Pencetakan Serat Karbon dan Bagian Cetakan 3D Penggunaan Akhir untuk Mobil Balap Siswa Formula
Mahasiswa Formula adalah kompetisi desain teknik tahunan di mana tim mahasiswa dari seluruh dunia membuat dan balapan mobil bergaya formula. Tim Mahasiswa Formula TU Berlin (FaSTTUBe) adalah salah satu grup terbesar; 80 hingga 90 siswa telah mengembangkan mobil balap baru setiap tahun sejak 2005.
Untuk pertama kalinya, musim ini mereka membangun tiga model:pembakaran, listrik dan otonom. Dari musim gugur hingga musim panas, mereka memiliki waktu satu tahun untuk merancang, memproduksi, merakit, dan menguji kendaraan sebelum balapan. Tim dievaluasi berdasarkan model bisnis, konsep desain, laporan biaya, dan performa balap khususnya untuk tenaga, efisiensi, dan daya tahan.
Tahun ini tim menambahkan printer 3D SLA Form 3 ke perangkat mereka yang telah mereka gunakan untuk menghemat waktu, biaya, dan membuat suku cadang yang tidak mungkin dilakukan dengan cara lain:
Prototipe: mereka mencetak prototipe untuk berbagai bagian seperti pemasangan anti-roll bar atau pemegang Baterai HV.
Cetakan untuk membuat suku cadang serat karbon: tim mencetak selusin cetakan untuk membuat bagian serat karbon yang tidak dapat dibuat dengan cara lain.
Bagian penggunaan akhir: sekitar 30 bagian akhir mobil langsung dicetak 3D dari pemegang tombol, pemindah roda kemudi hingga selang dan konektor sensor sistem pendingin.
Niklas Werner, Manajer Teknis dan Felix Hilken, Kepala Aerodinamika dan Manufaktur Karbon, memperkenalkan kami ke fasilitas FaSTTUBe dan memandu kami melalui aplikasi ini.
Bagian Serat Karbon Laminasi Tangan pada Cetakan Cetakan 3D
Salah satu bagian paling ikonik dari setiap mobil balap adalah roda kemudi. Musim lalu, tim menggunakan pemotongan laser untuk membuat pelat karbon dan sintering laser selektif (SLS) untuk menciptakan pegangan dan bodi yang menampung elektronik.
Karena pengurangan bobot sangat penting dalam konstruksi mobil balap, mereka mencoba mencetak grip yang berlubang, tetapi tidak akan cukup kuat untuk menahan grip pengemudi. Tahun ini mereka memutuskan untuk membuat suku cadang dari serat karbon, yang merupakan bahan yang bagus untuk menurunkan berat sambil mempertahankan atau meningkatkan kekuatan.
Hilken mengembangkan alur kerja yang menggunakan cetakan cetak 3D untuk laminasi lay-up basah yang merupakan cara terbaik untuk mulai membuat suku cadang serat karbon dengan persediaan minimum.
Tonton video untuk melihat cara kerja proses laminasi karbon.
Dengan menggunakan serat karbon, tim mengurangi bobot rumah roda kemudi dari 120 g menjadi 21 g. Hilken membutuhkan satu hari untuk merancang dan membuat cetakan. Mereka mampu mendorong desain ke geometri yang akan sangat sulit untuk diproduksi secara tradisional.
“Hal yang hebat tentang pencetakan 3D adalah bahwa bentuk yang rumit semudah yang sederhana, membutuhkan jumlah pekerjaan dan peralatan yang sama. Beberapa fitur di sini benar-benar tidak dapat dilakukan dengan proses lain secara ekonomis,” kata Hilken.
Hilken melaminasi tiga lapis serat karbon pada cetakan cetak 3D dan kemudian menggunakan cetakan negatif lainnya untuk menyatukan lapisan-lapisan tersebut.
Hilken menggunakan Tough 1500 Resin karena menyeimbangkan elongasi dan modulus. Bagian yang dicetak dalam bahan ini dapat menekuk secara signifikan dan cepat kembali ke bentuk aslinya, yang memudahkan pembongkaran bagian tersebut. Dengan teknik ini, Hilken memperkirakan bahwa satu cetakan dapat digunakan untuk membuat sekitar sepuluh bagian. Karena ini adalah proses manual, itu tergantung pada seberapa teliti operatornya:cetakan bisa berakhir dengan serat yang tersangkut atau rusak karena proses pemisahan.
Laminasi lay-up basah dengan cetakan cetak 3D adalah cara yang bagus untuk mulai membuat suku cadang serat karbon dengan persediaan minimum.
Tanpa pencetakan 3D, tim harus mengalihdayakan penggilingan CNC dari cetakan aluminium, yang mahal, memiliki waktu pengerjaan yang lama, dan membutuhkan alat khusus.
“Saya akan membuat cetakan dengan mesin CNC, tetapi saya perlu mendapatkan alat khusus, dan menunggu untuk mendapatkan slot pada mesin. Tapi saya bahkan tidak bisa melakukan geometri ini, khususnya beberapa sudut kecil. Saya perlu menggunakan desain yang tidak memiliki sekrup di dalamnya, sehingga bagian tersebut tidak sensitif terhadap posisi,” kata Hilken.
Sasis karbon baru (kiri) di sebelah roda kemudi yang dirakit (kanan) dari tahun lalu.
Kertas putih
Pembuatan Suku Cadang Serat Karbon Dengan Cetakan Cetak 3D
Unduh kertas putih ini untuk panduan desain cetakan komposit dan panduan langkah demi langkah untuk metode prepreg dan laminasi tangan untuk membuat bagian serat karbon.
Unduh Buku Putih
Analisis Biaya dan Waktu Proses
Pencetakan 3D cetakan untuk bagian serat karbon laminasi tangan membantu tim secara drastis mengurangi biaya dan waktu tunggu. Berikut adalah perbandingan antara outsourcing cetakan logam dan pencetakan 3D di rumah untuk roda kemudi. Kami memperhitungkan biaya tenaga kerja dan biaya material dan kami mengasumsikan tingkat penagihan insinyur sebesar $200 per jam.
Cetakan mesin CNC yang dialihdayakan
Cetakan cetak 3D internal
Peralatan
Serat karbon, resin, peralatan, tas vakum
Serat karbon, resin, peralatan, tas vakum bentuk 3 pencetak, 1500 Resin Tangguh
Waktu Produksi Cetakan
4-6 minggu
2 hari
Biaya Tenaga Kerja
0
$300
Biaya bahan
0
$10
Total Biaya Produksi Cetakan
$900
$310
Suku Cadang Penggunaan Akhir Dari Pedal Pemindah ke Kolektor Kabel
Grip dan bodi bukan satu-satunya bagian di roda kemudi yang memanfaatkan pencetakan 3D. Faktanya, selain bagian karbon yang dicetak, pelat karbon, dan elektronik, semua komponen roda kemudi lainnya juga dicetak 3D pada Formulir 3.
Pemegang tombol, pedal shifter, dudukan pedal shifter, dan sakelar dicetak dengan Tough 2000 Resin untuk ketangguhan dan daya tahannya, lalu dicat semprot untuk warna yang seragam.
Tombol, penahan kancing, pedal shifter, dan dudukan pedal shifter di roda kemudi baru semuanya langsung dicetak 3D.
Secara keseluruhan, mobil ini memiliki sekitar 30 suku cadang yang dicetak SLA saat ini. Misalnya, tim juga mencetak pengumpul kabel untuk menata kabel-kabel di dalam wire harness dengan rapi. Ini terbuat dari Resin Tahan Lama yang memberikan fleksibilitas untuk dipasang di sekitar tabung sasis logam.
“Itu bagus untuk merakit wire harness karena terlihat bagus dan penting untuk membuat kesan pertama yang bagus bagi para juri ketika mereka melihatnya,” kata Niklas.
Kolektor kabel cetak 3D membantu mengatur kabel dengan rapi di rangkaian kabel.
Ada beberapa pemegang dan penutup cetak 3D dan tim juga berencana untuk membuat bagian lain seperti ujung lampu rem dan bagian TSAL—lampu di kendaraan listrik, yang menunjukkan apakah sistem berjalan pada tegangan tinggi.
Membuat Prototipe Bagian Desain Generatif Sebelum Pencetakan 3D Logam
Seharusnya tidak mengherankan bahwa tim juga menggunakan pencetakan 3D untuk pembuatan prototipe juga. Misalnya, mereka membuat prototipe pemasangan katup ujung di bagian depan sasis, yang merupakan bagian kompleks yang dirancang dengan optimasi topologi. Bagian akhir akan diproduksi dengan pencetakan 3D logam.
Tim menggunakan pencetakan 3D untuk membuat prototipe dudukan yang dioptimalkan dengan topologi kompleks yang akan dicetak 3D dalam aluminium.
“Kami mencetaknya dengan printer Formlabs dari resin karena tidak semahal itu. Kami memiliki opsi untuk memvalidasi apakah cocok di sasis atau tidak. Kami melihat hal itu dan sekarang akan dibuat manufaktur aluminium,” kata Niklas.
Dudukan untuk sel baterai mobil balap listrik juga dibuat prototipenya dengan pencetakan 3D.
Menyelesaikan Mobil untuk Musim Balapan
Tim saat ini masih sangat mengembangkan ketiga mobil balap tersebut sehingga jangkauan aplikasi yang menggunakan pencetakan 3D pasti akan bertambah.
Salah satu proyek mendatang mereka yang paling ambisius adalah menciptakan asupan aliran udara dari karbon. Ini akan menjadi bagian yang lebih besar yang memerlukan pencetakan 3D cetakan di beberapa bagian, merakitnya, dan kemudian melaminasi bagian tersebut di atas cetakan.
Ketiga mobil balap tersebut harus memasuki lintasan untuk pengujian di musim semi dan Werner, Hilken, dan tim berharap musim balap dapat dimulai setelah pembatasan COVID-19 dicabut.
