Merevolusi Mobil Balap Formula Student dengan Cetakan 3D Karbon dan Bagian Akhir Pakai
Formula Student adalah kontes desain engineering tahunan di mana tim siswa di seluruh dunia membangun dan balapan mobil formula. Tim TU Berlin, FaSTTUBe, adalah salah satu peserta terbesar, dengan 80–90 siswa setiap tahun sejak 2005.
Musim ini, FaSTTUBe mendorong batas dengan mengembangkan tiga kendaraan yang berbeda: pembakaran, listrik, dan otonom. Dari musim gugur hingga musim panas, tim melakukan siklus penuh desain, manufaktur, perakitan, dan pengujian, dinilai berdasarkan model bisnis, konsep desain, laporan biaya, dan performa balapan—terutama daya, efisiensi, dan ketahanan.
Untuk mempercepat pengembangan dan mengurangi biaya, tim menambahkan printer SLA Form 3 ke dalam perlengkapan. Printer ini memungkinkan produksi cepat bagian yang sebelumnya mustahil atau terlalu mahal.
- Prototipe: Mencetak prototipe cepat untuk komponen seperti mount anti-roll bar dan bracket baterai tegangan tinggi.
- Cetakan untuk bagian karbon fiber: Menghasilkan sepuluh cetakan presisi tinggi yang memungkinkan fabrikasi komponen karbon fiber kompleks.
- Bagian akhir pakai: Sekitar 30 bagian akhir mobil—holder tombol, pedal pengganti, saklar steering wheel, konektor mangkuk dan sensor—dicetak langsung dari resin SLA.
Technical Manager Niklas Werner dan Head of Aerodynamics & Carbon Manufacturing Felix Hilken memandu kami melalui inovasi ini.
Bagian Karbon Fiber Laminan Tangan pada Cetakan Hasil Print 3D
Musim lalu, papan karbon steering wheel dipotong laser dan grip serta housing elektronik dibuat melalui selective laser sintering (SLS). Untuk mengurangi berat lebih lanjut, tim bereksperimen dengan grip berongga, namun kekuatan bahan tidak cukup. Tahun ini mereka memilih karbon fiber, yang menawarkan rasio kekuatan-keberat yang superior.
Hilken mengembangkan alur kerja yang menggunakan cetakan hasil print 3D untuk wet lay-up lamination—cara efisien untuk memproduksi bagian karbon fiber dengan tooling minimal.
Tonton video untuk melihat cara kerja proses laminasi karbon.
Menggunakan karbon fiber, berat housing steering wheel turun dari 120 g menjadi hanya 21 g. Hilken merancang dan membangun cetakan dalam satu hari, memungkinkan geometri yang terlalu kompleks untuk diproduksi secara tradisional.
"Keindahan pencetakan 3D adalah bentuk kompleks sama mudah dibuatnya seperti bentuk sederhana, menggunakan peralatan dan upaya yang sama. Banyak fitur di sini tidak dapat diproduksi secara hemat biaya dengan proses lain," kata Hilken.
Hilken melaminasi tiga lapis karbon fiber pada cetakan hasil print 3D dan kemudian menekan lapisan bersama menggunakan cetakan negatif sekunder.
Dia memilih Tough 1500 Resin untuk elongasi dan modulus yang seimbang—memungkinkan bagian untuk melengkung dan kembali ke bentuk saat demolding. Satu cetakan dapat menghasilkan sekitar sepuluh bagian, meskipun proses ini tergantung operator; penanganan hati-hati mencegah serat menempel atau cetakan rusak.
Dibandingkan dengan outsourcing cetakan aluminium pemesinan CNC, pendekatan ini secara dramatis mengurangi biaya dan lead time. Tanpa pencetakan 3D, tim akan menghadapi tooling mahal, lead time panjang, dan kebebasan desain yang terbatas.
Manufaktur Bagian Karbon Fiber dengan Cetakan Hasil Print 3D
Unduh white paper untuk panduan komprehensif desain cetakan komposit dan instruksi langkah demi langkah tentang prepreg dan hand-laminating bagian karbon fiber.
Unduh White Paper
Analisis Biaya dan Lead Time
Cetakan hasil print 3D in-house memotong biaya tenaga kerja dan bahan. Dengan asumsi tarif insinyur $200/jam, perbandingan untuk steering wheel adalah sebagai berikut:
| Outsourced CNC-Milled Mold | In-House 3D-Printed Mold |
|---|
| Equipment | Carbon fiber, resins, tools, vacuum bag | Carbon fiber, resins, tools, vacuum bag
Form 3 printer, Tough 1500 Resin |
|---|
| Mold Production Time | 4–6 minggu | 2 hari |
|---|
| Labor Costs | $0 | $300 |
|---|
| Material Costs | $0 | $10 |
|---|
| Total Mold Production Costs | $900 | $310 |
|---|
Bagian Akhir Pakai Dari Shifter Pedals ke Cable Collectors
Di luar komponen steering wheel, seluruh set bagian steering wheel—holder tombol, shifter pedals, mounts, dan switches—dicetak pada Form 3 menggunakan Tough 2000 Resin untuk daya tahan, lalu dicat spray untuk finishing seragam.
Secara keseluruhan, mobil memiliki sekitar 30 bagian print SLA. Misalnya, cable collectors yang terbuat dari Durable Resin mengatur harness tubes di sekitar chassis logam dengan rapi.
"Ini bagus untuk merakit wire harness karena tampak bagus, dan first impression penting bagi juri," kata Niklas.
Tim juga merencanakan enclosure hasil print 3D tambahan, brake-light terminations, dan TSAL components untuk mobil listrik—indikator cahaya yang mengungkapkan operasi tegangan tinggi.
Prototyping Bagian Generative-Designed Sebelum Metal 3D Printing
Pencetakan 3D juga memainkan peran kritis dalam prototyping bagian yang kompleks dan dioptimalkan topologi. Mount untuk front-end valve—yang dirancang melalui optimasi topologi—dicetak dalam resin untuk memverifikasi pasangan sebelum berkomitmen pada aluminium metal 3D printing.
"Mencetak prototipe dalam resin hemat biaya dan memungkinkan kami memvalidasi desain dengan cepat. Bagian pas dengan sempurna, jadi akan diproduksi dalam aluminium," kata Niklas.
Battery cell holders untuk mobil balap listrik juga diprototipe menggunakan pencetakan 3D.
Menyelesaikan Mobil untuk Musim Balapan
FaSTTUBe terus memperluas cakupan pencetakan 3D di semua tiga kendaraan. Proyek mendatang besar adalah intake airflow karbon fiber yang akan memerlukan cetakan multi-bagian, perakitan, dan hand lamination.
Tiga mobil balapan dijadwalkan untuk pengujian balapan di musim semi. Werner, Hilken, dan tim mengantisipasi musim akan dimulai setelah pembatasan COVID-19 dicabut.
