Stampare in 3D materiali compositi e tecnopolimeri: le parti in fibra di carbonio e Ultem contribuiscono al successo in gara della vettura RaceUp Team nella Formula Student.
Lo sviluppo di un settore innovativo e interconnesso come quello della stampa 3D passa quasi inevitabilmente dalla capacità delle aziende e delle realtà che ne fanno parte, di collaborare tra di loro. Per poter sfruttare a pieno le potenzialità dell'additive manufacturing e della stampa 3D per materiali compositi, che per sua natura si rivolge a diversi settori industriali e produttivi, risulta fondamentale condividere competenze ed esperienze.
Un esempio vincente di realtà che sono state in grado di fare squadra è quello di Race UP, team di Formula SAE dell'Università di Padova. Formula SAE è un progetto universitario che richiede agli studenti di concepire e produrre da zero due vetture, una totalmente elettrica e l'altra a combustione interna, che possano competere con quelle provenienti dalle migliori Università di tutto il mondo, in un contest automobilistico di livello internazionale.
Il Race Up Team dell'Università di Padova con la vettura utilizzata nelle gare di Formula SAE
Competizione che permette agli studenti coinvolti di accrescere le proprie conoscenze ingegneristiche grazie alla concreta applicazione di quanto studiato in maniera teorica, questo soprattutto grazie alla forte interazione con le aziende. Una missione possibile, infatti, solo grazie alla collaborazione tra varie
professionalità di alto livello che possono portare al progetto le competenze necessarie per rispondere ad esigenze così complesse.
Ispezione e carteggiatura dei pezzi stampati in 3D con ST-130, materiale idrosolubile di Stratasys
Al fianco di Race UP, infatti, ci sono aziende importanti in ambito additive manufacturing, come Energy Group (Digital Manufacturing Partner), Compositex, azienda specializzata in progettazione e realizzazione di componenti in materiali compositi e Due Pi Greco (Service Provider).
Un team di lavoro che ha permesso di ideare e sviluppare soluzioni specifiche e innovative per la realizzazione di componenti e parti fondamentali dell'autovettura di Race Up, avvalendosi della stampa 3D per materiali compositi: Grazie a questa collaborazione siamo stati in grado di realizzare in stampa 3D mandrini in materiale idrosolubile per la laminazione dell'airbox in carbonio
- dice Zeno Pogacnik, membro del reparto Powertrain and Transmission del team RaceUP - una soluzione che rispetto a lavorazioni tradizionali assicura il miglior risultato in termini di finitura superficiale interna e semplifica di molto il processo di estrazione del laminato una volta rigido. Il mandrino idrosolubile è l'unica soluzione che permette di gestire stampi interni monopezzo. L'additive manufacturing inoltre permette di realizzare geometrie molto più complesse avendo eliminato il problema dell’estrazione propria dello stampo tradizionale
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Laminazione del carbonio sullo stampo idrosolubile 3D
Stampa 3D per materiali compositi: ecco come è stato realizzato l'airbox
I pezzi per la laminazione del carbonio sono stati stampati in 3D con ST-130, materiale idrosolubile, sulle stampanti 3D Stratasys FDM di Compositex che grazie alla propria esperienza nella realizzazione di parti in materiale composito ha aiutato il team Race Up a raggiungere un risultato eccellente in brevissimo tempo.
Lo stampo maschio è stato sottoposto a stuccatura delle zone più irregolari per eliminare la rugosità tipica della stampa 3D FDM, alternando uno strato di carbon filler a una mano di carteggiatura finché la superficie non è risultata sufficientemente liscia, facendo particolare attenzione alla strizione di 19 mm in quanto fondamentale per superare le ispezioni tecniche agli eventi.
I componenti in carbonio appena estratti dall'autoclave
La laminazione del carbonio sullo stampo è stata eseguita applicando sei pelli, una quantità abbondante che ha garantito il risultato voluto al primo tentativo di produrre un airbox in carbonio su stampo idrosolubile a ridosso della data dell’evento italiano. I pezzi sono poi stati messi sottovuoto all’interno di idonei sacchi.
Una volta finito il trattamento in autoclave, a temperature e pressioni elevate, il risultato è stato molto soddisfacente, fatta eccezione per qualche leggera imperfezione per lo più estetica causata dalla difficoltà della stesura delle pelli di carbonio.
Il mandrino solubile stampato in 3d con ST-130 con la caratteristica struttura alveolare può essere rimosso anche meccanicamente
Per la rimozione dello stampo 3D idrosolubile in ST-130 i pezzi sono stati immersi nella vasca di lavaggio contenente una soluzione acquosa.
Le due parti in carbonio così ottenute sono state carteggiate e forate, permettendo la giunzione meccanica delle due. In seguito, sono state incollate le trombette di aspirazione all’interno del plenum e il supporto per il rail degli iniettori. Si tratta di una operazione particolarmente critica che può comportare il rischio di una carburazione non ottimizzata se viene variata l’altezza delle trombette rispetto ai valori di progetto forniti e determinati attraverso studi teorici e simulazioni fluidodinamiche.
Il plenum in carbonio estratto dello stampo
Infine, il componente della vettura è stato assemblato posizionando anche il corpo farfallato.
Tecnologia e materiali ad alte prestazioni nella stampa 3D per materiali compositi
Stampanti 3D all'avanguardia che vanno a braccetto con materiali sempre più performanti che permettono di utilizzare la stampa 3D per materiali compositi e ottenere risultati eccellenti: Per la produzione dei mandrini, da usare come stampi per il laminato, è stato utilizzato il materiale termoplastico Stratasys ST 130
- prosegue Zeno Pogacnik - filamento idrosolubile resistente alle condizioni di cura del carbonio in autoclave sia in termini di temperature che pressione (121° a 1 bar e 98° a 6 bar). Per la stampa è stata utilizzata la stampante Stratasys Fortus 450 e il risultato è stato molto più che soddisfacente. La collaborazione con Energy Group, Due Pi Greco e Compositex ci ha permesso di individuare materiale e stampante 3D ideali per le nostre esigenze. In passato abbiamo avuto ottimi riscontri anche da altri materiali FDM: PEEK per sistemi di aspirazione e supporto iniettori, ULTEM 1010, materiale sempre di Stratasys, per le sedi degli iniettori e l'assieme di aspirazione. Di questo componente abbiamo stampato anche una versione in nylon caricato con fibre corte di carbonio (Nylon 12 Carbon Fiber). Abbiamo optato per questi materiali termoplastici, in particolare l’ULTEM, in quanto oltre ad essere resistenti alle temperature e agli idrocarburi hanno una straordinaria resistenza alle sollecitazioni meccaniche
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L'airbox in carbonio installato sulla vettura di gara
La vettura di Race Up, integrata con componenti realizzati grazie alla stampa 3D per materiali compositi con fibra di carbonio e ULTEM, ha gareggiato all’interno del circuito Autodromo di Varano (PR), conquistando il podio in Skidpad, Autocross, Endurance e Overall.
Risultati incredibili ottenuti sfruttando appieno le potenzialità dell'additive manufacturing ma soprattutto la capacità di più realtà di fare squadra, unendosi per raggiungere insieme un grande traguardo. Congratulazioni!
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