Формование из углеродного волокна и 3D-печатные детали для конечного использования для гоночных автомобилей Formula Student

Formula Student - это ежегодное соревнование по инженерному дизайну, в котором студенческие команды со всего мира строят и участвуют в гонках на автомобилях в стиле Formula. Студенческая команда Formula TU Berlin (FaSTTUBe) - одна из самых крупных групп; С 2005 года ежегодно от 80 до 90 студентов разрабатывают новые гоночные автомобили.

Впервые в этом сезоне строят три модели:топливную, электрическую и автономную. С осени до лета у них есть год на проектирование, производство, сборку и испытания автомобилей перед гонками. Команды оцениваются по бизнес-модели, концепции дизайна, отчету о расходах и гоночным характеристикам, в частности, по мощности, эффективности и выносливости.

В этом году команда добавила в свой набор инструментов 3D-принтер SLA по форме 3, который они использовали для экономии времени, затрат и создания деталей, которые были бы невозможны никаким другим способом:

1. Прототипы: они печатают прототипы различных деталей, таких как крепления стабилизатора поперечной устойчивости или элементы высоковольтной аккумуляторной батареи.

2. Формы для производства деталей из углеродного волокна: команда напечатала дюжину форм для изготовления деталей из углеродного волокна, которые нельзя было бы сделать иначе.

3. Части конечного использования: Около 30 финальных деталей автомобилей напрямую напечатаны на 3D-принтере от держателей кнопок, переключателей рулевого колеса до шлангов и разъемов датчиков систем охлаждения.

Никлас Вернер, технический менеджер, и Феликс Хилкен, руководитель отдела аэродинамики и углеродного производства, познакомили нас со средствами FaSTTUBe и познакомили с этими приложениями.

Ручное ламинирование деталей из углеродного волокна на 3D-печатных формах

Одна из самых знаковых частей любого гоночного автомобиля - это руль. В прошлом сезоне команда использовала лазерную резку для создания углеродной пластины и селективное лазерное спекание (SLS) для создания рукояток и корпуса, в котором размещена электроника.

Поскольку уменьшение веса имеет важное значение в конструкции гоночных автомобилей, они попытались напечатать ручки ручки полыми, но это было недостаточно, чтобы выдержать хватку водителя. В этом году они решили изготавливать детали из углеродного волокна, которое является отличным материалом для снижения веса при сохранении или повышении прочности.

Компания Hilken разработала рабочий процесс, в котором используются 3D-печатные формы для ламинирования мокрым слоем, что является отличным способом начать производство деталей из углеродного волокна с минимальными расходами.

Посмотрите видео, чтобы узнать, как работает процесс ламинирования углем.

Используя углеродное волокно, команда уменьшила вес корпуса рулевого колеса со 120 г до 21 г. Хилкен потребовался день, чтобы спроектировать и построить форму. Они смогли довести дизайн до геометрических форм, которые было бы чрезвычайно сложно изготовить традиционным способом.

«Самое замечательное в 3D-печати состоит в том, что сложную форму так же легко сделать, как и простую, для этого требуется столько же работы и оборудования. Некоторые из представленных здесь функций невозможно реализовать с экономической точки зрения с помощью любого другого процесса », - сказал Хилкен.

Hilken ламинировал три слоя углеродного волокна на 3D-печатной форме, а затем использовал другую негативную форму, чтобы спрессовать слои вместе.

Компания Hilken использовала смолу Tough 1500 Resin, поскольку она уравновешивает удлинение и модуль упругости. Детали, напечатанные из этого материала, могут значительно изгибаться и быстро возвращаться к своей первоначальной форме, что облегчает извлечение детали из формы. По оценкам Хилкен, с помощью этой техники с помощью одной формы можно изготовить около десяти деталей. Поскольку это ручной процесс, это зависит от того, насколько аккуратен оператор:в пресс-форме могут остаться застрявшие волокна или повреждения в процессе разделения.

Ламинирование мокрым слоем с помощью 3D-печатной формы - отличный способ начать производство деталей из углеродного волокна с минимальными расходами.

Без 3D-печати команде пришлось бы передать на аутсорсинг фрезерование алюминиевой формы с ЧПУ, что является дорогостоящим, требует длительного времени и специальных инструментов.

«Я бы обработал пресс-форму на станке с ЧПУ, но мне нужно было бы приобрести специализированные инструменты и подождать, пока на станке появится паз. Но я не мог даже сделать эту геометрию, в частности некоторые небольшие углы. Мне нужно было бы использовать конструкцию, в которой не было бы никаких винтов, поэтому деталь не будет чувствительна к позиционированию », - сказал Хилкен.

Новое карбоновое шасси (слева) рядом с собранным рулевым колесом (справа) прошлого года.

Белая бумага

Производство деталей из углеродного волокна с использованием форм для 3D-печати

Загрузите этот технический документ с рекомендациями по проектированию композитных форм и пошаговыми инструкциями по методам препрега и ручного ламинирования для создания деталей из углеродного волокна.

Загрузить информационный документ

Анализ затрат и времени выполнения

3D-печать форм для ручного ламинирования деталей из углеродного волокна помогла команде значительно сократить затраты и время выполнения заказа. Вот сравнение между аутсорсингом металлической формы и 3D-печатью рулевого колеса на дому. Мы принимаем во внимание затраты на рабочую силу и материалы и предполагаем, что тариф инженера составляет 200 долларов в час.

	Обработка пресс-форм с ЧПУ на аутсорсинге	Собственная 3D-печатная форма
Оборудование	Углеродное волокно, смолы, инструменты, вакуумный мешок	Углеродное волокно, смолы, инструменты, вакуумный мешок Принтер формы 3, Смола Tough 1500
Время изготовления пресс-формы	4-6 недель	2 дня
Затраты на оплату труда	0	300 долларов
Затраты на материалы	0	10 долларов
Общие затраты на производство пресс-форм	900 долларов	310

Части конечного использования, от педалей переключателя до кабельных коллекторов

Захваты и корпус - не единственные детали рулевого колеса, в которых использовалась 3D-печать. Фактически, помимо формованных карбоновых деталей, угольной пластины и электроники, все остальные компоненты рулевого колеса также напечатаны на 3D-принтере на Form 3.

Держатели кнопок, педали переключения передач, крепления педалей переключения передач и переключатели были напечатаны смолой Tough 2000 Resin для ее прочности и долговечности, а затем окрашены распылением для получения однородного цвета.

Кнопки, держатели кнопок, педали переключения и крепления педалей переключения на новом рулевом колесе - все это напрямую напечатано на 3D-принтере.

Всего на данный момент на автомобиль напечатано около 30 запчастей SLA. Например, команда также напечатала кабельные коллекторы, чтобы аккуратно упорядочить кабели в жгутах проводов. Они сделаны из прочной смолы, которая обеспечивает гибкость при установке на трубках металлического шасси.

«Они отлично подходят для сборки жгутов проводов, потому что они красиво выглядят, и важно произвести хорошее первое впечатление на судей, когда они их увидят», - сказал Никлас.

Напечатанные на 3D-принтере кабельные коллекторы помогают аккуратно упорядочить кабели в жгутах проводов.

Есть несколько напечатанных на 3D-принтере держателей и кожухов, и команда также планирует создать другие детали, такие как окончания стоп-сигнала и детали TSAL - фонари в электромобиле, которые показывают, работает ли система от высокого напряжения.

Создание прототипа созданной детали перед 3D-печатью из металла

Неудивительно, что команда также использовала 3D-печать для создания прототипов. Например, они создали прототип крепления концевого клапана на передней части шасси, который представляет собой сложную деталь, которая была спроектирована с оптимизацией топологии. Финальная часть будет изготовлена ​​с использованием 3D-печати металлом.

Команда использовала 3D-печать для создания прототипа оптимизированного крепления со сложной топологией, которое будет напечатано на 3D-принтере из алюминия.

«Мы напечатали его на принтере Formlabs из смолы, потому что это не так дорого. У нас была возможность проверить, подходит ли он к шасси или нет. Мы видели, что это так, и теперь он будет производиться из алюминия », - сказал Никлас.

Прототипы держателей аккумуляторной батареи гоночного электромобиля также были созданы с помощью 3D-печати. ​​

Завершение работы над автомобилями для гоночного сезона

В настоящее время команда все еще активно разрабатывает три гоночных автомобиля, поэтому спектр приложений, в которых используется 3D-печать, неизбежно будет расти.

Один из их самых амбициозных предстоящих проектов - создание воздухозаборника из углерода. Это будет большая деталь, для которой потребуется 3D-печать формы из нескольких частей, ее сборка и последующее ламинирование детали вручную над формой.

Три гоночных автомобиля должны выйти на трассу для тестирования весной, и Вернер, Хилкен и команда надеются, что гоночный сезон может начаться после снятия ограничений COVID-19.