Революция в болидах Formula Student: 3D-печатаемые формы для карбона и конечные детали

Formula Student — ежегодный инженерный дизайн-контест, где студенческие команды по всему миру строят и гонят формулообразные болиды. Команда TU Berlin, FaSTTUBe, — одна из крупнейших участников, выдвигающая 80–90 студентов ежегодно с 2005 года.

В этом сезоне FaSTTUBe проталкивает границы, разрабатывая три отдельных автомобиля: combustion, electric и autonomous. От осени до лета команда проходит полный цикл дизайна, мануфактуры, сборки и тестирования, оцениваемых по бизнес-модели, дизайн-концепции, cost report и гоночной производительности — особенно мощности, эффективности и выносливости.

Для ускорения разработки и сокращения затрат команда добавила Form 3 SLA 3D-принтер в свой инструментарий. Принтер позволяет быстро производить детали, которые иначе были бы невозможны или prohibitively expensive.

1. Прототипы: Быстрая печать прототипов для компонентов вроде anti-roll bar mounts и high-voltage battery brackets.
2. Формы для карбон-файбер деталей: Производство дюжины высокоточных форм, позволяющих फैбрикацию сложных карбон-файбер компонентов.
3. Конечные детали: Примерно 30 финальных автомобильных деталей — держатели кнопок, шифтер-педали, переключатели руля, соединители шлангов и датчиков — печатаются напрямую из SLA-смолы.

Technical Manager Никлас Вернер и Head of Aerodynamics & Carbon Manufacturing Феликс Хилкен провели нас через эти инновации.

Hand-laminated карбон-файбер детали на 3D-печатных формах

Прошлый сезон карбоновая пластина руля была laser-cut, а её грипы и электронный корпус построены через selective laser sintering (SLS). Для дальнейшего снижения веса команда экспериментировала с полыми грипами, но материаловая прочность была недостаточной. В этом году они выбрали карбон-файбер, предлагающий превосходные strength-to-weight ratios.

Хилкен разработал workflow, использующий 3D-печатные формы для wet lay-up ламинации — эффективный способ производства карбон-файбер деталей с минимальным инструментарием.

Посмотрите видео, чтобы увидеть, как работает процесс карбон-ламинации.

Используя карбон-файбер, вес корпуса руля упал с 120 г до всего 21 г. Хилкен спроектировал и построил форму за один день, позволяя геометрии, которая была бы prohibitively complex для производства традиционными средствами.

«Красота 3D-печати в том, что сложная форма так же легка в создании, как простая, используя то же оборудование и усилие. Многие фичи здесь просто не могут быть произведены cost-effectively никаким другим процессом», — объясняет Хилкен.

Хилкен ламинировал три слоя карбон-файбера на 3D-печатную форму, затем прессовал слои вместе, используя вторичную негативную форму.

Он выбрал Tough 1500 Resin за его сбалансированную elongation и modulus — позволяя деталям флексить и возвращаться при демолдинге. Одна форма может дать примерно десять деталей, хотя процесс operator-dependent; осторожная обработка предотвращает прилипание волокон или повреждение формы.

По сравнению с аутсорсингом CNC-фрезерованных алюминиевых форм, этот подход драматически снижает стоимость и лид-тайм. Без 3D-печати команда столкнулась бы с дорогим инструментарием, длинными лид-таймами и ограниченной свободой дизайна.

Производство карбон-файбер деталей с 3D-печатными формами

Скачайте white paper для comprehensive composite mold design guidelines и пошаговых инструкций по prepreg и hand-laminating карбон-файбер деталей.

Скачать White Paper

Анализ затрат и лид-тайма

Инхаус 3D-печатные формы режут как трудовые, так и материаловые затраты. Предполагая $200/час engineer rate, сравнение для руля следующее:

Конечные детали: от шифтер-педалей до кабель-коллекторов

Помимо компонентов руля, весь набор рулевых деталей — держатели кнопок, шифтер-педали, маунты, переключатели — печатаются на Form 3 с Tough 2000 Resin для долговечности, затем спрей-пейнтятся для единого финиша.

Всего в автомобиле около 30 SLA-напечатанных деталей. Например, кабель-коллекторы из Durable Resin аккуратно организуют жгуты проводов вокруг металлического шасси.

«Они отлично для сборки wire harness, потому что выглядят хорошо, и первые впечатления важны для жюри», — отмечает Никлас.

Команда также планирует дополнительные 3D-печатные enclosure, brake-light терминации и TSAL компоненты для электромобиля — световые индикаторы, показывающие high-voltage операцию.

Прототипирование генеративно-дизайненной детали перед металлической 3D-печатью

3D-печать также играет критическую роль в прототипировании сложных, топологически-оптимизированных деталей. Маунт для front-end valve — спроектированный через топологическую оптимизацию — был напечатан в смоле для верификации fit перед коммитом к алюминиевой металлической 3D-печати.

«Печать прототипа в смоле была cost-effective и позволила нам быстро валидировать дизайн. Деталь идеально вписалась, так что теперь она будет сфабрикована в алюминии», — говорит Никлас.

Battery cell holders для электрического race car также прототипировались с использованием 3D-печати.

Финализация автомобилей для гон temporadas

FaSTTUBe продолжает расширять область 3D-печати по всем трем автомобилям. Крупный грядущий проект — карбон-файберный airflow intake, требующий multi-part мольда, сборки и hand lamination.

Три race car запланированы для трек-тестинга весной. Вернер, Хилкен и команда предвкушают, что сезон начнется, как только COVID-19 ограничения снимутся.