学生方程式赛车的碳纤维成型和最终用途 3D 打印部件

学生方程式是一年一度的工程设计比赛，来自世界各地的学生团队在比赛中建造和比赛方程式赛车。 TU Berlin 学生方程式队 (FaSTTUBe) 是最大的团体之一；自 2005 年以来，每年有 80 至 90 名学生开发新赛车。

本季他们第一次建造了三种模型：燃烧模型、电动模型和自动模型。从秋季到夏季，他们有一年的时间来设计、制造、组装和在比赛前测试车辆。团队会根据商业模式、设计理念、成本报告和赛车性能进行评估，特别是在功率、效率和耐力方面。

今年，该团队在他们的工具集中添加了一台 Form 3 SLA 3D 打印机，他们用它来节省时间、成本并创建其他方式无法实现的零件：

1. 原型： 他们打印各种零件的原型，例如防倾杆的安装或高压电池的利益相关者。

2. 用于制造碳纤维部件的模具： 该团队打印了十几个模具来制造原本无法制造的碳纤维部件。

3. 最终用途部件： 汽车的大约 30 个最终部件直接从按钮座、方向盘换档器到软管和冷却系统的传感器连接器进行 3D 打印。

技术经理 Niklas Werner 和空气动力学和碳制造主管 Felix Hilken 向我们介绍了 FaSTTUBe 设施并带我们了解了这些应用。

在 3D 打印模具上手工层压碳纤维部件

任何赛车中最具标志性的部件之一就是方向盘。上个赛季，该团队使用激光切割来制造碳板，并使用选择性激光烧结 (SLS) 来制造手柄和容纳电子设备的主体。

由于减轻重量在赛车的制造中必不可少，因此他们尝试将把手打印成空心，但它的强度不足以承受驾驶员的抓地力。今年，他们决定用碳纤维制造零件，这是一种很好的材料，可以在保持或增加强度的同时减轻重量。

Hilken 开发了一种工作流程，该工作流程采用 3D 打印模具进行湿法叠层层压，这是开始以最少的供应量制造碳纤维部件的好方法。

观看视频，了解碳层压工艺的工作原理。

通过使用碳纤维，该团队将方向盘外壳的重量从 120 克减少到 21 克。 Hilken 需要一天的时间来设计和建造模具。他们能够将设计推向传统上极其难以制造的几何形状。

“3D 打印的伟大之处在于，复杂的形状和简单的形状一样容易制作，它需要相同的工作量和设备。此处的某些功能实际上无法以经济的方式使用任何其他工艺完成，”Hilken 说。

Hilken 在 3D 打印模具上层压三层碳纤维，然后使用另一个负模将这些层压在一起。

Hilken 使用 Tough 1500 树脂是因为它可以平衡伸长率和模量。用这种材料打印的零件可以显着弯曲并快速弹回其原始形状，这有利于零件的脱模。使用这种技术，Hilken 估计一个模具可以用来制造大约十个零件。由于这是一个手动过程，这取决于操作员的细致程度：模具最终可能会卡住纤维或因分离过程而损坏。

使用 3D 打印模具进行湿法叠层层压是开始以最少的供应量开始制造碳纤维部件的好方法。

如果没有 3D 打印，该团队将不得不外包铝制模具的 CNC 铣削，这既昂贵又需要专业工具。

“我会用 CNC 加工模具，但我需要专门的工具，然后等待在机器上开槽。但我什至不能做这个几何图形，特别是一些小角落。我需要使用一种没有任何螺钉的设计，这样零件就不会对定位敏感，”Hilken 说。

去年组装好的方向盘（右）旁边的新碳纤维底盘（左）。

使用 3D 打印模具制造碳纤维零件

下载此白皮书，了解复合材料模具设计指南以及制作碳纤维部件的预浸料和手工层压方法的分步指南。

成本和提前期分析

3D 打印用于手工层压碳纤维零件的模具帮助该团队大幅降低成本和交货时间。这是外包金属模具和内部 3D 打印方向盘之间的比较。我们将劳动力成本和材料成本考虑在内，并假设工程师的计费率为每小时 200 美元。

从变速踏板到电缆收集器的最终用途部件

把手和车身并不是方向盘上唯一利用 3D 打印的部件。事实上，除了成型碳部件、碳板和电子设备外，方向盘的所有其他部件也都是 3D 打印在 Form 3 上的。

按钮座、变速踏板、变速踏板的安装座和开关均采用 Tough 2000 Resin 印刷以确保其韧性和耐用性，然后喷漆以获得均匀的颜色。

新方向盘上的按钮、按钮座、换档踏板和换档踏板的安装座都是直接 3D 打印的。

目前，该车总共有大约 30 个 SLA 打印部件。例如，该团队还打印了电缆收集器，以整齐地组织线束中的电缆。它们由耐用树脂制成，可灵活地安装在金属底盘的管子周围。

“它们非常适合组装线束，因为它们看起来不错，而且重要的是要在评委​​看到它时给他们留下良好的第一印象，”Niklas 说。

3D 打印的电缆收集器有助于整齐地组织线束中的电缆。

有一些 3D 打印支架和外壳，该团队还计划创建其他部件，如刹车灯的末端和 TSAL 部件——电动汽车中的灯，显示系统是否在高压下运行。

在金属 3D 打印之前制作生成设计部件的原型

该团队还使用 3D 打印进行原型制作也就不足为奇了。例如，他们对底盘前部的端阀支架进行了原型设计，这是一个经过拓扑优化设计的复杂部件。最终部件将使用金属 3D 打印制造。

该团队使用 3D 打印制作了一个复杂的拓扑优化支架原型，该支架将在铝中进行 3D 打印。

“我们用 Formlabs 打印机用树脂打印它，因为它并不昂贵。我们可以选择验证它是否适合底盘。我们看到它确实如此，现在它将用铝制造，”Niklas 说。

电动赛车电池的支架也通过 3D 打印进行了原型制作。

完成赛季赛车

该团队目前仍在大力开发这三款赛车，因此使用 3D 打印的应用范围将不可避免地扩大。

他们即将开展的最雄心勃勃的项目之一是用碳制造气流进气口。这将是一个更大的零件，需要将模具分成多个零件进行 3D 打印、组装，然后用手将零件层压到模具上。

三辆赛车应该会在春季和维尔纳、希尔肯上赛道进行测试，车队希望一旦 COVID-19 限制解除，赛季就能开始。