フォーミュラ学生レースカー用の炭素繊維成形と最終用途の3Dプリント部品

フォーミュラスチューデントは、世界中の学生チームがフォーミュラスタイルの車を製造してレースを行う毎年恒例のエンジニアリングデザインコンペティションです。フォーミュラ学生チームTUベルリン（FaSTTUBe）は最大のグループの1つです。 2005年以来、毎年80〜90人の学生が新しいレーシングカーを開発しています。

今シーズン初めて、彼らは燃焼、電気、自律の3つのモデルを構築しています。秋から夏にかけて、レース前に車両の設計、製造、組み立て、テストを行う1年があります。チームは、ビジネスモデル、設計コンセプト、コストレポート、およびレースパフォーマンス、特にパワー、効率、耐久性について評価されます。

今年、チームは、時間とコストを節約し、他の方法では不可能な部品を作成するために使用していたForm 3 SLA3Dプリンターをツールセットに追加しました。

1. プロトタイプ： アンチロールバーの取り付けやHVバッテリーの利害関係者など、さまざまな部品のプロトタイプを印刷します。

2. 炭素繊維部品を製造するための金型： チームは、他の方法では製造できなかった炭素繊維部品を製造するために、12個の型を印刷しました。

3. 最終用途部品： 車の約30の最終部品は、ボタンホルダー、ステアリングホイールのシフターから、冷却システムのホースおよびセンサーコネクタまで直接3Dプリントされています。

テクニカルマネージャーのNiklasWernerと空気力学および炭素製造の責任者であるFelixHilkenが、FaSTTUBe施設を紹介し、これらのアプリケーションについて説明しました。

3Dプリントされた金型にカーボンファイバー部品を手作業でラミネートする

レースカーの最も象徴的な部品の1つは、ステアリングホイールです。昨シーズン、チームはレーザー切断を使用してカーボンプレートを作成し、選択的レーザー焼結（SLS）を使用して電子機器を収容するグリップとボディを作成しました。

レーシングカーの製作には軽量化が不可欠であるため、グリップを中空にプリントしようとしましたが、ドライバーのグリップに耐えるだけの強度はありませんでした。今年、彼らは、強度を維持または向上させながら軽量化するのに最適な素材である炭素繊維から部品を製造することを決定しました。

Hilkenは、ウェットレイアップラミネーションに3D印刷された金型を使用するワークフローを開発しました。これは、最小限の供給で炭素繊維部品の製造を開始するための優れた方法です。

ビデオを見て、カーボンラミネートプロセスがどのように機能するかを確認してください。

チームはカーボンファイバーを使用することで、ステアリングホイールハウジングの重量を120gから21gに減らしました。ヒルケンは、金型の設計と製作に1日を要しました。彼らは、従来の製造が非常に困難な形状に設計をプッシュすることができました。

「3Dプリントの素晴らしいところは、複雑な形状が単純な形状と同じくらい簡単にできることです。同じ量の作業と設備が必要です。ここにある機能のいくつかは、文字通り他のプロセスでは経済的な方法で実行できません」とヒルケン氏は述べています。

ヒルケンは3Dプリントされた型に3層の炭素繊維をラミネートし、別のネガ型を使用して層を一緒にプレスしました。

ヒルケンは、伸びと弾性率のバランスが取れているため、タフ1500樹脂を使用しました。この材料で印刷された部品は、大幅に曲がり、元の形状にすばやく戻ることができるため、部品の離型が容易になります。この手法を使用すると、ヒルケンは1つの金型を使用して約10個の部品を製造できると見積もっています。これは手動のプロセスであるため、オペレーターがどれだけ細心の注意を払っているかによって異なります。金型に繊維が詰まったり、分離プロセスによって損傷したりする可能性があります。

3D印刷された金型を使用したウェットレイアップラミネーションは、最小限の供給で炭素繊維部品の製造を開始するための優れた方法です。

3D印刷がなければ、チームはアルミニウム型のCNCフライス盤を外部委託する必要がありました。これは、高価で、リードタイムが長く、専用のツールが必要です。

「金型をCNC加工したはずですが、専用の工具を入手して、機械のスロットを確保するのを待つ必要がありました。しかし、私はこのジオメトリ、特にいくつかの小さなコーナーを作成することさえできませんでした。ネジが入っていないデザインを使用する必要があるので、パーツは位置決めに敏感ではありません」とヒルケン氏は述べています。

昨年から組み立てられたステアリングホイール（右）の隣にある新しいカーボンシャーシ（左）。

白書

3Dプリントモールドを使用した炭素繊維部品の製造

複合金型の設計ガイドラインと、炭素繊維部品を作成するためのプリプレグおよび手作業によるラミネート方法のステップバイステップガイドについては、このホワイトペーパーをダウンロードしてください。

ホワイトペーパーをダウンロードする

コストとリードタイムの​​分析

炭素繊維部品を手作業でラミネートするための金型を3D印刷することで、チームはコストとリードタイムを大幅に削減できました。これは、金型をアウトソーシングすることと、ステアリングホイール用に社内で3Dプリントすることの比較です。人件費と材料費を考慮し、エンジニアの請求レートを1時間あたり200ドルと想定しています。

機器 金型製造時間 人件費 材料費 金型製造コストの合計

	外部委託のCNC機械加工金型	社内の3Dプリント金型
炭素繊維、樹脂、工具、バキュームバッグ	炭素繊維、樹脂、工具、バキュームバッグ フォーム3プリンター、 タフな1500レジン
4〜6週間	2日
0	$ 300
0	$ 10
$ 900	$ 310

シフターペダルからケーブルコレクターまでの最終用途部品

3Dプリントを活用したステアリングホイールのパーツは、グリップとボディだけではありません。実際、成形されたカーボンパーツ、カーボンプレート、および電子機器に加えて、ステアリングホイールの他のすべてのコンポーネントもフォーム3に3Dプリントされています。

ボタンホルダー、シフターペダル、シフターペダルのマウント、およびスイッチは、その強靭さと耐久性のためにTough 2000樹脂で印刷され、均一な色になるようにスプレー塗装されました。

ボタン、ボタンホルダー、シフターペダル、および新しいステアリングホイールのシフターペダルのマウントはすべて直接3Dプリントされています。

合計すると、この車には現在約30のSLA印刷部品があります。たとえば、チームはケーブルコレクターを印刷して、ワイヤーハーネス内のケーブルをきちんと整理しました。これらは耐久性のある樹脂でできており、金属製のシャーシのチューブの周りに柔軟にフィットします。

「ワイヤーハーネスは見栄えがよく、審査員が見たときに第一印象を与えることが重要であるため、ワイヤーハーネスの組み立てに最適です」とNiklas氏は述べています。

3Dプリントされたケーブルコレクターは、ワイヤーハーネス内のケーブルをきれいに整理するのに役立ちます。

いくつかの3D印刷されたホルダーとエンクロージャーがあり、チームはブレーキライトのエンディングやTSALパーツ（電気自動車のライト）など、システムが高電圧で動作しているかどうかを示す他のパーツを作成することも計画しています。

金属3D印刷前のジェネレーティブデザインパーツのプロトタイピング

チームがプロトタイピングにも3Dプリントを使用したのは当然のことです。たとえば、シャーシの前面にあるエンドバルブのマウントのプロトタイプを作成しました。これは、トポロジの最適化を使用して設計された複雑なパーツです。最終部品は金属3D印刷で製造されます。

チームは3D印刷を使用して、アルミニウムで3D印刷される複雑なトポロジー最適化マウントのプロトタイプを作成しました。

「それほど高価ではないので、樹脂からFormlabsプリンターで印刷しました。シャーシに適合するかどうかを検証するオプションがありました。私たちはそれが実際に行われていることを確認し、今ではアルミニウムで製造される予定です」とNiklas氏は述べています。

電気レースカーのバッテリーセルのホルダーも3Dプリントでプロトタイプ化されました。

レーシングシーズンに向けて車を完成させる

チームは現在も3台のレースカーを開発しているため、3Dプリントを使用するアプリケーションの範囲は必然的に拡大します。

彼らの最も野心的な今後のプロジェクトの1つは、炭素から空気流の取り入れ口を作ることです。これはより大きな部品であり、金型を複数の部品に3D印刷し、組み立ててから、部品を金型に手作業でラミネートする必要があります。

3台のレーシングカーは春にテストのために軌道に乗る必要があり、Werner、Hilken、そしてチームはCOVID-19の制限が解除されたらレースシーズンが始まることを望んでいます。