Formula Student Racewagens Revolusioneren Met 3D-geprinte Koolstofvezel-mallen En Eindgebruiksonderdelen

De Formula Student is een jaarlijkse engineering-designwedstrijd waar studententeams wereldwijd formule-achtige auto's bouwen en racen. Het TU Berlijn-team, FaSTTUBe, is een van de grootste deelnemers, met 80-90 studenten elk jaar sinds 2005.

Dit seizoen duwt FaSTTUBe de grenzen op door drie distincte voertuigen te ontwikkelen: verbranding, elektrisch, en autonoom. Van herfst tot zomer voert het team een volledige cyclus van ontwerp, fabricage, assemblage en testen door, beoordeeld op businessmodel, ontwerpconcept, kostenrapport en raceprestaties – met name vermogen, efficiëntie en uithoudingsvermogen.

Om ontwikkeling te versnellen en kosten te verlagen, voegde het team een Form 3 SLA 3D-printer toe aan zijn toolkit. De printer stelt snelle productie van onderdelen in die anders onmogelijk of prohibitief duur zouden zijn.

1. Prototypes: Snel prototypes printen voor componenten zoals anti-rolbrug-beugels en high-voltage batterij-beugels.
2. Mallen voor koolstofvezel-onderdelen: Produceren van een tachtig hoge-precisie mallen die fabricage van complexe koolstofvezel-componenten mogelijk maken.
3. Eindgebruiksonderdelen: Ongeveer 30 finale auto-onderdelen – knophouders, schakelpedalen, stuurwielschakelaars, slang- en sensorconnectors – worden direct geprint vanuit SLA-hars.

Technisch Manager Niklas Werner en Hoofd Aerodynamica & Koolstofvezel-fabricage Felix Hilken giden ons door deze innovaties.

Hand-gelamineerde Koolstofvezel-onderdelen Op 3D-geprinte Mallen

Vorig seizoen was de stuurwiel-koolstofplaat gelasercut en de grepen en elektronische behuizing gebouwd via selective laser sintering (SLS). Om gewicht verder te verminderen, experimenteerde het team met holle grepen, maar de materiaalsterkte was onvoldoende. Dit jaar kozen ze koolstofvezel, wat superieure sterkte-gewichtsverhoudingen biedt.

Hilken ontwikkelde een workflow die 3D-geprinte mallen gebruikt voor nat-laminatie – een efficiënte manier om koolstofvezel-onderdelen te produceren met minimale tooling.

Bekijk de video om te zien hoe het koolstof-laminatieproces werkt.

Met koolstofvezel daalde het gewicht van de stuurwielbehuizing van 120 g naar slechts 21 g. Hilken ontwierp en bouwde de mal in één dag, wat geometrieën mogelijk maakte die prohibitief complex zouden zijn om traditioneel te fabriceren.

"De schoonheid van 3D-printen is dat een complexe vorm even makkelijk te creëren is als een simpele, met dezelfde apparatuur en inspanning. Veel van de kenmerken hier kunnen simpelweg niet kosteneffectief met een ander proces geproduceerd worden," legt Hilken uit.

Hilken lameerde drie lagen koolstofvezel op een 3D-geprinte mal en perste de lagen vervolgens samen met een secundaire negatieve mal.

Hij selecteerde Tough 1500 Resin voor zijn gebalanceerde rek en modulus – wat de onderdelen toelaat te buigen en terug te snellen tijdens demolding. Een mal kan ongeveer tien onderdelen opleveren, hoewel het proces operator-afhankelijk is; zorgvuldig hanteren voorkomt vezelkleef of melschade.

Vergeleken met uitbesteden CNC-gefreesde aluminiummallen, verlaagt deze benadering dramatisch kosten en levertijd. Zonder 3D-printen zou het team dure tooling, lange levertijden en beperkte ontwerpvrijheid hebben tegengehouden.

Koolstofvezel-onderdelen Fabriceren Met 3D-geprinte Mallen

Download het whitepaper voor uitgebreide composite-malontwerprichtlijnen en stap-voor-stap instructies voor prepreg en hand-lamineren van koolstofvezel-onderdelen.

Download Het Whitepaper

Kosten- En Levertijdanalyse

De in-house 3D-geprinte mallen snijden zowel arbeids- als materiaalkosten. Aannemend een $200/uur ingenieurstarief, is de vergelijking voor het stuurwiel als volgt:

Eindgebruiksonderdelen: Van Schakelpedalen Tot Kabelverzamelaars

Naast de stuurwielcomponenten, wordt de gehele set stuurwielonderdelen – knophouders, schakelpedalen, beugels, schakelaars – geprint op de Form 3 met Tough 2000 Resin voor duurzaamheid, daarna gespoten voor een uniform finish.

In totaal bevat de auto ongeveer 30 SLA-geprinte onderdelen. Bijvoorbeeld, kabelverzamelaars gemaakt van Durable Resin organiseren netjes harness-buizen rond het metalen chassis.

"Die zijn geweldig voor het assembleren van de draadharness omdat ze er goed uitzien, en eerste indrukken tellen voor de jury," merkt Niklas op.

Het team plannet ook extra 3D-geprinte behuizingen, remlicht-terminaties, en TSAL-componenten voor het elektrische voertuig – verlichtingsindicatoren die high-voltage operatie onthullen.

Prototypen Van Een Generatief-ontworpen Onderdeel Voor Metal 3D-printen

3D-printen speelt ook een kritieke rol in het prototypen van complexe, topologie-geoptimaliseerde onderdelen. De beugel voor de front-end-klep – ontworpen via topologie-optimalisatie – werd in hars geprint om pasvorm te verifiëren voordat men committeerde tot aluminium metal 3D-printen.

"Het printen van het prototype in hars was kosteneffectief en stelde ons in staat om het ontwerp snel te valideren. Het onderdeel past perfect, dus het zal nu in aluminium geproduceerd worden," zegt Niklas.

Batterijcelhouders voor de elektrische raceauto werden ook geprototyped met 3D-printen.

De Auto's Finaliseren Voor Het Race-seizoen

FaSTTUBe blijft de reikwijdte van 3D-printen uitbreiden over alle drie voertuigen. Een groot aankomend project is een koolstofvezel-luchtinlaat die een multi-part mal, assemblage en hand-laminatie zal vereisen.

De drie raceauto's zijn gepland voor baantesten in de lente. Werner, Hilken en het team verwachten dat het seizoen begint zodra COVID-19-beperkingen zijn opgeheven.