Koolstofvezelgieten en 3D-geprinte onderdelen voor eindgebruik voor Formula Student-raceauto's

De Formula Student is een jaarlijkse technische ontwerpwedstrijd waarin studententeams van over de hele wereld formule-achtige auto's bouwen en racen. Het Formula Student Team TU Berlin (FaSTTUBe) is een van de grootste groepen; Sinds 2005 ontwikkelen 80 tot 90 studenten elk jaar nieuwe raceauto's.

Voor het eerst bouwen ze dit seizoen drie modellen:verbranding, elektrisch en autonoom. Van de herfst tot de zomer hebben ze een jaar om de voertuigen voor de races te ontwerpen, produceren, assembleren en testen. Teams worden beoordeeld op het bedrijfsmodel, het ontwerpconcept, het kostenrapport en de raceprestaties, met name op kracht, efficiëntie en uithoudingsvermogen.

Dit jaar heeft het team een ​​Form 3 SLA 3D-printer aan hun toolset toegevoegd die ze hebben gebruikt om tijd en kosten te besparen en onderdelen te maken die op geen enkele andere manier mogelijk zouden zijn: 

1. Prototypes: ze printen prototypes voor verschillende onderdelen zoals bevestigingen van de stabilisatorstang of stakeholders van de HV-batterij.

2. Mallen om onderdelen van koolstofvezel te vervaardigen: het team heeft een tiental mallen geprint om onderdelen van koolstofvezel te fabriceren die anders niet gemaakt hadden kunnen worden.

3. Onderdelen voor eindgebruik: ongeveer 30 laatste onderdelen van de auto's zijn direct 3D-geprint van knophouders, shifters van het stuur tot slang en sensorconnectoren van de koelsystemen.

Niklas Werner, de technisch manager en Felix Hilken, het hoofd van Aerodynamics and Carbon Manufacturing, hebben ons kennis laten maken met de FaSTTUBe-faciliteiten en hebben ons door deze toepassingen geleid.

Handlamineren van koolstofvezelonderdelen op 3D-geprinte mallen

Een van de meest iconische onderdelen van elke raceauto is het stuur. Vorig seizoen gebruikte het team lasersnijden om een ​​koolstofplaat te maken en selectieve lasersintering (SLS) om de grepen en de behuizing te maken waarin de elektronica is ondergebracht.

Omdat gewichtsvermindering essentieel is bij de constructie van raceauto's, probeerden ze de grepen hol af te drukken, maar het zou niet sterk genoeg zijn om de greep van de bestuurder te dragen. Dit jaar hebben ze besloten om de onderdelen van koolstofvezel te maken, wat een geweldig materiaal is om het gewicht te verlagen en tegelijkertijd de sterkte te behouden of te vergroten.

Hilken heeft een workflow ontwikkeld die gebruikmaakt van 3D-geprinte mallen voor natte lay-up laminering, wat een geweldige manier is om onderdelen van koolstofvezel te gaan fabriceren met een minimum aan benodigdheden.

Bekijk de video om te zien hoe het koolstoflaminatieproces werkt.

Door koolstofvezel te gebruiken, heeft het team het gewicht van de stuurbehuizing teruggebracht van 120 g naar 21 g. Hilken had een dag nodig om de mal te ontwerpen en te bouwen. Ze waren in staat om het ontwerp naar geometrieën te duwen die traditioneel buitengewoon moeilijk te vervaardigen zouden zijn.

“Het mooie van 3D-printen is dat een complexe vorm net zo makkelijk te maken is als een simpele, het vereist dezelfde hoeveelheid werk en apparatuur. Sommige functies hier kunnen letterlijk met geen enkel ander proces op een economische manier worden gedaan, "zei Hilken.

Hilken lamineerde drie lagen koolstofvezel op een 3D-geprinte mal en gebruikte vervolgens een andere negatieve mal om de lagen samen te drukken.

Hilken gebruikte Tough 1500 Resin omdat het rek en modulus in evenwicht houdt. Onderdelen die in dit materiaal zijn gedrukt, kunnen aanzienlijk buigen en veren snel terug naar hun oorspronkelijke vorm, wat het uit de vorm halen van het onderdeel vergemakkelijkt. Met deze techniek schat Hilken dat één mal zou kunnen worden gebruikt om ongeveer tien onderdelen te fabriceren. Omdat dit een handmatig proces is, hangt het af van hoe nauwgezet de operator is:de mal kan eindigen met vastzittende vezels of schade door het scheidingsproces.

Lamineren met natte lay-up met een 3D-geprinte mal is een geweldige manier om onderdelen van koolstofvezel te gaan fabriceren met een minimum aan voorraad.

Zonder 3D-printen had het team het CNC-frezen van een aluminium mal moeten uitbesteden, wat duur is, een lange doorlooptijd heeft en gespecialiseerd gereedschap vereist.

"Ik zou de mal CNC hebben bewerkt, maar ik zou speciaal gereedschap moeten hebben en wachten tot er een gleuf op de machine komt. Maar ik kon deze geometrie niet eens doen, met name enkele van de kleine hoeken. Ik zou een ontwerp moeten gebruiken waar geen schroeven in zitten, zodat het onderdeel niet gevoelig zou zijn voor positionering,” zei Hilken.

Het nieuwe carbon chassis (links) naast het gemonteerde stuur (rechts) van vorig jaar.

Vervaardiging van koolstofvezelonderdelen met 3D-geprinte mallen

Download deze whitepaper voor richtlijnen voor het ontwerpen van composietmallen en stapsgewijze handleidingen voor de prepreg- en handmatige lamineermethoden om onderdelen van koolstofvezel te maken.

Analyse van kosten en doorlooptijd

Het 3D-printen van de mallen voor het handmatig lamineren van koolstofvezelonderdelen hielp het team de kosten en doorlooptijd drastisch te verlagen. Hier is een vergelijking tussen het uitbesteden van de metalen mal en het in-house 3D-printen voor het stuur. We houden rekening met arbeidskosten en materiaalkosten en we gaan uit van een ingenieurfactuur van $ 200 per uur.

Eindgebruiksonderdelen van schakelpedalen tot kabelverzamelaars

De grepen en het lichaam zijn niet de enige onderdelen op de stuurwielen die gebruikmaken van 3D-printen. Naast de gegoten koolstofonderdelen, de koolstofplaat en de elektronica, zijn alle andere componenten van het stuurwiel ook 3D-geprint op de Form 3.

De knophouders, schakelpedalen, bevestigingen van de schakelpedalen en de schakelaars zijn bedrukt met Tough 2000 Resin vanwege zijn taaiheid en duurzaamheid en vervolgens gespoten voor een uniforme kleur.

Knoppen, knophouders, schakelpedalen en de bevestigingen van de schakelpedalen op het nieuwe stuur zijn allemaal direct 3D-geprint.

In totaal heeft de auto momenteel ongeveer 30 SLA-geprinte onderdelen. Zo heeft het team ook kabelverzamelaars geprint om de kabels netjes te ordenen in de kabelbomen. Deze zijn gemaakt van duurzaam hars dat de flexibiliteit biedt om rond de buizen van het metalen chassis te passen.

"Die zijn geweldig voor het monteren van de kabelboom omdat ze er mooi uitzien en het is belangrijk om een ​​goede eerste indruk te maken voor de juryleden als ze hem zien," zei Niklas.

De 3D-geprinte kabelverzamelaars helpen om de kabels netjes te ordenen in de kabelbomen.

Er zijn enkele 3D-geprinte houders en behuizingen en het team is ook van plan om andere onderdelen te maken, zoals de uiteinden van het remlicht en TSAL-onderdelen - lichten in het elektrische voertuig, die laten zien of het systeem op hoogspanning werkt.

Prototyping van een generatief ontworpen onderdeel vóór 3D-printen op metaal

Het mag geen verrassing zijn dat het team ook 3D-printen gebruikte voor prototyping. Ze maakten bijvoorbeeld een prototype van de montage van de eindklep aan de voorkant van het chassis, een complex onderdeel dat is ontworpen met topologie-optimalisatie. Het laatste deel wordt vervaardigd met 3D-metaalprinten.

Het team gebruikte 3D-printen om een ​​prototype te maken van een complexe topologie-geoptimaliseerde montage die 3D-geprint zal worden in aluminium.

“We hebben het met een Formlabs-printer van hars geprint omdat het niet zo duur is. We hadden de mogelijkheid om te valideren of het op het chassis past of niet. We hebben gezien dat dit het geval is en nu wordt het gefabriceerd in aluminium,” zei Niklas.

Houders voor de batterijcel van de elektrische raceauto werden ook geprototypeerd met 3D-printen.

De auto's voor het raceseizoen afronden

Het team is momenteel nog volop bezig met de ontwikkeling van de drie raceauto's, dus het scala aan toepassingen waarbij 3D-printen wordt gebruikt, zal onvermijdelijk groeien.

Een van hun meest ambitieuze aankomende projecten is het creëren van de luchtstroominlaat uit koolstof. Dit zal een groter onderdeel zijn waarvoor de mal in meerdere delen in 3D moet worden geprint, deze moet worden gemonteerd en vervolgens met de hand over de mal moet worden gelamineerd.

De drie raceauto's zouden in het voorjaar de baan op moeten om te testen en Werner, Hilken en het team hopen dat het raceseizoen kan beginnen zodra de COVID-19-beperkingen zijn opgeheven.