3Dプリントカーボンファイバー金型と実用パーツでFormula Studentレースカーを革新

Formula Studentは世界中の学生チームがフォーミュラスタイルの車を設計・製作・レースする年間エンジニアリングデザインコンテストです。TU BerlinチームFaSTTUBeは最大規模の参加チームの1つで、2005年以来毎年80〜90人の学生が参加しています。

今シーズン、FaSTTUBeは燃焼、電気、自律の3つの異なる車両開発で限界に挑戦しています。秋から夏まで設計、製造、組み立て、テストのフルサイクルを実施し、ビジネスモデル、設計コンセプト、コストレポート、レースパフォーマンス(特に出力、効率、耐久性)で審査されます。

開発加速とコスト削減のため、チームはツールキットにForm 3 SLA 3Dプリンターを追加。このプリンターで、そうでなければ不可能または法外に高価になるパーツを高速生産可能になりました。

1. プロトタイプ: アンチロールバーマウント、高電圧バッテリーブラケットなどのコンポーネントプロトタイプを高速プリント。
2. カーボンファイバーパーツ用金型: 複雑なカーボンファイバーコンポーネント製造を可能にする十数個の高精度金型を生産。
3. 実用パーツ: ボタンホルダー、シフターペダル、ステアリングホイールスイッチ、ホースおよびセンサーコネクターなど、約30個の最終車両パーツをSLAレジンから直接プリント。

テクニカルマネージャーNiklas Werner氏と空力・カーボン製造責任者Felix Hilken氏がこれらのイノベーションをガイドしてくれました。

3Dプリント金型での手作業カーボンファイバー積層

前シーズン、ステアリングホイールのカーボンプレートはレーザーカット、グリップと電子ハウジングは選択的レーザー焼結(SLS)で製作。さらなる軽量化のため中空グリップを試みましたが材料強度が不十分。今年は優れた強度重量比を持つカーボンファイバーを選択しました。

Hilken氏は3Dプリント金型を用いたウェットレイアップ積層ワークフローを開発。最小限のツーリングでカーボンファイバーパーツを効率的に製造する方法です。

カーボン積層プロセスの動作をビデオでご覧ください。

カーボンファイバー使用でステアリングホイールハウジング重量が120gからわずか21gに削減。Hilken氏が金型を1日で設計・製作し、従来手法ではコスト面で不可能な複雑形状を実現しました。

「3Dプリントの美しさは、複雑な形状もシンプルな形状と同じ機材と労力で作れることです。ここでの多くの機能は他のプロセスではコスト効率よく生産できません。」とHilken氏は説明します。

Hilken氏は3Dプリント金型にカーボンファイバー3層を積層し、セカンダリネガティブ金型で層を圧着しました。

Tough 1500 Resinを選択。バランスの取れた伸びと弾性率で、脱型時にパーツが曲がっても元に戻る特性を活用。1金型で約10パーツ生産可能ですが、プロセスはオペレーター依存。慎重な取り扱いで繊維の付着や金型損傷を防止します。

外注CNC切削アルミ金型と比較して、このアプローチはコストとリードタイムを劇的に削減。3Dプリントなしでは、チームは高価なツーリング、長いリードタイム、限られた設計自由度に直面していました。

3Dプリント金型でのカーボンファイバーパーツ製造

コンポジット金型設計ガイドラインとプレプレグ/手積層カーボンファイバーパーツのステップバイステップ手順については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

コストとリードタイム分析

社内3Dプリント金型は労務費と材料費の両方を削減。エンジニアレート$200/時間と仮定したステアリングホイールの比較は以下の通り:

	外注CNC切削金型	社内3Dプリント金型
設備	カーボンファイバー, レジン, ツール, バキュームバッグ	カーボンファイバー, レジン, ツール, バキュームバッグ Form 3プリンター, Tough 1500 Resin
金型製作時間	4–6週間	2日
労務費	$0	$300
材料費	$0	$10
金型製作総コスト	$900	$310

シフターペダルからケーブルコレクターまでの実用パーツ

ステアリングホイールコンポーネント以外にも、ボタンホルダー、シフターペダル、マウント、スイッチなどステアリングホイール全パーツセットをForm 3でTough 2000 Resin使用し耐久性確保、スプレー塗装で統一仕上げ。

車両全体で約30個のSLAプリントパーツを搭載。例えばDurable Resin製ケーブルコレクターがメタルシャーシ周りのハーネスチューブを整理。

「これらはワイヤーハーネス組み立てに最適で、見た目が良く、審査員への第一印象が重要です。」とNiklas氏。

チームはさらに3Dプリントエンクロージャー、ブレーキライト終端、電気自動車用TSALコンポーネント(高電圧動作を示す照明インジケーター)も計画中。

金属3Dプリント前のジェネラティブ設計パーツプロトタイピング

3Dプリントは複雑なトポロジー最適化パーツのプロトタイピングでも重要な役割を果たします。フロントエンドバルブマウント(トポロジー最適化で設計)はレジンでプリントし、アルミ金属3Dプリント前にフィット確認。

「レジンでプロトタイプをプリントするのはコスト効率が良く、設計を迅速に検証できました。パーツは完璧にフィットするので、今度はアルミで製造します。」とNiklas氏。

電気レーシングカーのバッテリーセルホルダーも3Dプリントでプロトタイピングされました。

レースシーズンに向けた車両最終化

FaSTTUBeはすべての3車両で3Dプリントの適用範囲を拡大中。次の大型プロジェクトはマルチパート金型、組み立て、手積層を必要とするカーボンファイバーエアフローインテークです。

3台のレースカーは春にトラックテスト予定。Werner氏、Hilken氏、チームはCOVID-19制限解除後にシーズン開始を見込んでいます。