Moldagem de fibra de carbono e peças impressas em 3D de uso final para carros de corrida de estudantes de fórmula

O Formula Student é uma competição anual de design de engenharia em que equipes de estudantes de todo o mundo constroem e competem em carros estilo fórmula. A Formula Student Team TU Berlin (FaSTTUBe) é um dos maiores grupos; De 80 a 90 alunos desenvolveram novos carros de corrida todos os anos desde 2005.

Pela primeira vez, nesta temporada estão construindo três modelos:a combustão, elétrico e autônomo. Do outono ao verão, eles têm um ano para projetar, fabricar, montar e testar os veículos antes das corridas. As equipes são avaliadas no modelo de negócios, conceito de design, relatório de custos e desempenho de corrida, em particular para potência, eficiência e resistência.

Este ano, a equipe adicionou uma impressora 3D Form 3 SLA ao seu conjunto de ferramentas que eles usaram para economizar tempo, custos e criar peças que não seriam possíveis de outra maneira:

1. 
   Protótipos: eles imprimem protótipos para várias peças, como montagens da barra estabilizadora ou partes interessadas da bateria HV.
   
2. 
   Moldes para fabricar peças de fibra de carbono: a equipe imprimiu uma dúzia de moldes para fabricar peças de fibra de carbono que não poderiam ser feitas de outra forma.
   
3. 
   Peças de uso final: cerca de 30 partes finais dos carros são impressas diretamente em 3D a partir de suportes de botões, deslocadores do volante à mangueira e conectores de sensores dos sistemas de refrigeração.
   

Niklas Werner, o Gerente Técnico e Felix Hilken, o Chefe de Aerodinâmica e Fabricação de Carbono, nos apresentaram as instalações da FaSTTUBe e nos guiaram por essas aplicações.

Laminação manual de peças de fibra de carbono em moldes impressos em 3D

Uma das partes mais icônicas de qualquer carro de corrida é o volante. Na última temporada, a equipe usou o corte a laser para criar uma placa de carbono e a sinterização seletiva a laser (SLS) para criar os punhos e o corpo que abriga os componentes eletrônicos.

Como reduzir o peso é essencial na construção de carros de corrida, eles tentaram imprimir os punhos vazios, mas não eram fortes o suficiente para suportar o aperto do piloto. Este ano decidiram fabricar as peças em fibra de carbono, um ótimo material para diminuir peso e ao mesmo tempo manter ou aumentar a resistência.

A Hilken desenvolveu um fluxo de trabalho que emprega moldes impressos em 3D para laminação wet lay-up que é uma ótima maneira de começar a fabricar peças de fibra de carbono com suprimentos mínimos.

Assista ao vídeo para ver como funciona o processo de laminação de carbono.

Com o uso de fibra de carbono, a equipe reduziu o peso da carcaça do volante de 120 ga 21 g. Hilken precisou de um dia para projetar e construir o molde. Eles foram capazes de levar o projeto a geometrias que seriam extremamente difíceis de fabricar tradicionalmente.

“A grande vantagem da impressão 3D é que uma forma complexa é tão fácil de fazer quanto uma simples, requer a mesma quantidade de trabalho e equipamento. Alguns dos recursos aqui literalmente não podem ser feitos com nenhum outro processo de forma econômica ”, disse Hilken.

A Hilken laminou três camadas de fibra de carbono em um molde impresso em 3D e, em seguida, usou outro molde negativo para pressionar as camadas juntas.

A Hilken usou a resina Tough 1500 porque ela equilibra o alongamento e o módulo. As peças impressas neste material podem dobrar significativamente e voltar rapidamente ao seu formato original, o que facilita a desmoldagem da peça. Com essa técnica, Hilken estima que um molde poderia ser usado para fabricar cerca de dez peças. Por se tratar de um processo manual, depende do rigor do operador:o molde pode ficar com fibras presas ou danificadas pelo processo de separação.

Laminação de lay-up úmido com molde impresso em 3D é uma ótima maneira de começar a fabricar peças de fibra de carbono com suprimentos mínimos.

Sem a impressão 3D, a equipe teria que terceirizar o fresamento CNC de um molde de alumínio, que é caro, tem um longo tempo de execução e requer ferramentas especializadas.

“Eu usaria o molde por CNC, mas precisaria obter ferramentas especializadas e esperar para obter uma ranhura na máquina. Mas eu não consegui nem fazer essa geometria, em particular alguns dos pequenos cantos. Eu precisaria usar um design que não tivesse parafusos, então a peça não seria sensível ao posicionamento ”, disse Hilken.

O novo chassis de carbono (à esquerda) ao lado do volante montado (à direita) do ano passado.
Papel branco

Fabricação de peças de fibra de carbono com moldes impressos em 3D

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Análise de custos e lead time

A impressão 3D dos moldes para laminação manual de peças de fibra de carbono ajudou a equipe a reduzir drasticamente os custos e o tempo de espera. Aqui está uma comparação entre terceirizar o molde de metal e imprimi-lo internamente em 3D para o volante. Levamos os custos de mão de obra e custos de material em consideração e assumimos a taxa de faturamento de um engenheiro de $ 200 por hora.

	Molde usinado CNC terceirizado	Molde interno impresso em 3D
Equipamento	Fibra de carbono, resinas, ferramentas, saco de vácuo	Fibra de carbono, resinas, ferramentas, saco a vácuo Impressora Form 3, Resina 1500 resistente
Tempo de produção do molde	4-6 semanas	2 dias
Custos de mão de obra	0	$ 300
Custos de materiais	0	$ 10
Custos totais de produção do molde	$ 900	$ 310

Peças de uso final, de pedais de câmbio a coletores de cabos

Os punhos e o corpo não são as únicas partes dos volantes que alavancaram a impressão 3D. Na verdade, além das peças moldadas de carbono, a placa de carbono e os componentes eletrônicos, todos os outros componentes do volante são impressos em 3D no Form 3 também.

Os suportes de botão, pedais de câmbio, montagens dos pedais de câmbio e os interruptores foram impressos com Resina Tough 2000 para sua resistência e durabilidade e depois pintados com spray para uma cor uniforme.

Botões, suportes de botão, pedais de câmbio e as montagens dos pedais de câmbio no novo volante são impressos diretamente em 3D.

Ao todo, o carro conta atualmente com cerca de 30 peças impressas SLA. Por exemplo, a equipe também imprimiu coletores de cabos para organizar ordenadamente os cabos nos chicotes de fios. Eles são feitos de resina durável que fornece a flexibilidade para caber em torno dos tubos do chassi de metal.

“Eles são ótimos para montar o chicote de fios porque têm uma boa aparência e são importantes para causar uma ótima primeira impressão para os juízes quando os virem”, disse Niklas.

Os coletores de cabos impressos em 3D ajudam a organizar perfeitamente os cabos nos chicotes de fios.

Existem alguns suportes e gabinetes impressos em 3D e a equipe também está planejando criar outras peças, como as terminações da luz de freio e peças TSAL - luzes no veículo elétrico, que mostram se o sistema está funcionando em alta tensão.

Prototipagem de uma peça projetada generativa antes da impressão 3D de metal

Não deve ser surpresa que a equipe também usou impressão 3D para prototipagem. Por exemplo, eles criaram um protótipo da montagem da válvula final na frente do chassi, que é uma parte complexa que foi projetada com otimização de topologia. A parte final será confeccionada com impressão 3D em metal.

A equipe usou a impressão 3D para criar um protótipo de uma montagem otimizada de topologia complexa que será impressa em 3D em alumínio.

“Imprimimos com a impressora Formlabs de resina porque não é tão caro. Tivemos a opção de validar se cabe no chassi ou não. Vimos que sim e agora será fabricado em alumínio ”, disse Niklas.

Os suportes para a pilha da bateria do carro de corrida elétrico também foram prototipados com impressão 3D.

Finalizando os carros para a temporada de corridas

A equipe ainda está desenvolvendo muito os três carros de corrida, então a gama de aplicações onde a impressão 3D é usada irá inevitavelmente crescer.

Um de seus próximos projetos mais ambiciosos é criar uma entrada de fluxo de ar a partir do carbono. Esta será uma peça maior que exigirá a impressão 3D do molde em várias partes, montagem e laminação manual da peça sobre o molde.

Os três carros de corrida devem entrar na pista para testes na primavera e Werner, Hilken e a equipe esperam que a temporada de corrida possa começar assim que as restrições do COVID-19 forem suspensas.