Spolupr�ce firmy MCAE Systems a CTU CarTech v r�mci Formule Student a �VUT

Spolupráce m�la za�ít výrobou model� polotovar� pro formy z projektu uhlíkových disk�. �lenové týmu CTU CarTech byli na první konzultaci v mladoboleslavské pobo�ce MCAE Systems, kde dola�ovali podrobnosti výroby model� a st�ed� disk�. Práv� entuziasmus u MCAE byl d�vodem, �e od konzultace samotných vyráb�ných �ástí se dostalo i na p�edstavení celé koncepce disku. A byla to p�da MCAE Systems, kde vznikla unikátní myšlenka jednodílného tisknutého jádra s voštinovou strukturou namísto pou�ití konven�ní a na výrobu náro�ného obráb�ného p�nového jádra. Postupem �asu, kdy se �lenové CTU CarTech seznamovali s mo�nostmi technologie rapid prototypingu, tak vznikaly nové díly nejen pro usnadn�ní výrobních postup�, ale také pro p�ímou aplikaci na voze. Práci p�i vývoji vozu nejednou usnadnila i technologie 3D skenování. A byly to op�t uhlíkové disky, díky kterým si �lenové CarTechu poprvé vyzkoušeli optické m��ení deformací. S trochou nadsázky lze �íct, �e lidé z MCAE jsou tak kmotry uhlíkových disk� vozu FS.06.

3D tisk díl� technologií FDM

Díly pou�ité p�ímo na voze FS.06 (DDM)

Na voze FS.06 jsme vyu�ili n�kolik FDM výtisk� �ist� jako hotové díly ur�ené k pou�ití na voze. Tato technologie nám toti� umo�nila snadnou a p�esnou výrobu tvarov� velmi slo�itých díl�, které bychom v p�ípad� pou�ití jiné technologie, v našem p�ípad� laminace z uhlíku, museli kv�li samotné realizovatelnosti tvarov� zjednodušit, �ím� by samoz�ejm� došlo k omezení funk�nosti díl� �i nár�stu jejich hmotnosti. Také kontaktní laminace slo�itých díl� je bez obráb�né a tedy drahé formy velmi pracná a nep�esná. U FDM díl� jsme však mohli po�adovat tvar, který co nejlépe vyhovoval funk�nosti a zastavitelnosti dílu a jeho slo�itost byla omezena pouze konstruktérovou dovedností v CADu a jeho p�edstavivostí. Pro tyto díly jsme vyu�ili p�evá�n� ABS, nap�íklad pro uchycení brzdového sv�tla, náfuku chladi�e �i k chlazení brzd, kde jsme dosáhli slo�itého tvaru a nízké hmotnosti. Vyu�ití jsme ovšem našli i pro ULTEM, nap�íklad k uchycení vst�ikova�� �i sahary chladi�e, kde byla pot�eba jak vysoká pevnost, tak odolnost teplotám do 140°C. Díky širokému výb�ru materiál� a mo�nosti vyu�ití sko�epinové konstrukce se nám tak poda�ilo nahrazením uhlíkových díl� plastovými sní�it hmotnost t�chto díl� celkem o 0,7kg p�i zachování �i zlepšení funk�nosti.
 

Formy

Pro díly, na které jsou kladeny vyšší nároky z hlediska pevnosti �i tuhosti, jsme se rozhodli vyu�ít FDM výtisk� jako model� pro zaformování odlitk� �i p�ímo jako forem pro oblaminování. Díky t�mto tišt�ným formám jsme op�t schopni dosahovat slo�it�jších tvar� a vyšší p�esnosti finálních díl�. P�esnost je d�le�itá práv� u díl� sání FS.06, kde m��e dojít p�i nep�esné výrob� k výrazné odchylce od geometrie ov��ené CFD výpo�tem a tím pádem mo�nému zvýšení tlakových ztrát a sní�ení pr�toku vzduchu do válc� �i k nerovnom�rné distribuci mezi jednotlivými válci motoru. Tvarová slo�itost nám zase umo�nila eliptický pr��ez sacího hrdla nátrubku sání a plynulý p�echod mezi kruhovým vstupním a oválným výstupním pr��ezem, �ím� jsme sní�ili tlakovou ztrátu v sacím nátrubku a vstupu do hlavy válc� o 15%.

Díky mechanickým vlastnostem tišt�ných plast� jsme mohli pro výrobu namísto kontaktní laminace pou�ít p�edsycenou uhlíkovou tkaninu tzv. prepreg, díky �emu� jsme dosáhli kvalitn�jšího povrchu, rovnom�rného prosycení (mén� nadbyte�né prysky�ice = ni�ší hmotnost) a vyšší pevnosti. ABS forma s vnit�ní strukturou je toti� dostate�n� tuhá a pevná, aby bez problém� vydr�ela vakuování na 0,2 bar p�i cca 60°C nutných pro vytvrzení nízkoteplotního prepregu. Polykarbonát pak bez problému zvládne tentý� proces pro klasický prepreg, tj. vytvrzení p�i 140°C.
 

Skenování

P�enést reálné slo�it� tvarované díly do prost�edí CAD není snadné. Nabízí se varianta ru�ního m��ení, která je však vedle velké �asové náro�nosti zatí�ena hlavn� velkou nep�esností, n�kdy i nemo�ností n�kterou geometrii om��it. �ešením t�chto problém� se ukázal systém ATOS, jeho� pomocí nám v MCAE Systems naskenovali hned n�kolik díl�. Jako první jsme si systém vyzkoušeli p�i skenování obtisku jezdce do p�nové seda�ky, co� nám výrazn� pomohlo p�i modelování seda�ky ergonomicky kompatibilní s našimi jezdci, kdy jsme namísto ru�ního m��ení mnoha �ez� p�nového obtisku za 10 minut dostali STL soubor ze scanu, jej� není problém v CADu zpracovat.

Dalším typickým dílem náro�ným na ru�ní m��ení byl blok motoru Yamaha YZF R6. U tohoto dílu jsou navíc kladeny také vysoké po�adavky na p�esnost a to v �ádu a� 10-2mm, �eho� jsme díky tvarové slo�itosti motoru nebyli schopni ani pomocí t�íosého SM systému. Systém ATOS si však s motorem velmi dob�e poradil a získali jsme tak velmi p�esný model celého motoru, co� nám umo��uje efektivn�jší zástavbu do vozu a snadn�jší zakomponování vlastních systém� do stávajícího bloku bez rizika kolizí. Hlavní motivací však byl další unikátní projekt, který tým p�edstaví v sezón� 2016.

Pro systém ATOS však není problém ani v�tší díl. Nap�íklad aerodynamické prvky FS.06. Jeliko� jsme v pr�b�hu sezónního testování verifikovali návrhová data a reáln� jsme nam��ili o 5% ni�ší p�ítlak vozu oproti CFD simulaci, rozhodli jsme se naskenovat p�ítla�ná k�ídla, u nich� nám 3D scan uká�e p�esnost ru�ní výroby, sestavení profil� a celého k�ídla a umo�ní nám tak zhodnotit vliv p�esnosti výroby a nastavení vzájemné polohy profil� na výsledný p�ítlak.
 

Projekt uhlíkových disk�

Jedním z nejv�tších projekt� týmu byl vývoj vlastních disk�. Na v�z FS.06 jsme se rozhodli nasadit 10" pneumatiky oproti 13", je� jsme pou�ívali v minulosti. D�vodem byl významný p�ínos z hlediska dynamiky vozu, kdy se nám poda�ilo sní�it hmotnost o 2,8kg na ka�dé kolové skupin�, tj. v té nejkriti�t�jší oblasti – rota�ní neodpru�ené hmoty. Celková úspora tak byla zhruba 5% celkové hmotnosti a sní�ení moment� setrva�nosti vozu jak v klopení, tak klon�ní i stá�ení o desítky procent.

Cílem bylo navrhnout 10" disk o ší�i 7,5" a hmotnosti do 1,5kg, p�i dodr�ení odpovídající tuhosti a pevnosti.

Navrhli jsme tedy uhlíkový disk s kompozitovým jádrem uprost�ed (p�vodn� ješt� Ertalon) a p�novým jádrem ve zbytku disku. Nejv�tším problémem však byla cena. Velmi drahá, ale technologicky nezbytná byla výroba forem z hliníku. I p�esto bylo však nejdra�ší polo�kou p�nové jádro, kdy se nákupem materiálu a obrobením p�ny disk zhruba osminásobn� prodra�il.

Problém s formami nám v MCAE Systems pomohli vy�ešit velmi jednoduše – vytiskli FDM technologií z ABS plastu modely forem, je� jsme následn� na Ústavu strojírenské technologie Fakulty strojní odlili z hliníku a v rámci spolupráce nám formy partner TAJMAC-ZPS obrobil. Oproti pln� obráb�né variant� jsme tak ušet�ili zhruba 70% materiálu a 50% obráb�cího �asu.
 

Na co jsme však p�i spolupráci s MCAE nejvíce pyšní, je jádro disku, které je oproti p�vodní variant� vytišt�né jako jeden díl. Ve st�edu, kde dochází k p�enosu zatí�ení z disku na náboj, má jádro plnou strukturu, zatímco ve zbylé �ásti je struktura voštinová s tenkým vn�jším potahem. Toto jádro z ULTEMu je tak pevné v po�adovaných místech, poskytuje dostate�nou oporu p�i laminování, vydr�í proces vytvrzování p�i 140 °C, p�enáší smyková nap�tí mezi vrstvami uhlíku a p�itom je ješt� leh�í ne� p�vodní varianta. Disk rovn� prošel certifika�ní zkouškou ohybem za rotace v mladoboleslavské zkušebn� TÜV SÜD.

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

B�hem sezóny se tato volba ukázala jako správná a FS.06 se tak stala jednozna�n� naším nejrychlejším vozem, se kterým jsme také dosáhli prozatím nejpresti�n�jšího výsledku – umíst�ní v TOP 5 na nejv�tším závod� Formula Student Germany na n�meckém Hockenheimringu. Výsledná výkonnost vozu však byla vyšší, ne� jsme sami dokázali predikovat a v na p�edposledním závod� v ma�arském Györu dosáhl v�z FS.06 o 20% vyššího zatí�ení, ne� se kterým se po�ítalo, co� m�lo za následek destrukci disku.
 

Jeliko� je tým CTU CarTech známý pro svou vysokou spolehlivost v závodech, na které si také zakládáme, nebylo p�ípustné se s tímto stavem smí�it a padlo rozhodnutí dva z p�e�ivších disk� podrobit destruk�ní zkoušce. Díky systému ARAMIS jsme s pomocí MCAE Systems nam��ili deformaci disku od 50 % návrhového zatí�ení a� po jeho destrukci a díky t�mto m��ením jsme byli schopni kalibrovat MKP výpo�et. MCAE toti� umí proti sob� porovnat výstupy jak z MKP analýzy systému ABAQUS, tak z fyzického m��ení. 

Nicmén� i po t�chto m��eních a kalibraci MKP modelu se ukázalo, �e chyba nastala p�i výrob�, jeliko� dojde po odpovídajících cyklech k destrukci a� p�i zatí�ení o 70 % vyšším. Tento díl�í nezdar vnímáme jako impulz ke zlepšení a jako ukazatel na oblast, na které je pot�eba zapracovat. Spolu s MCAE Systems vyvineme novou evoluci disku, která bude ješt� tu�ší a leh�í ne� verze první.

Více info na www.mcae.cz

Foto: © CTU CarTech