3D 프린트 카본 파이버 금형과 최종 사용 부품으로 Formula Student 레이싱카 혁신

Formula Student는 전 세계 학생 팀이 포뮬러 스타일 자동차를 제작하고 경주하는 연례 엔지니어링 설계 대회입니다. FaSTTUBe로 알려진 TU Berlin 팀은 2005년부터 매년 80~90명의 학생이 참여하는 최대 참가팀 중 하나입니다.

이번 시즌 FaSTTUBe는 내연기관, 전기, 자율주행 세 가지 서로 다른 차량 개발로 한계를 밀어붙이고 있습니다. 가을부터 여름까지 설계, 제조, 조립, 테스트의 전체 주기를 수행하며 비즈니스 모델, 설계 컨셉, 비용 보고서, 경주 성능(특히 파워, 효율, 내구성)으로 평가받습니다.

개발 가속화와 비용 절감을 위해 팀은 Form 3 SLA 3D 프린터를 툴킷에 추가했습니다. 이 프린터는 그렇지 않으면 불가능하거나 엄청나게 비쌌을 부품의 신속한 생산을 가능하게 합니다.

1. 프로토타입: 안티롤 바 마운트, 고전압 배터리 브래킷 같은 구성요소 프로토타입 신속 프린팅
2. 카본 파이버 부품용 금형: 복잡한 카본 파이버 구성요소 제작을 가능하게 하는 12개 고정밀 금형 생산
3. 최종 사용 부품: 버튼 홀더, 시프터 페달, 스티어링 휠 스위치, 호스 및 센서 커넥터 등 약 30개 최종 차량 부품을 SLA 레진으로 직접 프린트

기술 매니저 Niklas Werner와 공기역학 & 카본 제조 책임자 Felix Hilken이 이 혁신들을 안내했습니다.

3D 프린트 금형 위 핸드 레이업 카본 파이버 부품

지난 시즌 스티어링 휠의 카본 플레이트는 레이저 커팅되었고 그립과 전자 하우징은 선택적 레이저 소결(SLS)로 제작되었습니다. 중량 추가 감소를 위해 중공 그립을 실험했지만 소재 강도가 불충분했습니다. 올해는 우수한 강도-중량비를 제공하는 카본 파이버를 선택했습니다.

Hilken은 습식 레이업 라미네이션에 3D 프린트 금형을 사용하는 워크플로를 개발했습니다. 최소한의 툴링으로 카본 파이버 부품을 생산하는 효율적인 방식입니다.

카본 라미네이션 프로세스 작동 방식을 영상으로 확인하세요.

카본 파이버 사용으로 스티어링 휠 하우징 무게가 120g에서 단 21g으로 떨어졌습니다. Hilken은 금형을 하루 만에 설계하고 제작하여 기존 방식으로 제조하기엔 비용이 엄청날 복잡한 지오메트리를 가능하게 했습니다.

"3D 프린팅의 아름다움은 복잡한 형태가 단순한 것만큼 쉽게 생성된다는 점입니다. 같은 장비와 노력으로 말이죠. 여기 많은 특징들은 다른 어떤 공정으로도 비용 효율적으로 생산할 수 없습니다."라고 Hilken은 설명합니다.

Hilken은 3D 프린트 금형 위에 카본 파이버 세 겹을 레이업한 후 보조 네거티브 금형으로 레이어들을 함께 압착했습니다.

그는 균형 잡힌 신율과 탄성률로 부품이 탈형 중 굽혔다가 되돌아오게 하는 Tough 1500 Resin을 선택했습니다. 한 금형으로 약 10개 부품 생산 가능하지만 프로세스는 작업자 의존적입니다. 신중한 처리로 파이버 들러붙음이나 금형 손상을 방지합니다.

아웃소싱 CNC 가공 알루미늄 금형과 비교해 이 접근은 비용과 리드 타임을 극적으로 줄입니다. 3D 프린팅 없이 팀은 비싼 툴링, 긴 리드 타임, 제한된 설계 자유도에 직면했을 것입니다.

3D 프린트 금형을 이용한 카본 파이버 부품 제조

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비용 및 리드 타임 분석

내부 3D 프린트 금형은 인건비와 재료비를 모두 절감합니다. 엔지니어 시간당 $200 가정 시 스티어링 휠 비교는 다음과 같습니다:

	아웃소싱 CNC 가공 금형	내부 3D 프린트 금형
장비	카본 파이버, 레진, 툴, 진공 백	카본 파이버, 레진, 툴, 진공 백 Form 3 프린터, Tough 1500 Resin
금형 제작 시간	4~6주	2일
인건비	$0	$300
재료비	$0	$10
총 금형 제작 비용	$900	$310

시프터 페달부터 케이블 컬렉터까지 최종 사용 부품

스티어링 휠 구성요소 전체 세트(버튼 홀더, 시프터 페달, 마운트, 스위치)가 Form 3로 Tough 2000 Resin을 사용해 내구성 위해 프린트된 후 균일 마감을 위해 스프레이 도색되었습니다.

총 약 30개의 SLA 프린트 부품이 차량에 장착됩니다. 예를 들어 Durable Resin으로 만든 케이블 컬렉터가 금속 섀시 주변의 하네스 튜브를 깔끔하게 정리합니다.

"이것들은 와이어 하네스 조립에 훌륭합니다. 보기 좋고, 첫인상이 심사위원들에게 중요하니까요."라고 Niklas는 말합니다.

팀은 추가 3D 프린트 인클로저, 브레이크 라이트 터미네이션, 전기차용 TSAL 구성요소(고전압 작동을 나타내는 조명 표시기)도 계획 중입니다.

메탈 3D 프린팅 전 생성 설계 부품 프로토타이핑

3D 프린팅은 복잡한 위상 최적화 부품 프로토타이핑에도 중요한 역할을 합니다. 프론트엔드 밸브 마운트(위상 최적화로 설계)는 레진으로 프린트되어 알루미늄 메탈 3D 프린팅 전 핏을 검증했습니다.

"레진 프로토타입 프린팅은 비용 효율적이었고 설계를 빠르게 검증하게 했습니다. 부품이 완벽하게 맞아 이제 알루미늄으로 제조될 것입니다."라고 Niklas는 말합니다.

전기 레이스카용 배터리 셀 홀더도 3D 프린팅으로 프로토타이핑되었습니다.

레이싱 시즌을 위한 차량 마무리

FaSTTUBe는 세 차량 모두에서 3D 프린팅 범위를 계속 확장하고 있습니다. 주요 다가오는 프로젝트는 다중 파트 금형, 조립, 핸드 라미네이션이 필요한 카본 파이버 에어플로우 인테이크입니다.

세 대의 레이스카는 봄 트랙 테스트 예정입니다. Werner, Hilken, 팀은 COVID-19 제한 해제 후 시즌이 시작될 것으로 예상합니다.