Revolucionando Carros de Corrida Formula Student com Moldes de Fibra de Carbono e Peças de Uso Final Impressos em 3D

O Formula Student é um concurso anual de design de engenharia onde equipes estudantis mundialmente constroem e correm carros estilo fórmula. A equipe TU Berlin, FaSTTUBe, é uma das maiores participantes, com 80–90 estudantes anualmente desde 2005.

Esta temporada, a FaSTTUBe está ultrapassando limites desenvolvendo três veículos distintos: combustão, elétrico e autônomo. Do outono ao verão, a equipe realiza ciclo completo de design, fabricação, montagem e teste, julgada em modelo de negócio, conceito de design, relatório de custo e desempenho em corrida — particularmente potência, eficiência e resistência.

Para acelerar desenvolvimento e cortar custos, a equipe adicionou uma impressora 3D SLA Form 3 ao seu kit de ferramentas. A impressora permite produção rápida de peças que seriam impossíveis ou proibitivamente caras.

1. Protótipos: Impressão rápida de protótipos para componentes como suportes de barra antirrolagem e suportes de bateria de alta tensão.
2. Moldes para peças de fibra de carbono: Produção de uma dúzia de moldes de alta precisão que permitem fabricação de componentes complexos de fibra de carbono.
3. Peças de uso final: Aproximadamente 30 peças finais do carro — suportes de botão, pedais de mudança, interruptores do volante, conectores de mangueira e sensor — são impressas diretamente em resina SLA.

O Gerente Técnico Niklas Werner e o Chefe de Aerodinâmica e Fabricação de Carbono Felix Hilken guiaram-nos através destas inovações.

Peças de Fibra de Carbono Laminadas à Mão em Moldes Impressos em 3D

Na temporada passada, a placa de carbono do volante foi cortada a laser e seus grips e carcaça eletrônica foram construídos via sinterização seletiva a laser (SLS). Para reduzir peso ainda mais, a equipe experimentou grips ocos, mas a resistência do material foi insuficiente. Este ano escolheram fibra de carbono, que oferece razões resistência-peso superiores.

Hilken desenvolveu um fluxo de trabalho que usa moldes impressos em 3D para laminação úmida — uma maneira eficiente de produzir peças de fibra de carbono com ferramentas mínimas.

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

Usando fibra de carbono, o peso da carcaça do volante caiu de 120 g para apenas 21 g. Hilken projetou e construiu o molde em um único dia, permitindo geometrias que seriam proibitivamente complexas de fabricar por meios tradicionais.

"A beleza da impressão 3D é que uma forma complexa é tão fácil de criar quanto uma simples, usando o mesmo equipamento e esforço. Muitos dos recursos aqui simplesmente não podem ser produzidos custo-efetivamente com qualquer outro processo," explica Hilken.

Hilken laminou três camadas de fibra de carbono sobre um molde impresso em 3D e então prensou as camadas juntas usando um molde negativo secundário.

Ele selecionou Tough 1500 Resin por seu alongamento e módulo equilibrados — permitindo que as peças flexionem e voltem ao lugar durante desmolde. Um molde pode render aproximadamente dez peças, embora o processo seja dependente do operador; manuseio cuidadoso previne aderência de fibra ou dano ao molde.

Comparado à terceirização de moldes de alumínio usinados CNC, esta abordagem reduz drasticamente custo e prazo de entrega. Sem impressão 3D, a equipe enfrentaria ferramentas caras, longos prazos e liberdade de design limitada.

Fabricação de Peças de Fibra de Carbono com Moldes Impressos em 3D

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Análise de Custos e Prazo de Entrega

Os moldes impressos em 3D internamente cortam tanto custos de mão de obra quanto de material. Assumindo taxa de engenheiro de $200/hora, a comparação para o volante é a seguinte:

Peças de Uso Final: De Pedais de Mudança a Coletores de Cabo

Além dos componentes do volante, todo o conjunto de peças do volante — suportes de botão, pedais de mudança, montagens e interruptores — são impressos na Form 3 usando Tough 2000 Resin para durabilidade, então pintados com spray para acabamento uniforme.

No total, o carro apresenta cerca de 30 peças impressas em SLA. Por exemplo, coletores de cabo feitos de Durable Resin organizam ordenadamente tubos de chicote ao redor do chassi metálico.

"São ótimos para montar o chicote porque ficam bonitos, e primeiras impressões importam para os juízes," nota Niklas.

A equipe também planeja gabinetes impressos em 3D adicionais, terminações de luz de freio e componentes TSAL para o veículo elétrico — indicadores de iluminação que revelam operação de alta tensão.

Prototipando Peça com Design Generativo Antes da Impressão 3D em Metal

A impressão 3D também desempenha papel crítico na prototipagem de peças complexas otimizadas topologicamente. A montagem para a válvula de frente — projetada via otimização topológica — foi impressa em resina para verificar ajuste antes de comprometer-se com impressão 3D em alumínio.

"Imprimir o protótipo em resina foi custo-efetivo e nos permitiu validar o design rapidamente. A peça encaixa perfeitamente, então agora será fabricada em alumínio," diz Niklas.

Suportes de célula de bateria para o carro de corrida elétrico também foram prototipados usando impressão 3D.

Finalizando os Carros para a Temporada de Corrida

A FaSTTUBe continua expandindo o escopo da impressão 3D em todos os três veículos. Um grande projeto futuro é uma entrada de ar de fibra de carbono que exigirá molde multiparte, montagem e laminação manual.

Os três carros de corrida estão programados para testes de pista na primavera. Werner, Hilken e a equipe antecipam que a temporada começará uma vez que restrições de COVID-19 sejam suspensas.