Moulage en fibre de carbone et pièces finales imprimées en 3D pour les voitures de course Formula Student

Le Formula Student est un concours annuel de conception technique au cours duquel des équipes d'étudiants du monde entier construisent et pilotent des voitures de style formule. La Formula Student Team TU Berlin (FaSTTUBe) est l'un des plus grands groupes; 80 à 90 étudiants développent de nouvelles voitures de course chaque année depuis 2005.

Pour la première fois, cette saison, ils construisent trois modèles :à combustion, électrique et autonome. De l'automne à l'été, ils ont un an pour concevoir, fabriquer, assembler et tester les véhicules avant les courses. Les équipes sont évaluées sur le modèle commercial, le concept de conception, le rapport de coût et les performances de course, en particulier pour la puissance, l'efficacité et l'endurance.

Cette année, l'équipe a ajouté une imprimante 3D Form 3 SLA à son ensemble d'outils qu'elle a utilisé pour économiser du temps, des coûts et créer des pièces qui ne seraient pas possibles autrement : 

1. Prototypes : ils impriment des prototypes de pièces diverses telles que des fixations de la barre anti-roulis ou des intervenants de la Batterie HV.

2. Moules pour fabriquer des pièces en fibre de carbone : l'équipe a imprimé une douzaine de moules pour fabriquer des pièces en fibre de carbone qui n'auraient pas pu être fabriquées autrement.

3. Pièces d'utilisation finale : environ 30 pièces finales des voitures sont directement imprimées en 3D à partir des porte-boutons, des manettes du volant aux connecteurs de tuyaux et de capteurs des systèmes de refroidissement.

Niklas Werner, directeur technique et Felix Hilken, directeur de l'aérodynamique et de la fabrication de carbone, nous ont présenté les installations FaSTTUBe et nous ont expliqué ces applications.

Laminer à la main des pièces en fibre de carbone sur des moules imprimés en 3D

L'une des pièces les plus emblématiques de toute voiture de course est le volant. La saison dernière, l'équipe a utilisé la découpe laser pour créer une plaque de carbone et le frittage laser sélectif (SLS) pour créer les poignées et le corps qui abrite l'électronique.

Étant donné que la réduction des poids est essentielle dans la construction des voitures de course, ils ont essayé d'imprimer les poignées en creux, mais ce ne serait pas assez solide pour supporter la poignée du pilote. Cette année, ils ont décidé de fabriquer les pièces en fibre de carbone, un excellent matériau pour réduire le poids tout en maintenant ou en augmentant la résistance.

Hilken a développé un flux de travail qui utilise des moules imprimés en 3D pour le laminage humide, ce qui est un excellent moyen de commencer à fabriquer des pièces en fibre de carbone avec un minimum de fournitures.

Regardez la vidéo pour voir comment fonctionne le processus de laminage au carbone.

En utilisant de la fibre de carbone, l'équipe a réduit le poids du boîtier du volant de 120 g à 21 g. Hilken a eu besoin d'une journée pour concevoir et construire le moule. Ils ont pu pousser le design vers des géométries qui seraient extrêmement difficiles à fabriquer traditionnellement.

« Ce qui est bien avec l'impression 3D, c'est qu'une forme complexe est aussi facile à réaliser qu'une simple, elle nécessite la même quantité de travail et d'équipement. Certaines des fonctionnalités ici ne peuvent littéralement pas être réalisées avec un autre processus de manière économique », a déclaré Hilken.

Hilken a stratifié trois couches de fibre de carbone sur un moule imprimé en 3D, puis a utilisé un autre moule négatif pour presser les couches ensemble.

Hilken a utilisé la résine Tough 1500 car elle équilibre l'allongement et le module. Les pièces imprimées dans ce matériau peuvent se plier de manière significative et reprendre rapidement leur forme d'origine, ce qui facilite le démoulage de la pièce. Avec cette technique, Hilken estime qu'un moule pourrait être utilisé pour fabriquer une dizaine de pièces. Comme il s'agit d'un processus manuel, cela dépend de la minutie de l'opérateur :le moule peut se retrouver avec des fibres collées ou des dommages dus au processus de séparation.

La stratification humide avec un moule imprimé en 3D est un excellent moyen de commencer à fabriquer des pièces en fibre de carbone avec un minimum de fournitures.

Sans l'impression 3D, l'équipe aurait dû sous-traiter le fraisage CNC d'un moule en aluminium, ce qui est coûteux, long et nécessite des outils spécialisés.

« J'aurais usiné le moule par CNC, mais j'aurais besoin d'outils spécialisés et d'attendre d'avoir une fente sur la machine. Mais je ne pouvais même pas faire cette géométrie, en particulier certains des petits coins. J'aurais besoin d'utiliser une conception sans vis, de sorte que la pièce ne serait pas sensible au positionnement », a déclaré Hilken.

Le nouveau châssis en carbone (à gauche) à côté du volant assemblé (à droite) de l'année dernière.

Papier blanc

Fabrication de pièces en fibre de carbone avec des moules imprimés en 3D

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Analyse des coûts et des délais

L'impression 3D des moules pour la stratification manuelle des pièces en fibre de carbone a permis à l'équipe de réduire considérablement les coûts et les délais. Voici une comparaison entre l'externalisation du moule métallique et son impression 3D en interne pour le volant. Nous tenons compte des coûts de main-d'œuvre et des coûts des matériaux et nous supposons un taux de facturation d'ingénieur de 200 $ l'heure.

	Moulage usiné CNC externalisé	Moule imprimé en 3D en interne
Équipement	Fibre de carbone, résines, outils, sac sous vide	Fibre de carbone, résines, outils, sac sous vide Imprimante Form 3, Résine Tough 1500
Temps de production du moule	4-6 semaines	2 jours
Coûts de main-d'œuvre	0	300 $
Coûts du matériel	0	10 $
Coûts totaux de production de moules	900 $	310 $

Pièces d'utilisation finale des pédales de changement de vitesse aux collecteurs de câbles

Les poignées et la carrosserie ne sont pas les seules pièces des volants à tirer parti de l'impression 3D. En fait, outre les pièces moulées en carbone, la plaque en carbone et l'électronique, tous les autres composants du volant sont également imprimés en 3D sur la Form 3.

Les porte-boutons, les pédales de changement de vitesse, les supports des pédales de changement de vitesse et les commutateurs ont été imprimés avec de la résine Tough 2000 pour sa résistance et sa durabilité, puis peints à la bombe pour une couleur uniforme.

Les boutons, les porte-boutons, les pédales de changement de vitesse et les supports des pédales de changement de vitesse sur le nouveau volant sont tous directement imprimés en 3D.

Au total, la voiture compte actuellement environ 30 pièces imprimées SLA. Par exemple, l'équipe a également imprimé des collecteurs de câbles pour organiser soigneusement les câbles dans les faisceaux de câbles. Ceux-ci sont fabriqués à partir de résine durable qui offre la flexibilité de s'adapter autour des tubes du châssis en métal.

« Ceux-ci sont parfaits pour assembler le faisceau de câbles, car ils sont jolis et il est important de faire une bonne première impression aux juges lorsqu'ils le voient », a déclaré Niklas.

Les collecteurs de câbles imprimés en 3D aident à organiser soigneusement les câbles dans les faisceaux de câbles.

Il existe des supports et des boîtiers imprimés en 3D et l'équipe prévoit également de créer d'autres pièces comme les extrémités du feu stop et des pièces TSAL, des lumières dans le véhicule électrique, qui indiquent si le système fonctionne à haute tension.

Prototypage d'une pièce de conception générative avant l'impression 3D métal

Il n'est donc pas surprenant que l'équipe ait également utilisé l'impression 3D pour le prototypage. Par exemple, ils ont prototypé le montage de la valve d'extrémité à l'avant du châssis, qui est une pièce complexe conçue avec une optimisation de la topologie. La pièce finale sera fabriquée par impression 3D métal.

L'équipe a utilisé l'impression 3D pour prototyper une monture optimisée pour une topologie complexe qui sera imprimée en 3D en aluminium.

« Nous l'avons imprimé avec une imprimante Formlabs en résine car ce n'est pas aussi cher. Nous avions la possibilité de valider s'il s'insère sur le châssis ou non. Nous avons vu que c'est le cas et maintenant, il va être fabriqué en aluminium », a déclaré Niklas.

Des supports pour la cellule de batterie de la voiture de course électrique ont également été prototypés avec l'impression 3D.

Finalisation des voitures pour la saison de course

L'équipe développe actuellement encore beaucoup les trois voitures de course, de sorte que la gamme d'applications où l'impression 3D est utilisée va inévitablement s'étendre.

L'un de leurs projets à venir les plus ambitieux consiste à créer l'admission d'air à partir de carbone. Il s'agira d'une pièce plus grande qui nécessitera l'impression 3D du moule en plusieurs parties, son assemblage, puis le laminage manuel de la pièce sur le moule.

Les trois voitures de course devraient entrer en piste pour des essais au printemps et Werner, Hilken, et l'équipe espère que la saison de course pourra commencer une fois les restrictions COVID-19 levées.