Moulage de fibre de carbone en 3D pour les voitures de course de Formula Student
La Formula Student est un concours annuel d’ingénierie au cours duquel des équipes d’étudiants du monde entier construisent et font courir des voitures de type Formule. L’équipe Formula Student Team TU Berlin (FaSTTUBe) est l’un des groupes les plus importants ; 80 à 90 étudiants développent de nouvelles voitures de course chaque année depuis 2005.
Pour la première fois, cette saison, ils construisent trois modèles : à combustion, électrique et autonome. De l’automne à l’été, ils ont un an pour concevoir, fabriquer, assembler et tester les véhicules avant les courses. Les équipes sont évaluées sur le modèle d’entreprise, le concept de design, le rapport des coûts et les performances de course, en particulier pour la puissance, l’efficacité et l’endurance.
Cette année, l’équipe a ajouté une imprimante 3D Form 3 SLA à sa panoplie d’outils, qu’elle a utilisée pour gagner du temps, réduire les coûts et créer des pièces qui n’auraient pas pu être fabriquées autrement :
Prototypes : ils impriment des prototypes pour diverses pièces telles que les fixations de la barre antiroulis ou les parties prenantes de la batterie HV.
Moules pour la fabrication de pièces en fibre de carbone : l’équipe a imprimé une douzaine de moules pour fabriquer des pièces en fibre de carbone qui n’auraient pas pu être fabriquées autrement.
Pièces finales : une trentaine de pièces finales des voitures sont directement imprimées en 3D, depuis les supports de boutons et les manettes du volant jusqu’aux connecteurs de tuyaux et de capteurs des systèmes de refroidissement.
Stratification manuelle de pièces en fibre de carbone sur des moules imprimés en 3D
L’une des pièces les plus emblématiques de toute voiture de course est le volant. La saison dernière, l’équipe a utilisé la découpe laser pour créer une plaque de carbone et le frittage sélectif par laser (SLS) pour créer les poignées et le corps qui abrite l’électronique.
La réduction du poids étant essentielle dans la construction des voitures de course, l’équipe a essayé d’imprimer les poignées en creux, mais elles n’étaient pas assez résistantes pour supporter la poigne du pilote. Cette année, ils ont décidé de fabriquer les pièces en fibre de carbone, un matériau idéal pour réduire le poids tout en conservant ou en augmentant la résistance.
Hilken a mis au point un flux de travail qui utilise des moules imprimés en 3D pour la stratification par voie humide, ce qui constitue un excellent moyen de commencer à fabriquer des pièces en fibre de carbone avec un minimum de fournitures.
En utilisant la fibre de carbone, l’équipe a réduit le poids du boîtier du volant de 120 g à 21 g. Hilken a eu besoin d’une journée pour concevoir et construire le moule. Ils ont pu pousser la conception jusqu’à des géométries qui auraient été extrêmement difficiles à fabriquer de manière traditionnelle.
Hilken a utilisé la résine Tough 1500 parce qu’elle équilibre l’allongement et le module. Les pièces imprimées dans ce matériau peuvent se plier considérablement et reprendre rapidement leur forme initiale, ce qui facilite le démoulage de la pièce. Avec cette technique, M. Hilken estime qu’un moule peut être utilisé pour fabriquer une dizaine de pièces. Comme il s’agit d’un processus manuel, il dépend de la méticulosité de l’opérateur : le moule peut se retrouver avec des fibres collées ou endommagées par le processus de séparation.
Analyse des coûts et des délais
L’impression 3D des moules pour la stratification manuelle des pièces en fibre de carbone a permis à l’équipe de réduire considérablement les coûts et les délais. Voici une comparaison entre l’externalisation du moule métallique et son impression 3D en interne pour le volant. Nous prenons en compte les coûts de la main-d’œuvre et des matériaux et nous supposons que le taux de facturation d’un ingénieur est de 200 dollars de l’heure.
| MOULE USINÉ EN SOUS-TRAITANCE CNC | MOULE IMPRIMÉ EN 3D EN INTERNE | |||
|---|---|---|---|---|
| Équipement | Fibre de Carbone, résines, outillages, sac sous vide | Fibre de Carbone, résines, outillages, sac sous vide Imprimante 3D Form 3, Résine Tough 1500 |
||
| Temps de production | 4-6 semaines | 2 jours | ||
| Coûts de main-d’œuvre | 0 | $300 | ||
| Coûts en matériaux | 0 | $10 | ||
| Coûts totaux | $900 | $310 |
Des pédales de changement de vitesse aux collecteurs de câbles
Les poignées et le corps ne sont pas les seules pièces des volants à avoir bénéficié de l’impression 3D. En effet, outre les pièces en carbone moulé, la plaque en carbone et l’électronique, tous les autres composants du volant sont également imprimés en 3D sur la Form 3.
Les supports de boutons, les pédales de changement de vitesse, les supports des pédales de changement de vitesse et les interrupteurs ont été imprimés avec de la résine Tough 2000 pour sa résistance et sa durabilité, puis peints au pistolet pour une couleur uniforme.
Au total, la voiture compte actuellement une trentaine de pièces imprimées en SLA. Par exemple, l’équipe a également imprimé des collecteurs de câbles pour organiser proprement les câbles dans les faisceaux de câbles. Ces collecteurs sont fabriqués à partir d’une résine durable qui offre la flexibilité nécessaire pour s’adapter aux tubes du châssis métallique.
Finalisation des voitures pour la saison de course
L’équipe continue actuellement à développer les trois voitures de course, de sorte que la gamme d’applications où l’impression 3D est utilisée va inévitablement s’élargir.
L’un des projets les plus ambitieux est la création d’une prise d’air en carbone. Il s’agira d’une pièce plus importante qui nécessitera l’impression 3D du moule en plusieurs parties, son assemblage, puis la stratification à la main de la pièce sur le moule.
Les trois voitures de course devraient prendre la piste pour des essais au printemps et Werner, Hilken et l’équipe espèrent que la saison de course pourra commencer dès que les restrictions liées à la directive COVID-19 seront levées.
