Об изготовлении и сборке машинок для S4S

В данном тексте раскрываются некоторые подробности проектирования и изготовления машинки для трассы Scalextric в рамках образовательной программы Scalextric4Schools (S4S). Читателя ждёт краткая информация о том, как школьники из примитивного набора деталей

создают такую машинку

или такую:

Набор деталей покупается вместе с трассой (30 комплектов). До машинки недостаёт совсем немногого (см. рус. народ. сказ. "Каша из топора"):

• Ходовая часть, или шасси
• Корпус
• Опционально: краска, наклейки, светодиоды

Начнём с ходовой части. Это та часть, на которую крепятся колёса, оси, и мотор. Ходовая часть по определению способна ездить по трассе, а корпус фактически является лишь декорацией. Выглядят шасси примерно так:

На фото видно многообразие размеров и форм. Расстояние между колёсами, длина и ширина шасси не фиксированы.
Шасси собирается из плоских частей, которые вырезаются лазером из листа пластмассы толщиной 2мм или 3мм. Это сравнительно быстрая и недорогая процедура (изготовление одного шасси обходится в среднем в 150-200 р. и занимает 1 день). Невероятная удача, т.к. именно в проектировании шасси школьники делают большую часть ошибок, которые иначе, как изготовлением новых шасси, не исправить.

«Как спроектировать шасси?» — спросит нетерпеливый читатель. Развёрнутый ответ на этот вопрос выходит за рамки этого текста, поэтому мы ограничимся упоминанием того факта, что проектируем всё в Creo, и ссылкой на сайт PTC, где лежат модели машинок, которые можно использовать в качестве примера. Школьники не ограничены простыми конструкторскими решениями из тех примеров. Разрешается и поощряется придумывать для своей машинки передний привод, подшипники, нестандартные оси, два и более моторов, практически всё что угодно. Правила соревнований (да, по S4S есть международные соревнования, в которых ученики ФМЛ № 30 уже участвовали и выиграли приз) содержат некоторое количество запретов; но всё, что не запрещено, то разрешено.

Шасси в Creo:

 О том, как подготовить чертёж шасси для лазерной резки в условиях российской действительности, никакой информации в сети до сих пор не было. Восполним данный недостаток.

• В Creo делается сборка, где все детали шасси разложены в одной плоскости.
• Для этой сборки делается чертёж (drawing), следующим образом: создаётся пустой drawing, потом на на него (кнопка General) помещается рисунок детали, в параметрах выбирается проекция "Top" и режим показа "Wireframe" или "No hidden". Изображения всяких осей и плоскостей выключаются из чертежа так же, как выключается при проектировании деталей. В общем, остаётся голый чертёж из линий.
• Чертёж сохраняется в формате DXF.
• DXF-файл открывается в бесплатной программе векторной графики под названием Inkscape. При импорте может сбиться масштаб.
• В Inkscape из чертежа удаляется всё лишнее, что в него могло попасть. Должны остаться только линии, по которым режет лазер.
• Масштабирование чертежа (по необходимости). Переходите в Inkscape в режим редактирования узлов (F2). Переключаетесь по узлам, например, самой большой детали. В верхней панели видны их координаты. Не забудьте переключить их с пикселей (px) на миллиметры (mm). Несложными арифметическими действиями получаете ширину и высоту интересующей вас детали. Пропорции у них такие же, как в исходной детали, а абсолютные размеры в миллиметрах могут быть другими. Если они такие же, то переходим к пункту 7.
  
  • Измеряете ту же самую деталь в Creo (например, инструментом Distance). Делите один размер на другой и получаете коэффициент, на который надо отмасштабировать деталь в Inkscape, чтобы получить такую же, как в Creo например 2.25674.
  • В Inkscape выделяете все детали и запускаете инструмент Object->Transform (Ctrl+Shift+M). Там во вкладке Scale задаёте требуемый коэффициент в процентах (225.674). Нажимаете Apply.
• Важный момент: линии чертежа должны быть склеены одна с другой. Для того, чтобы их склеить, надо: переключиться в режим выделения (F1), выделить все детали, затем вызывать Path->Combine (Ctrl+K), потом переключиться в режим узлов (F2), затем выделить все узлы всех деталей (снизу будет написано что-то типа "585 of 585 nodes selected"), затем нажать кнопку "Join selected nodes", третью слева. Совпадающие по позиции узлы будут объединены, что и требуется. Количество узлов, заявленных снизу, должно уменьшиться примерно в два раза.
• Всё. Чертёж нужно сохранить в формате Inkscape svg (для себя) и в формате eps (для фирмы, которая будет делать лазерную резку). Фирме нужно послать eps-файл, указав на всякий случай контрольные размеры из п. 6.

В Петербурге услугу лазерной резки предоставляют несколько фирм, например эта.

Шасси после лазерной разки:

О процессе сборки шасси никто не расскажет лучше Тима Бразерхуда, создателя программы Scalextric4Schools:

01 02 04 05 06 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22

Теперь немного о корпусе машинки. Проектирование корпуса, как и проектирование шасси, является темой для отдельного изучения, начать можно с небольшого учебника (англ.) и примеров по ссылке выше. Корпус машинки выглядит в Creo примерно так:

или так: 

Для изготовления пластмассового воплощения корпуса есть три способа:

• 3D-печать по технологии FDM. Минимальная толщина модели — 2мм, т.е. модель должна быть спроектирована таким образом. Одна машинка обходилась нам примерно в 3500 р.
• 3D-печать по технологии SLS. Минимальная толщина модели — 1.5мм. Это лучше, чем FDM, т.к. модель получается тоньше и легче при той же прочности, ещё и дешевле. Одна машинка обходилась нам примерно в 2500 р. Данную услугу предоставляют фирмы по прототипированию.
• Изготовление формы на фрезере с ЧПУ + вакуумная формовка. Модель получается тонкая (1мм), прочная и лёгкая. Несколько корпусов по этой технологии для нас любезно изготовили наши партнёры в Англии. Доступность вакуумной формовки в коммерческих фирмах — пока что под вопросом. В сети, однако, есть примеры, как такое осуществить дома, с помощью духовки и пылесоса. Но в любом случае нужна форма, а доступных услуг по фрезеровке нам в прошлом учебном году не удалось найти в городе. Может быть, удастся в этом.

Для 3D-печати трёхмерная модель корпуса из Creo экспортируется в формат STL. Файл посылается в фирму (например, сюда), и через день-два у вас в руках готовый корпус.

С вакуумной формовкой всё слегка сложнее. В результате её у вас в руках оказывается не корпус, а деформированный лист пластмассы. О том, как из него своими руками вырезать корпус, рассказывает Тим Бразерхуд: 07 08 09 10 11 23.

Хорошо спроектированный корпус должен идеально садиться на шасси и требует разве что минимальной фиксации пластилином. В завершение, корпус можно покрасить аэрозолем:

... и украсить наклейками. Наклейки можно нарисовать в той же самой программе Inkscape, подогнав их по размеру к чертежам машинки. Печать наклеек -- очень доступная услуга, которую оказывают во многих местах, например здесь.

Энтузиасты могут снабдить свои авто изящными фарами: 

В S4S практически нет предела совершенству конструкторской мысли. Дети готовы с упоением заниматься машинками хоть целый учебный год.

Любая российская школа может бесплатно получить дистрибутив Creo, став участницей образовательной программы PTC. По вопросам приобретения трассы, а также по любым другим, можно обращаться к Дмитрию Орлову (dorlov@ptc.com).