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Como a Impressão 3D DLP da NewPro3D e Materiais da Henkel estão Transformando a Fórmula SAE


"No automobilismo de corrida, ou você melhora continuamente, ou fica para trás", diz Jerry Xiao, estudante da Universidade da Colúmbia Britânica, líder da equipe de engenharia e piloto. "Para permanecer competitivos, precisamos otimizar cada aspecto de nosso carro. O motor é a parte mais pesada do veículo. Qualquer coisa que possamos fazer para torná-lo mais leve ou redistribuir seu peso nos dá uma vantagem."



Contexto

Formula SAE é uma competição de design estudantil organizada pela SAE International (anteriormente conhecida como Society of Automotive Engineers, SAE). Com base em um conjunto de regras, estudantes de cada universidade participante projetam, constroem e testam um protótipo. Os carros são avaliados em uma série de eventos que avaliam seu desempenho, além do design, fabricação e custo.


Em 2018, uma equipe de 52 estudantes de engenharia da Universidade da Colúmbia Britânica competiu contra outras 120 equipes universitárias de todo o mundo. A equipe da Formula UBC terminou em 43º lugar geral na Formula SAE Michigan em maio de 2019. Este ano, eles fizeram várias melhorias em seu carro, em preparação para sua próxima oportunidade de competir.


Cada membro contribui com suas habilidades em uma área especializada de interesse, como trem de força, chassi, suspensão, eletrônica, controles ou aerodinâmica. Além de ser um dos pilotos da equipe, Jerry Xiao é responsável pelo motor do carro. Ele apresenta vários subsistemas do motor projetados sob medida, incluindo admissão de ar personalizada, escapamento ajustado, lubrificação por cárter seco e sistema de resfriamento.


APLICAÇÃO:

Peças de alto desempenho para automobilismo de corrida


MATERIAL:

LOCTITE 3D 3843


TECNOLOGIA:

Impressora 3D de polímero fotossensível por Processamento Digital de Luz (DLP)


O Desafio

A Formula UBC Racing é uma equipe de engenharia estudantil que projeta, constrói e corre com um carro de corrida estilo fórmula de rodas abertas. A cada ano, os estudantes constroem um carro novo do zero. A equipe compete na série internacional de design universitário Formula SAE (FSAE) e está ativa desde 1991.


Nos últimos anos, a equipe da Formula UBC tem se concentrado em melhorar a confiabilidade e refinar os subsistemas do carro por meio de testes e validação, com ênfase em abordar áreas específicas de fraqueza dos anos anteriores.


A equipe identificou várias partes do motor que se beneficiariam de um redesenho. Trabalhando com o fornecedor de equipamentos de impressão 3D NewPro3D, a Formula UBC começou a investigar maneiras de aproveitar a manufatura aditiva para redesenhar como essas peças-chave eram produzidas.


Carro de corrida e motor da Formula UBC

Carro de corrida e motor da Formula UBC


A Solução


"Assim como todos os motores de combustão interna, o nosso funciona com uma mistura de gasolina e oxigênio. Permitir que o motor respire mais ar pode ter um grande impacto na potência", diz o Sr. Xiao. "No entanto, como em muitos outros formatos de corrida, estamos limitados pelas regras quanto à quantidade de ar que podemos permitir. Cada carro deve incluir uma placa restritora de 20 mm, mas há alguma flexibilidade quanto ao seu design e incorporação. Vimos a impressão 3D como uma forma de melhorar as tolerâncias até o ponto em que fossem exatamente conformes."


Em 2018, a equipe do motor começou a experimentar a tecnologia da NewPro3D e redesenhou duas peças para impressão 3D, incluindo o bocal de entrada de ar e um suporte de montagem do acelerador. Seus esforços ajudaram a reduzir o peso e melhorar o desempenho geral do carro.


Para a temporada 2019-2020, os planos da equipe se tornaram mais ambiciosos. Primeiramente, eles redesenharam o suporte do cabo do acelerador do pescoço de admissão do carro. Utilizando o material Loctite 3D 3843, eles conseguiram fabricar aditivamente um conjunto único. Para garantir que a peça suportasse as exigências das corridas, ela foi testada e a equipe descobriu que suportaria uma força de tração de 30 libras em qualquer direção sem qualquer flexão mensurável, mostrando-se mais do que capaz de operar sob estresse.


Válvula de aceleração impressa em 3D

Além disso, este ano, a equipe redesenhou a válvula de aceleração do carro. Durante os testes de fluxo, descobriram que o design anterior era um obstáculo significativo para o desempenho máximo. A peça anterior também era usinada e utilizava um parafuso e um eixo redondo para montar a válvula. As limitações desse design dificultavam alcançar as tolerâncias rigorosas necessárias para o fluxo máximo de ar. Como resultado, o carro estava perdendo potência antes mesmo do ar chegar ao restritor.


O novo design impresso em 3D permitiu um fluxo de ar mais livre, aumentando a potência e permitindo que o motor se aproximasse mais dos modelos de simulação. Parte disso se deve ao próprio design, mas a técnica de montagem também contribuiu. Em vez de usar parafusos e eixo redondo, eles conseguiram unir a nova válvula de aceleração a uma dobradiça mais eficiente.


Benefícios


Entrada de ar com peças impressas em 3D

"Avançados materiais como compósitos e plásticos nos ajudaram a reduzir o peso do carro e redistribuí-lo mais baixo, mais próximo do seu centro de gravidade", diz o Sr. Xiao. "Mas a combinação da tecnologia de impressão 3D da NewPro3D e o material da Henkel também nos ajudou a aumentar o desempenho. Ao longo de dois anos, melhoramos nosso sistema de admissão ao ponto em que o motor está produzindo significativamente mais potência e torque."


O novo pescoço de admissão com suporte integrado para cabo de acelerador pesava 20 gramas a menos que o design anterior, contribuindo para a redução do peso total do carro. Com suas tolerâncias mais apertadas, também ajudou a maximizar o fluxo de ar.


A válvula de aceleração plana também contribuiu para o aumento do desempenho do carro. Permite que o ar flua a 99 gramas por segundo, em comparação com os 45 gramas por segundo do design anterior, um aumento de 120%! Os ganhos de potência foram mais perceptíveis a partir de 10.000 RPMs, até o limite de 15.000 RPMs, que é a faixa de potência onde o piloto passa 20% do seu tempo.



Carro de corrida da Formula UBC operando no pico de desempenho

Carro de corrida da Formula UBC operando no pico de desempenho


A liberdade de projeto oferecida pela manufatura aditiva foi um fator chave para a Formula UBC Racing. Trabalhando com software CAD e simulação de fluxo, eles conseguiram criar projetos que não poderiam ser feitos com processos tradicionais. Em colaboração com a NewPro3D, puderam prototipar e testar com peças para uso final. Eles conseguiram realizar testes de fluxo e análise de força em um ambiente operacional, e tinham confiança de que as peças iriam performar na pista.


A impressão 3D também ajudou a reduzir o tempo e o custo de fabricação de novas peças. Tipicamente, a equipe recebe um novo regulamento em novembro. Eles passam cerca de seis meses projetando e refinando o carro. No passado, levaria semanas para usinar e finalizar as peças. Com a ajuda da NewPro3D, eles conseguiram obter duas remessas de peças em menos de 10 dias.


Peças na impressora 3D NewPro3D N1

O novo design impresso em 3D permitiu que o ar fluísse de forma mais livre, produzindo mais potência e permitindo que o motor se aproximasse mais dos modelos de simulação. Parte disso se deve ao design em si. Mas a técnica de montagem também contribuiu. Em vez de usar parafusos e eixo redondo, eles conseguiram unir a nova válvula de aceleração a uma dobradiça mais eficiente.


"Do nosso ponto de vista, é ótimo trabalhar com um grupo tão talentoso de jovens engenheiros", diz Gabriel Castanon, COO da NewPro3D. "Eles são inovadores, criativos e motivados para vencer. Estamos empolgados em ajudá-los em sua jornada enquanto validamos oportunidades no automobilismo e em toda a indústria automotiva."


Além do sistema de admissão de ar, existem outras oportunidades para materiais avançados e manufatura aditiva. Atualmente, o carro utiliza um design de piso aberto. Embora seja leve, não maximiza sua aerodinâmica. Em vez disso, a equipe está considerando um piso de fibra de carbono que o fará.



peças para a formula UBC impressas em 3D

Além disso, a equipe de motor está explorando como a impressão 3D pode ser usada para melhorar o sistema de lubrificação por cárter seco do carro. A bandeja de óleo atual é usinada em alumínio, o que apresenta as mesmas limitações dos designs anteriores do pescoço de admissão e da válvula de aceleração. Uma versão fabricada por manufatura aditiva não só canalizaria o óleo de forma mais eficaz, mas também reduziria ainda mais o peso total do carro.

logo transparente da voxel manufatura

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