포뮬러 학생 경주용 자동차용 탄소 섬유 성형 및 최종 사용 3D 인쇄 부품

Formula Student는 전 세계의 학생 팀이 공식 스타일의 자동차를 만들고 경주하는 연례 엔지니어링 디자인 대회입니다. Formula Student Team TU Berlin(FaSTTUBe)은 가장 큰 그룹 중 하나입니다. 2005년부터 매년 80~90명의 학생들이 새로운 레이싱카를 개발하고 있습니다.

이번 시즌 처음으로 연소, 전기 및 자율의 세 가지 모델을 구축하고 있습니다. 가을부터 여름까지 1년 동안 경주 전에 차량을 설계, 제조, 조립 및 테스트해야 합니다. 팀은 비즈니스 모델, 디자인 컨셉, 비용 보고서 및 특히 파워, 효율성 및 내구성에 대한 레이싱 성능에 대해 평가됩니다.

올해 팀은 시간과 비용을 절약하고 다른 방법으로는 불가능한 부품을 만드는 데 사용한 도구 세트에 Form 3 SLA 3D 프린터를 추가했습니다.

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프로토타입: 그들은 안티 롤 바의 장착 또는 HV 배터리의 이해 관계자와 같은 다양한 부품에 대한 프로토타입을 인쇄합니다.

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탄소 섬유 부품 제조용 금형: 팀은 다른 방법으로는 만들 수 없는 탄소 섬유 부품을 제작하기 위해 12개의 금형을 인쇄했습니다.

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최종 사용 부품: 자동차의 최종 부품 약 30개는 버튼 홀더, 스티어링 휠의 시프터에서 냉각 시스템의 호스 및 센서 커넥터까지 직접 3D 인쇄됩니다.

기술 관리자인 Niklas Werner와 공기역학 및 탄소 제조 책임자인 Felix Hilken은 우리에게 FaSTTUBe 시설을 소개하고 이러한 응용 프로그램을 안내했습니다.

3D 인쇄된 금형에 수동 적층 탄소 섬유 부품

경주용 자동차의 가장 상징적인 부분 중 하나는 스티어링 휠입니다. 지난 시즌 팀은 레이저 절단을 사용하여 탄소판을 만들고 선택적 레이저 소결(SLS)을 사용하여 전자 장치를 수용하는 그립과 본체를 만들었습니다.

경주용 자동차를 만들려면 무게를 줄이는 것이 중요하기 때문에 그립을 속이 빈 형태로 인쇄하려고 했지만 드라이버의 그립을 견딜 만큼 강하지 않았습니다. 올해 그들은 강도를 유지하거나 증가시키면서 무게를 줄이는 훌륭한 재료인 탄소 섬유로 부품을 제작하기로 결정했습니다.

Hilken은 최소한의 공급으로 탄소 섬유 부품 제작을 시작할 수 있는 좋은 방법인 습식 적층 적층을 위해 3D 인쇄 금형을 사용하는 워크플로를 개발했습니다.

카본 라미네이팅 프로세스의 작동 방식을 보려면 동영상을 시청하십시오.

탄소 섬유를 사용하여 팀은 스티어링 휠 하우징의 무게를 120g에서 21g으로 줄였습니다. Hilken은 금형을 설계하고 제작하는 데 하루가 필요했습니다. 그들은 전통적으로 제조하기가 극도로 어려운 기하학적 구조로 디자인을 밀어붙일 수 있었습니다.

“3D 프린팅의 가장 큰 장점은 복잡한 모양을 단순한 모양만큼 쉽게 만들 수 있고 동일한 양의 작업과 장비가 필요하다는 것입니다. 여기에 있는 기능 중 일부는 말 그대로 경제적인 방식으로 다른 프로세스로 수행할 수 없습니다.”라고 Hilken이 말했습니다.

Hilken은 3D 인쇄된 몰드에 3개의 탄소 섬유 층을 적층한 다음 다른 네거티브 몰드를 사용하여 레이어를 함께 압착했습니다.

Hilken은 연신율과 모듈러스의 균형을 맞추기 위해 Tough 1500 Resin을 사용했습니다. 이 소재로 인쇄된 부품은 크게 구부러지고 빠르게 원래 모양으로 되돌아갈 수 있으므로 부품의 탈형이 용이합니다. 이 기술을 통해 Hilken은 하나의 금형을 사용하여 약 10개의 부품을 제작할 수 있다고 추정합니다. 이것은 수동 공정이므로 작업자가 얼마나 세심한가에 따라 달라집니다. 금형에 섬유가 들러붙거나 분리 공정으로 인한 손상이 발생할 수 있습니다.

3D 인쇄된 몰드를 사용한 습식 적층 적층은 최소한의 공급으로 탄소 섬유 부품 제작을 시작하는 좋은 방법입니다.

3D 프린팅이 없었다면 팀은 비싸고 리드 타임이 길며 전문 도구가 필요한 알루미늄 몰드의 CNC 밀링을 아웃소싱해야 했을 것입니다.

“CNC에서 몰드를 가공해야 했지만 특수 도구가 필요하고 기계에 슬롯이 생길 때까지 기다려야 했습니다. 그러나 나는 이 기하학, 특히 일부 작은 모서리조차 할 수 없었습니다. 부품이 위치 지정에 민감하지 않도록 나사가 없는 디자인을 사용해야 합니다.”라고 Hilken이 말했습니다.

작년에 조립된 스티어링 휠(오른쪽) 옆에 있는 새로운 카본 섀시(왼쪽)

백지

3D 인쇄 금형을 사용한 탄소 섬유 부품 제조

탄소 섬유 부품을 만들기 위한 프리프레그 및 핸드 라미네이팅 방법에 대한 단계별 가이드와 복합 몰드 설계 지침을 보려면 이 백서를 다운로드하십시오.

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비용 및 리드 타임 분석

탄소 섬유 부품을 손으로 라미네이팅하기 위한 3D 프린팅 금형은 팀이 비용과 리드 타임을 획기적으로 줄이는 데 도움이 되었습니다. 다음은 금형을 아웃소싱하는 것과 스티어링 휠을 위해 사내에서 3D 프린팅하는 것을 비교한 것입니다. 우리는 인건비와 재료비를 고려하고 엔지니어의 청구 비용을 시간당 $200로 가정합니다.

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	CNC 가공 금형 아웃소싱	자체 3D 인쇄 금형
장비	탄소 섬유, 수지, 도구, 진공 백	탄소 섬유, 수지, 도구, 진공 백 양식 3 프린터, 거친 1500 수지
금형 생산 시간	4-6주	2일
인건비	0	$300
자재 비용	0	$10
총 금형 생산 비용	$900	$310

시프터 페달에서 케이블 수집기로 최종 사용 부품

3D 프린팅을 활용한 핸들의 부품은 그립과 본체만이 아닙니다. 실제로 성형된 탄소 부품, 탄소 판, 전자 장치 외에도 스티어링 휠의 다른 모든 구성 요소도 Form 3에 3D 인쇄됩니다.

버튼 홀더, 시프터 페달, 시프터 페달 마운트, 스위치는 인성과 내구성을 위해 Tough 2000 Resin으로 인쇄한 후 균일한 색상으로 스프레이 도색했습니다.

버튼, 버튼 홀더, 시프터 페달 및 새 스티어링 휠의 시프터 페달 마운트는 모두 직접 3D 인쇄됩니다.

현재 자동차에는 약 30개의 SLA 인쇄 부품이 있습니다. 예를 들어, 팀은 또한 와이어 하니스의 케이블을 깔끔하게 정리하기 위해 케이블 수집기를 인쇄했습니다. 이들은 금속 섀시의 튜브 주위에 맞는 유연성을 제공하는 내구성 수지로 만들어졌습니다.

Niklas는 "이는 와이어 하니스를 조립하는 데 아주 좋습니다. 보기도 좋고 심사위원이 볼 때 좋은 첫인상을 주는 것이 중요하기 때문입니다."라고 말했습니다.

3D 인쇄된 케이블 수집기는 와이어 하니스의 케이블을 깔끔하게 정리하는 데 도움이 됩니다.

일부 3D 인쇄된 홀더와 인클로저가 있으며 팀은 브레이크 라이트의 끝 부분과 TSAL 부품과 같은 다른 부품도 만들 계획입니다. 전기 자동차의 라이트는 시스템이 고전압에서 실행 중인지 여부를 보여줍니다.

금속 3D 인쇄 전에 생성 설계 부품 프로토타이핑

팀이 프로토타이핑에도 3D 프린팅을 사용한 것은 놀라운 일이 아닙니다. 예를 들어, 토폴로지 최적화로 설계된 복잡한 부품인 섀시 전면의 엔드 밸브 마운트를 프로토타입했습니다. 최종 부품은 금속 3D 프린팅으로 제조됩니다.

팀은 3D 프린팅을 사용하여 알루미늄으로 3D 프린팅될 복잡한 토폴로지 최적화 마운트의 프로토타입을 제작했습니다.

“우리는 수지로 만든 Formlabs 프린터로 인쇄했는데, 그 이유는 가격이 그리 비싸지 않기 때문입니다. 섀시에 맞는지 여부를 확인할 수 있는 옵션이 있었습니다. 우리는 그것이 가능하다는 것을 보았고 이제 알루미늄으로 제조될 것입니다.”라고 Niklas가 말했습니다.

전기 경주용 자동차의 배터리 셀 홀더도 3D 프린팅으로 프로토타입을 만들었습니다.

레이싱 시즌을 위한 자동차 완성

팀은 현재 3대의 경주용 자동차를 매우 많이 개발하고 있으므로 3D 프린팅이 사용되는 응용 프로그램의 범위는 필연적으로 증가할 것입니다.

그들의 가장 야심찬 다가오는 프로젝트 중 하나는 탄소로 공기 유입구를 만드는 것입니다. 이것은 금형을 여러 부품으로 3D 프린팅하고 조립한 다음 금형 위에 부품을 손으로 라미네이팅해야 하는 더 큰 부품이 될 것입니다.

3대의 경주용 자동차는 봄에 테스트를 위해 트랙에 진입해야 하며 Werner, Hilken 팀은 COVID-19 제한이 해제되면 경주 시즌이 시작될 수 있기를 희망합니다.