahacza. Wydrukowana jest także zwrotnica (część układu kierowniczego), co jest niespotykane, gdyż pozostałe zespoły wykonały ten element z aluminium, dla większego bezpieczeństwa. Większość elementów jest wydrukowana z poliamidu, a niektóre z ABS. Dzięki temu pojazd łączy różne technologie. Na uczelni wydrukowano ostateczny górny element mocujący wahacz oraz prototypy większości części. Wiele z elementów zespół zaprojektował i wykonał na tokarkach i frezarkach dostępnych na uczelni. Te zaś, których nie udałoby się (póki co) wydrukować w 3D, zostały kupione: kierownica, felgi, opony, koła oraz elementy wykończeniowe, takie jak śruby i linki. W konstrukcji MOTHa zastosowano podzespoły o najwyższej jakości. Większość pochodzi z Polski, część sprowadzono zza granicy.

Co może wkrętarka?

Napęd wszystkich pojazdów biorących udział w zawodach stanowiła wkrętarka marki Bosch – najnowszy model, PSR18. Pochodziła od głównego sponsora wyścigu, czyli marki BOSCH. „Dostaliśmy ją wcześniej do celów projektowych oraz do testów, jednak każda z drużyn otrzymywała całkowicie nową wkrętarkę na starcie, by nikt nie mógł przy niej majsterkować, a co za tym idzie podrasować mocy wkrętarki, wiec szanse były wyrównane” – zapewnia Patrycja Kronkowska.

Zainstalowano ją z przodu pojazdu, za pomocą pasa zębatego napęd przełożono na tylne koło. Przy niewielkiej mocy napędu przełożenie jest najważniejsze. W tym przypadku musiał to być kompromis między mocą a prędkością maksymalną.

Na początku pomyśleliśmy, że co może taka zwykła wkrętarka, ale jak się okazało w poprzednich edycjach wyścigu zespoły osiągały prędkość nawet do 35 km/h, a to już jest sporo jak na pojazd napędzany jedynie wkrętarką! – mówi z pasją Sylwester Szymański

Jak działa mechanizm sterujący obrotami wkrętarki?

„Elektroniczny system sterowania napędem, jest to wykorzystanie w minimalnym stopniu potencjału Arduino (Arduino – platforma programistyczna dla systemów wbudowanych oparta na prostym projekcie Open Hardware przeznaczonym dla mikrokontrolerów montowanych w pojedynczym obwodzie drukowanym, z wbudowaną obsługą układów wejścia/wyjścia oraz standaryzowanym językiem programowania). Na podstawie położenia potencjometru liniowego suwakowego, mikrokontroler zadaje obrót serwomechanizmu z zamontowanym orczykiem. Sam potencjometr został schowany w specjalnie zaprojektowanej obudowie, wydrukowanej w naszym zakładzie – wyjaśnia Przemysław Wojtera. – Następnie cały element zamocowany został w środku lemondki oraz połączony cięgnem sztywnym z klamką. Jednak zaprojektowanie układu jest tylko połową drogi, konieczne było także jego zaprogramowanie. Dzięki precyzyjnemu określeniu położenia suwaka potencjometru (jego położenie jest odczytywane poprzez zmianę oporu na stykach elementu), możliwe było określenie kątów początkowych i końcowych wychylenia orczyka.

Ludzie, którzy znają temat elektroniki, mogą pomyśleć: „Po co montować Arduino tylko do wykorzystania serwa i potencjometru?!” Oczywiście mają rację, tyle że projekt MOTH jest dalej rozwijany, mamy w planach zastosowanie jeszcze wielu ciekawych rozwiązań, dla których ta platforma będzie wprost idealna (np.  sprawdzanie parametrów pracy wkrętarki online, czyli obroty wrzeciona, temperatura, połączenie MOTHa z telefonem, aby wyświetlać te dane kierowcy).”

Rząd górny od lewej: Przemysław Wojtera - elektroniczny układ sterowania napędem, obliczenia wytrzymałościowe, Patrycja Kronkowska - promocja i marketing, Krzysztof Wilawer - modelowanie 3D, Łukasz Stachowiak – druk 3D, kierowca pojazdu, Łukasz Buława – frezowanie oraz dobór elementów rowerowych. Rząd dolny od lewej: Paweł Wachowski - opracowanie układu przeniesienia napędu, Mateusz Cieślak - opracowanie konceptu, napędu oraz geometrii zawieszenia, Sylwester Szymański – główny projektant i lider zespołu, planował i koordynował wszystkie prace w ramach projektu, odpowiadał za terminy i pozyskiwanie finansowania, Michał Sikorski – frezowanie.

Rząd górny od lewej: Przemysław Wojtera – elektroniczny układ sterowania napędem, obliczenia wytrzymałościowe, Patrycja Kronkowska – promocja i marketing, Krzysztof Wilawer – modelowanie 3D, Łukasz Stachowiak – druk 3D, kierowca pojazdu, Łukasz Buława – frezowanie oraz dobór elementów rowerowych. Rząd dolny od lewej: Paweł Wachowski – opracowanie układu przeniesienia napędu, Mateusz Cieślak – opracowanie konceptu, napędu oraz geometrii zawieszenia, Sylwester Szymański – główny projektant i lider zespołu, planował i koordynował wszystkie prace w ramach projektu, odpowiadał za terminy i pozyskiwanie finansowania, Michał Sikorski – frezowanie.

Wyścig

25 czerwca 2016 r., w dniu, kiedy Polska grała ze Szwajcarią na mistrzostwach Euro, MOTH ścigał się z ośmioma pojazdami z Niemiec i jednym z Holandii, jako jedyny i pierwszy w tych zawodach pojazd zaprojektowany i wykonany przez zespół z Polski.

Długość jednego okrążenia wynosiła 140 m, w pierwszym etapie należało przejechać dwa okrążenia, w drugim trzy. Jedną z trzech kategorii wyścigu, obok prędkości i autoprezentacji, była innowacja i design. Na niej właśnie zespołowi zależało najbardziej. Dlatego właściwe dopracowanie każdego szczegółu było niezwykle istotne.

„Tylko jeden punkt dzielił nas od podium w naszej konkurencji, czyli design i innowacja, jednak i tak czujemy się wygrani – z dumą mówi Sylwester Szymański w imieniu całego zespołu i podsumowuje – Było to dla nas niesamowite przeżycie, przy którym nauczyliśmy się wielu nowych, ciekawych rzeczy.”

To jeszcze nie koniec

W maju MOTH zgarnął pierwsze miejsce na gali grantów organizowanej przez Politechnikę Poznańską, a na początku czerwca można było go obejrzeć na żywo na poznańskich targach 3D Solutions. To oczywiście nie koniec ambitnych planów związanych z przyszłością MOTHa. 3. sierpnia bolid zostanie zaprezentowany na evencie Materialise we Wrocławiu, a o kolejnych okazjach do obejrzenia i wypróbowania pojazdu zespół będzie informował na swoim fanpage’u. W najbliższych planach jest m.in. wystartowanie w ogólnopolskich konkursach konstrukcji studenckich KOKOS i KOKON oraz w konkursach projektowych, gdzie jest szansa na zauważenie i docenienie doskonałej formy bolida.
Przełożenie pojazdu jest wciąż ulepszane, żeby wycisnąć maksimum z napędu, a kilkoro członków zespołu pisze prace inżynierskie na podstawie projektu MOTHa.