Cooperation Company MCAE Systems and CTU CarTech within Formula Student and ÈVUT

Spolupráce mìla zaèít výrobou modelù polotovarù pro formy z projektu uhlíkových diskù. Èlenové týmu CTU CarTech byli na první konzultaci v mladoboleslavské poboèce MCAE Systems, kde dolaïovali podrobnosti výroby modelù a støedù diskù. Právì entuziasmus u MCAE byl dùvodem, že od konzultace samotných vyrábìných èástí se dostalo i na pøedstavení celé koncepce disku. A byla to pùda MCAE Systems, kde vznikla unikátní myšlenka jednodílného tisknutého jádra s voštinovou strukturou namísto použití konvenèní a na výrobu nároèného obrábìného pìnového jádra. Postupem èasu, kdy se èlenové CTU CarTech seznamovali s možnostmi technologie rapid prototypingu, tak vznikaly nové díly nejen pro usnadnìní výrobních postupù, ale také pro pøímou aplikaci na voze. Práci pøi vývoji vozu nejednou usnadnila i technologie 3D skenování. A byly to opìt uhlíkové disky, díky kterým si èlenové CarTechu poprvé vyzkoušeli optické mìøení deformací. S trochou nadsázky lze øíct, že lidé z MCAE jsou tak kmotry uhlíkových diskù vozu FS.06.

3D tisk dílù technologií FDM

Díly použité pøímo na voze FS.06 (DDM)

Na voze FS.06 jsme využili nìkolik FDM výtiskù èistì jako hotové díly urèené k použití na voze. Tato technologie nám totiž umožnila snadnou a pøesnou výrobu tvarovì velmi složitých dílù, které bychom v pøípadì použití jiné technologie, v našem pøípadì laminace z uhlíku, museli kvùli samotné realizovatelnosti tvarovì zjednodušit, èímž by samozøejmì došlo k omezení funkènosti dílù èi nárùstu jejich hmotnosti. Také kontaktní laminace složitých dílù je bez obrábìné a tedy drahé formy velmi pracná a nepøesná. U FDM dílù jsme však mohli požadovat tvar, který co nejlépe vyhovoval funkènosti a zastavitelnosti dílu a jeho složitost byla omezena pouze konstruktérovou dovedností v CADu a jeho pøedstavivostí. Pro tyto díly jsme využili pøevážnì ABS, napøíklad pro uchycení brzdového svìtla, náfuku chladièe èi k chlazení brzd, kde jsme dosáhli složitého tvaru a nízké hmotnosti. Využití jsme ovšem našli i pro ULTEM, napøíklad k uchycení vstøikovaèù èi sahary chladièe, kde byla potøeba jak vysoká pevnost, tak odolnost teplotám do 140°C. Díky širokému výbìru materiálù a možnosti využití skoøepinové konstrukce se nám tak podaøilo nahrazením uhlíkových dílù plastovými snížit hmotnost tìchto dílù celkem o 0,7kg pøi zachování èi zlepšení funkènosti.
 

Formy

Pro díly, na které jsou kladeny vyšší nároky z hlediska pevnosti èi tuhosti, jsme se rozhodli využít FDM výtiskù jako modelù pro zaformování odlitkù èi pøímo jako forem pro oblaminování. Díky tìmto tištìným formám jsme opìt schopni dosahovat složitìjších tvarù a vyšší pøesnosti finálních dílù. Pøesnost je dùležitá právì u dílù sání FS.06, kde mùže dojít pøi nepøesné výrobì k výrazné odchylce od geometrie ovìøené CFD výpoètem a tím pádem možnému zvýšení tlakových ztrát a snížení prùtoku vzduchu do válcù èi k nerovnomìrné distribuci mezi jednotlivými válci motoru. Tvarová složitost nám zase umožnila eliptický prùøez sacího hrdla nátrubku sání a plynulý pøechod mezi kruhovým vstupním a oválným výstupním prùøezem, èímž jsme snížili tlakovou ztrátu v sacím nátrubku a vstupu do hlavy válcù o 15%.

Díky mechanickým vlastnostem tištìných plastù jsme mohli pro výrobu namísto kontaktní laminace použít pøedsycenou uhlíkovou tkaninu tzv. prepreg, díky èemuž jsme dosáhli kvalitnìjšího povrchu, rovnomìrného prosycení (ménì nadbyteèné pryskyøice = nižší hmotnost) a vyšší pevnosti. ABS forma s vnitøní strukturou je totiž dostateènì tuhá a pevná, aby bez problémù vydržela vakuování na 0,2 bar pøi cca 60°C nutných pro vytvrzení nízkoteplotního prepregu. Polykarbonát pak bez problému zvládne tentýž proces pro klasický prepreg, tj. vytvrzení pøi 140°C.
 

Skenování

Pøenést reálné složitì tvarované díly do prostøedí CAD není snadné. Nabízí se varianta ruèního mìøení, která je však vedle velké èasové nároènosti zatížena hlavnì velkou nepøesností, nìkdy i nemožností nìkterou geometrii omìøit. Øešením tìchto problémù se ukázal systém ATOS, jehož pomocí nám v MCAE Systems naskenovali hned nìkolik dílù. Jako první jsme si systém vyzkoušeli pøi skenování obtisku jezdce do pìnové sedaèky, což nám výraznì pomohlo pøi modelování sedaèky ergonomicky kompatibilní s našimi jezdci, kdy jsme namísto ruèního mìøení mnoha øezù pìnového obtisku za 10 minut dostali STL soubor ze scanu, jejž není problém v CADu zpracovat.

Dalším typickým dílem nároèným na ruèní mìøení byl blok motoru Yamaha YZF R6. U tohoto dílu jsou navíc kladeny také vysoké požadavky na pøesnost a to v øádu až 10-2mm, èehož jsme díky tvarové složitosti motoru nebyli schopni ani pomocí tøíosého SM systému. Systém ATOS si však s motorem velmi dobøe poradil a získali jsme tak velmi pøesný model celého motoru, což nám umožòuje efektivnìjší zástavbu do vozu a snadnìjší zakomponování vlastních systémù do stávajícího bloku bez rizika kolizí. Hlavní motivací však byl další unikátní projekt, který tým pøedstaví v sezónì 2016.

Pro systém ATOS však není problém ani vìtší díl. Napøíklad aerodynamické prvky FS.06. Jelikož jsme v prùbìhu sezónního testování verifikovali návrhová data a reálnì jsme namìøili o 5% nižší pøítlak vozu oproti CFD simulaci, rozhodli jsme se naskenovat pøítlaèná køídla, u nichž nám 3D scan ukáže pøesnost ruèní výroby, sestavení profilù a celého køídla a umožní nám tak zhodnotit vliv pøesnosti výroby a nastavení vzájemné polohy profilù na výsledný pøítlak.
 

Projekt uhlíkových diskù

Jedním z nejvìtších projektù týmu byl vývoj vlastních diskù. Na vùz FS.06 jsme se rozhodli nasadit 10" pneumatiky oproti 13", jež jsme používali v minulosti. Dùvodem byl významný pøínos z hlediska dynamiky vozu, kdy se nám podaøilo snížit hmotnost o 2,8kg na každé kolové skupinì, tj. v té nejkritiètìjší oblasti – rotaèní neodpružené hmoty. Celková úspora tak byla zhruba 5% celkové hmotnosti a snížení momentù setrvaènosti vozu jak v klopení, tak klonìní i stáèení o desítky procent.

Cílem bylo navrhnout 10" disk o šíøi 7,5" a hmotnosti do 1,5kg, pøi dodržení odpovídající tuhosti a pevnosti.

Navrhli jsme tedy uhlíkový disk s kompozitovým jádrem uprostøed (pùvodnì ještì Ertalon) a pìnovým jádrem ve zbytku disku. Nejvìtším problémem však byla cena. Velmi drahá, ale technologicky nezbytná byla výroba forem z hliníku. I pøesto bylo však nejdražší položkou pìnové jádro, kdy se nákupem materiálu a obrobením pìny disk zhruba osminásobnì prodražil.

Problém s formami nám v MCAE Systems pomohli vyøešit velmi jednoduše – vytiskli FDM technologií z ABS plastu modely forem, jež jsme následnì na Ústavu strojírenské technologie Fakulty strojní odlili z hliníku a v rámci spolupráce nám formy partner TAJMAC-ZPS obrobil. Oproti plnì obrábìné variantì jsme tak ušetøili zhruba 70% materiálu a 50% obrábìcího èasu.
 

Na co jsme však pøi spolupráci s MCAE nejvíce pyšní, je jádro disku, které je oproti pùvodní variantì vytištìné jako jeden díl. Ve støedu, kde dochází k pøenosu zatížení z disku na náboj, má jádro plnou strukturu, zatímco ve zbylé èásti je struktura voštinová s tenkým vnìjším potahem. Toto jádro z ULTEMu je tak pevné v požadovaných místech, poskytuje dostateènou oporu pøi laminování, vydrží proces vytvrzování pøi 140 °C, pøenáší smyková napìtí mezi vrstvami uhlíku a pøitom je ještì lehèí než pùvodní varianta. Disk rovnìž prošel certifikaèní zkouškou ohybem za rotace v mladoboleslavské zkušebnì TÜV SÜD.

Výsledkem je disk s uhlíkovými potahy a plastovým jádrem o hmotnosti 1320g!
 

Bìhem sezóny se tato volba ukázala jako správná a FS.06 se tak stala jednoznaènì naším nejrychlejším vozem, se kterým jsme také dosáhli prozatím nejprestižnìjšího výsledku – umístìní v TOP 5 na nejvìtším závodì Formula Student Germany na nìmeckém Hockenheimringu. Výsledná výkonnost vozu však byla vyšší, než jsme sami dokázali predikovat a v na pøedposledním závodì v maïarském Györu dosáhl vùz FS.06 o 20% vyššího zatížení, než se kterým se poèítalo, což mìlo za následek destrukci disku.
 

Jelikož je tým CTU CarTech známý pro svou vysokou spolehlivost v závodech, na které si také zakládáme, nebylo pøípustné se s tímto stavem smíøit a padlo rozhodnutí dva z pøeživších diskù podrobit destrukèní zkoušce. Díky systému ARAMIS jsme s pomocí MCAE Systems namìøili deformaci disku od 50 % návrhového zatížení až po jeho destrukci a díky tìmto mìøením jsme byli schopni kalibrovat MKP výpoèet. MCAE totiž umí proti sobì porovnat výstupy jak z MKP analýzy systému ABAQUS, tak z fyzického mìøení. 

Nicménì i po tìchto mìøeních a kalibraci MKP modelu se ukázalo, že chyba nastala pøi výrobì, jelikož dojde po odpovídajících cyklech k destrukci až pøi zatížení o 70 % vyšším. Tento dílèí nezdar vnímáme jako impulz ke zlepšení a jako ukazatel na oblast, na které je potøeba zapracovat. Spolu s MCAE Systems vyvineme novou evoluci disku, která bude ještì tužší a lehèí než verze první.

Více info na www.mcae.cz

Foto: © CTU CarTech