Piezas impresas en 3D de uso final y molduras de fibra de carbono para autos de carreras de Formula Student

La Formula Student es una competencia anual de diseño de ingeniería en la que equipos de estudiantes de todo el mundo construyen y compiten con autos estilo fórmula. El Formula Student Team TU Berlin (FaSTTUBe) es uno de los grupos más grandes; De 80 a 90 estudiantes han estado desarrollando nuevos autos de carreras cada año desde 2005.

Por primera vez, esta temporada están construyendo tres modelos:de combustión, eléctrico y autónomo. De otoño a verano, tienen un año para diseñar, fabricar, montar y probar los vehículos antes de las carreras. Los equipos se evalúan según el modelo de negocio, el concepto de diseño, el informe de costes y el rendimiento en las carreras, en particular en cuanto a potencia, eficiencia y resistencia.

Este año, el equipo agregó una impresora 3D Form 3 SLA a su conjunto de herramientas que han utilizado para ahorrar tiempo, costos y crear piezas que no serían posibles de otra manera:

1. Prototipos: imprimen prototipos para diversas piezas, como soportes de la barra estabilizadora o partes interesadas de la batería HV.

2. Moldes para fabricar piezas de fibra de carbono: el equipo imprimió una docena de moldes para fabricar piezas de fibra de carbono que no se podrían haber hecho de otra manera.

3. Piezas de uso final: Aproximadamente 30 piezas finales de los coches se imprimen directamente en 3D desde los soportes de los botones, las palancas de cambio del volante hasta las mangueras y los conectores de los sensores de los sistemas de refrigeración.

Niklas Werner, director técnico, y Felix Hilken, director de aerodinámica y fabricación de carbono, nos presentaron las instalaciones de FaSTTUBe y nos explicaron estas aplicaciones.

Laminado a mano de piezas de fibra de carbono en moldes impresos en 3D

Una de las partes más emblemáticas de cualquier coche de carreras es el volante. La temporada pasada, el equipo utilizó el corte por láser para crear una placa de carbono y la sinterización selectiva por láser (SLS) para crear los agarres y el cuerpo que alberga la electrónica.

Dado que la reducción de peso es esencial en la construcción de autos de carreras, intentaron imprimir los puños huecos, pero no sería lo suficientemente fuerte como para soportar el agarre del conductor. Este año decidieron fabricar las piezas con fibra de carbono, que es un gran material para reducir el peso y mantener o aumentar la resistencia.

Hilken desarrolló un flujo de trabajo que emplea moldes impresos en 3D para laminación en húmedo que es una excelente manera de comenzar a fabricar piezas de fibra de carbono con suministros mínimos.

Mire el video para ver cómo funciona el proceso de laminado de carbón.

Al utilizar fibra de carbono, el equipo redujo el peso de la carcasa del volante de 120 ga 21 g. Hilken necesitó un día para diseñar y construir el molde. Pudieron llevar el diseño a geometrías que serían extremadamente difíciles de fabricar tradicionalmente.

“Lo mejor de la impresión 3D es que una forma compleja es tan fácil de hacer como una simple, requiere la misma cantidad de trabajo y equipo. Algunas de las funciones aquí mencionadas literalmente no se pueden realizar con ningún otro proceso de manera económica ”, dijo Hilken.

Hilken laminó tres capas de fibra de carbono en un molde impreso en 3D y luego usó otro molde negativo para unir las capas.

Hilken utilizó la resina Tough 1500 porque equilibra el alargamiento y el módulo. Las piezas impresas en este material pueden doblarse de forma significativa y volver rápidamente a su forma original, lo que facilita el desmoldeo de la pieza. Con esta técnica, Hilken estima que se podría usar un molde para fabricar unas diez piezas. Al tratarse de un proceso manual, depende de lo meticuloso que sea el operario:el molde puede terminar con fibras pegadas o daños por el proceso de separación.

La laminación en húmedo con molde impreso en 3D es una excelente manera de comenzar a fabricar piezas de fibra de carbono con suministros mínimos.

Sin la impresión 3D, el equipo habría tenido que subcontratar el fresado CNC de un molde de aluminio, que es caro, tiene un largo plazo de entrega y requiere herramientas especializadas.

“Habría mecanizado el molde con CNC, pero necesitaría herramientas especializadas y esperaría para obtener una ranura en la máquina. Pero ni siquiera pude hacer esta geometría, en particular algunas de las esquinas pequeñas. Necesitaría usar un diseño que no tenga tornillos, por lo que la pieza no sería sensible al posicionamiento ”, dijo Hilken.

El nuevo chasis de carbono (izquierda) junto al volante ensamblado (derecha) del año pasado.

Papel blanco

Fabricación de piezas de fibra de carbono con moldes impresos en 3D

Descargue este documento técnico para obtener pautas de diseño de moldes compuestos y guías paso a paso sobre los métodos de laminado manual y preimpregnado para crear piezas de fibra de carbono.

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Análisis de costos y tiempo de entrega

La impresión en 3D de los moldes para laminar a mano piezas de fibra de carbono ayudó al equipo a reducir drásticamente los costos y el tiempo de entrega. Aquí hay una comparación entre subcontratar el molde de metal e imprimirlo en 3D en casa para el volante. Tomamos en cuenta los costos de mano de obra y materiales y asumimos una tarifa de facturación de un ingeniero de $ 200 la hora.

	Molde mecanizado CNC subcontratado	Molde impreso en 3D interno
Equipo	Fibra de carbono, resinas, herramientas, bolsa de vacío	Fibra de carbono, resinas, herramientas, bolsa de vacío Impresora Form 3, Resina Tough 1500
Tiempo de producción del molde	4-6 semanas	2 días
Costos laborales	0	$ 300
Costos de materiales	0	$ 10
Costos totales de producción de moldes	900 USD	$ 310

Piezas de uso final desde pedales de cambio hasta colectores de cables

Las empuñaduras y el cuerpo no son las únicas partes de los volantes que aprovecharon la impresión 3D. De hecho, además de las piezas de carbono moldeadas, la placa de carbono y la electrónica, todos los demás componentes del volante también están impresos en 3D en la Form 3.

Los soportes de los botones, los pedales de la palanca de cambios, los soportes de los pedales de la palanca de cambios y los interruptores se imprimieron con resina Tough 2000 por su dureza y durabilidad y luego se pintaron con aerosol para obtener un color uniforme.

Los botones, soportes de botones, pedales de cambio y los soportes de los pedales de cambio en el nuevo volante están impresos directamente en 3D.

En total, el coche tiene alrededor de 30 piezas impresas SLA actualmente. Por ejemplo, el equipo también imprimió colectores de cables para organizar cuidadosamente los cables en los mazos de cables. Estos están hechos de resina duradera que proporciona la flexibilidad de encajar alrededor de los tubos del chasis de metal.

“Son excelentes para ensamblar el mazo de cables porque se ven bien y es importante dar una excelente primera impresión a los jueces cuando lo vean”, dijo Niklas.

Los colectores de cables impresos en 3D ayudan a organizar de forma ordenada los cables en los mazos de cables.

Hay algunos soportes y carcasas impresos en 3D y el equipo también planea crear otras partes como los extremos de la luz de freno y partes TSAL, luces en el vehículo eléctrico, que muestran si el sistema está funcionando con alto voltaje.

Creación de un prototipo de una pieza de diseño generativo antes de la impresión 3D en metal

No debería sorprendernos que el equipo también haya utilizado la impresión 3D para la creación de prototipos. Por ejemplo, crearon un prototipo del montaje de la válvula final en la parte delantera del chasis, que es una parte compleja que se diseñó con optimización de topología. La pieza final se fabricará con impresión 3D de metal.

El equipo utilizó la impresión 3D para crear un prototipo de una montura optimizada de topología compleja que se imprimirá en 3D en aluminio.

“Lo imprimimos con la impresora Formlabs de resina porque no es tan caro. Tuvimos la opción de validar si encaja en el chasis o no. Vimos que sí y ahora se hará fabricando en aluminio ”, dijo Niklas.

Los soportes para la celda de la batería del auto de carreras eléctrico también fueron prototipados con impresión 3D.

Finalización de los coches para la temporada de carreras

El equipo todavía está desarrollando mucho los tres autos de carrera, por lo que la gama de aplicaciones donde se utiliza la impresión 3D crecerá inevitablemente.

Uno de sus próximos proyectos más ambiciosos es crear la entrada de flujo de aire a partir de carbono. Esta será una parte más grande que requerirá imprimir en 3D el molde en múltiples partes, ensamblarlo y luego laminar a mano la parte sobre el molde.

Los tres autos de carreras deberían salir a la pista para las pruebas en la primavera y Werner, Hilken y el equipo esperan que la temporada de carreras pueda comenzar una vez que se levanten las restricciones de COVID-19.