Изготовление гоночного болида на 3D-принтерах и ЧПУ-станках. Студенты, гонки и цифровое производство в РФ

Привет, Друзья! С вами Василий Киселев, это мой 3D-влог про цифровое производство и сегодня мы в гостях в МГТУ им. Баумана, у студенческой инженерной и гоночной команды Bauman Racing Team, которая занимается, в свободное от учебы время, созданием вот таких гоночных болидов и участием в международных гонках Формула Студент.

Создатели этого чуда техники используют инструменты цифрового производства: 3D-моделирование, сканирование, симуляция процессов, многие узлы аппарата создаются на станках с ЧПУ и 3D-принтерах. Без всего этого просто невозможно конкурировать на международной арене, где проходят эти соревнования.

Ну что, готовы узнать, как именно происходит проектирование этого авто?

Вперёд!

С нами Денис Зальцман, капитан команды Bauman Racing Team:

Формула Студент это необычные соревнования, в том числе и для студенческой жизни. Соревнования международные, конструкторские — это не просто гоночный проект, он прежде всего образовательный.

Студенты обучаются, узнают “от А до Я” — что есть производство, что такое проект и как его вести, как им управлять.

Если говорить о соревнованиях, то это не только одна гонка, это и комплекс динамических испытаний, и гонка на выносливость, и статические испытания, включающие в себя презентацию проекта и рассказ о примененных технических решениях и плане производства с расчетом стоимости.

Участники проекта изучают производство и готовятся к будущему, к своему активному участию в производственных процессах — именно это привлекает спонсоров.

Разработка болидов производится средствами цифрового производства, но об этом вам расскажет наш главный инженер Павел Михайлов.

Павел Михайлов — главный инженер BRT:

Мы используем много различного софта при производстве болида. Сборка автомобиля осуществляется в программе SolidWorks, для организации работы мы используем SolidWorks PDM, то есть, у нас есть набор систем, они достаточно структурированы, в каждой системе есть какие-то подсистемы, а благодаря использованию PDM у нас не возникает проблем с тем, чтобы работать с одной сборкой с достаточно большого количества компьютеров.

Примерно вот так выглядит сборка автомобиля:

Само проектирование начинается с компоновочной модели, по которой мы можем определить развесовку, высоту центра масс, моменты инерции относительно горизонтальной и вертикальной оси.

Мы используем специализированный софт, например — для разработки подвески мы используем программу OptimumKinematics, выглядит она примерно вот так.

В ней мы можем разработать кинематику нашей подвески. Также мы можем в ней симулировать движение и получить определенные геометрические параметры в виде таблиц или графиков.

Для того, чтобы убедиться в прочности конструкции, мы используем целый ряд программ, таких как ANSYS. Также используем Siemens NX.

Много расчетов проводим в программе HyperMesh, в основном — по композитным конструкциям.

Мы используем 3D-сканирование еще на стадии проектирования, для того, чтобы поместить уже существующую деталь в проект, например — отсканированная модель двигателя в сборке нового авто.

Это необходимо для того, чтобы подсоединить к нему все элементы. Двигатель мы покупаем, но достаточно сильно дорабатываем сами. При проектировании мы используем координатно-измерительную машину, для точного определения положения всех соединительных узлов. Многие детали мы разрабатываем заново. Например, крышка генератора.

Стандартного генератора нам не хватало, пришлось разработать, напечатать и отлить по выжигаемой модели вот такую деталь.

Естественно, мы применяем и топологическую оптимизацию. Пример — поворотный кулак для нашего автомобиля, так он выглядит после топологической оптимизации.

После этого модель интерпретируется и получается цифровая модель для лазерной резки, гибки и сварки. Так как эти операции очень точные, деталь после этого достаточно просто собирается и просто обваривается. Посадочные места под ступочные подшипники обрабатываются уже на заводе, на обычном токарном станке, хотя, в принципе, это можно сделать также, на станках с ЧПУ, но в этом уже нет особой необходимости.

Лицензии большинства программ, таких как SolidWorks и Siemens NX, предоставляются университету разработчиками бесплатно. Недавно мы получили лицензию программы EPLAN, в которой наш электрик спроектировал всю проводку.

Павел, электрик команды:

С этого года мы начали проектировать всю электрику нашего болида в специальном программном пакете, называется Harness proD, его предоставляет компания EPLAN.

Это позволяет просчитать заранее все длины проводов в соответствии со схемой.

Проложив провода на трехмерной схеме, мы генерируем наш чертеж, сборочную панель, которая используется непосредственно для сборки проводки.

Будут заранее известны все длины проводов и изоляции, что поможет избежать ошибок. Это существенно упрощает проектирование и изготовление.

На проектирование проводки в болиде у нас ушло около 3-4 месяцев, что для такого количества компонентов и первого использования программы очень неплохо.

Платы мы тоже проектируем. У нас блок управления коробкой передач собственной разработки.

В этом году мы разработали такие интересные вещи, как расширители для датчиков и термопар — Can Multiplexer позволяет подключить к нашему блоку управления двигателем еще больше датчиков и получить больше информации. Это очень помогает нам при проведении многочисленных тестов и для выявления каких-то ошибок.

Есть у нас и другие кастомные платы. Это: управление двигательной заслонкой, управление системой ДРС, управление профилем антикрыла.

Антикрыло управляется автоматически, с учетом показаний датчиков скорости и ускорения.

Денис Зальцман:

Чем отличается проведение соревнований в России и за рубежом? В целом, в России стараются соблюдать все пункты общепринятого регламента.

Пока российский этап Формулы Студент не аттестован как официальный, как в других странах, потому требования по регламенту чуть мягче. Сейчас в России около 20 команд ФС по всей стране, и их количество растет, проект расширяется.

У каждого уважающего себя технического университета за рубежом есть своя команда этого класса, а у многих и не одна — есть команды в классе электромобилей, есть беспилотные, и мы тоже подумываем над разработкой беспилотного авто на основе одной из наших моделей болида.

Павел Михайлов:

Сейчас я покажу, как мы производим наши болиды.

Здесь мы собираем некоторые мелкие элементы нашего автомобиля. Вот, например, накладки руля, производимые непосредственно 3D-печатью.

Мы делаем некоторые 3D-печатные детали, чтобы примерить прототип детали до того, как произведем саму деталь из металла. Это дает экономию как времени, так и средств.

Есть нагруженные детали, напечатанные непосредственно на 3D, такие как элементы крепления радиатора. Также есть и большое количество ненагруженных печатных элементов, таких как держатели корпусов электроники и других деталей.

На предыдущих болидах у нас были впускные коллекторы напечатанные по технологии SLM, мы рассматриваем возможность 3D-печати и других элементов.

Появляется все больше устройств, способных печатать высокопрочными и термостойкими конструкционными пластиками. Они становятся дешевле и доступнее, чем раньше. Сейчас уже можно приобрести за 300-400 тысяч принтер, который может печатать конструкционными пластиками.

Павел:

Естественно, мы будем использовать такие технологии. Сейчас, если деталь ответственная и слишком сложная для изготовления на фрезере, мы прибегаем к литью из алюминия.

Для этого мы предварительно печатаем мастер-модель на принтере, заливаем гипсом, выжигаем для получения литьевой формы. Литье алюминия — неплохая технология, но при литье под собственной массой алюминий может давать дефекты, такие как раковины, какие-то усадки и т.д. 3D-печать металлом исключает эти проблемы, но пока она нам не доступна.

Здесь мы производим изделия из композитных материалов. Мы используем углеволокно и стеклопластик, смолу и матрицу — матрицы для небольших деталей мы также печатаем на 3D-принтере.

Получается аккуратная красивая поверхность.

Также мы занимаемся производством трехслойных панелей. Вот, например, образец для испытаний, для изучения свойств материала. Эта панель, при своем небольшом весе, выдержала полторы тонны нагрузки.

Такие панели мы планируем использовать в несущей конструкции своей будущей машины. Здесь несколько слоёв карбона с обеих сторон, алюминиевые соты внутри.

Получается достаточно прочная и очень легкая сэндвич-панель.

Для производства практически всех композитов мы используем технологию вакуумной инфузии. Мы помещаем сложенный слоями композит в пакет, откачиваем воздух с одной стороны и запускаем смолу с другой. Атмосферное давление сжимает заготовку в процессе полимеризации смолы и получается очень прочно.

Также мы используем препреги — предварительно пропитанное волокно. Это помогает в снижении веса конструкции. Наш болид 2017 года весил 190 килограмм, без пилота. Следующий должен весить на 3-4 килограмма легче. Болидов такой массы, созданных со схожим бюджетом, на мировой арене очень немного.

До 100 км/ч автомобиль разгоняется за 4,1-4,2 с, в зависимости от погодных условий.

Здесь у нас матрица для производства профиля антикрыла. Она сделана из модельного пластика с помощью ЧПУ-станка.

Такая матрица значительно дороже 3D-печатной — пластик дорогой, обработка тоже недешевая, но не всегда можно распечатать достаточно большую и отвечающую другим требованиям матрицу — некоторые детали приходится запекать в печи при высоких температурах, обычные пластики с этим не очень дружат, приходится использовать специализированные.

Денис:

Мы — очень открытая команда и примем практически любого, кто является студентом Бауманки и имеет соответствующие интересы и знания. Сложнее остаться в команде, влиться в нее.

На московском этапе ФС мы дважды занимали первые места, в 2015 и 2016 годах. На международной арене сложнее — мы занимали на европейских соревнованиях сороковые места, из 80-100. Есть куда расти и к чему стремиться.

Соревнования московского этапа ФС проводятся обычно в сентябре-октябре, приходите поболеть.

Проект “Крым” — молодежный родстер разрабатываемый BRT.

В ближайшие годы планируется запуск в серию.

Уже существует рабочий прототип.

Мы хотим сделать этот автомобиль доступным, стоить он будет до 800 тысяч рублей.

Павел:

В этом помещении мы работаем с металлом — пилим, режем, шлифуем.

Это специальный сварочный стол, оснащенный набором приспособлений, которые позволяют выставить на нем трубы достаточно точно в соответствии с моделью.

На нем вы видите раму нашей машины сезона 2016, мы проводим работы по измерению ее жесткости, для того, чтобы более точно верифицировать свою расчетную модель, это поможет считать такие вещи в дальнейшем с большей точностью.

Рама гибридная — в ней использованы как стальные трубы, так и углепластиковые, изготавливаемые на заводе в Хотьково. Хороший пример импортозамещения.

Они соединяются со стальными трубами, которые необходимы в первую очередь для того, чтобы сварить в узлах. Это позволяет нам значительно облегчить конструкцию, сэкономить около семи килограмм с вот такой рамы. Чуть снижает ее крутильную жесткость, но незначительно.

Также мы используем композитные панели. Например, педали закреплены на трехслойной композитной панели, а педаль — достаточно нагруженный элемент автомобиля, особенно педаль тормоза, на которую в момент торможения приходится не только мышечное усилие водителя, но и часть его веса, за счет инерции. По регламенту, педаль тормоза должна выдерживать не меньше 200 кг, и она это прекрасно делает.

У нас есть робот-рука. Она будет фрезеровать нам габаритные матрицы, например — для обвеса или монокока, который размером практически с весь автомобиль.

После сборки рамы и присоединения всех узлов она поступает на тесты. Некоторые вещи мы можем испытывать до полной сборки автомобиля, например — у нас есть стенды для испытания двигателя. Но об этом лучше расскажет главный двигателист команды Иван.

Иван:

У нас есть продувочный стенд, рядом — лаборатория топливных установок.

На продувочном стенде мы продуваем элементы впускных систем, измеряем сопротивление, совершенствуем их. На топливных стендах сотрудники испытывают новые топливные системы.

Вот продувочный стенд. Здесь мы видим головку блока цилиндров.

Отсюда контролируется, с помощью компьютеров и специальных серверов, всё оборудование.

Здесь у нас классический, можно сказать, тестовый набор.

Данный стенд способен разгонять двигатель и замерять его мощность и крутящий момент в широком диапазоне, а также измерять другие параметры. Стенд меряет порядка 800 л.с.

В этом боксе установлен мотор Формулы Студент. Это только двигатель, а не силовая установка в целом — в нее входит еще впускная система, интеркулер, турбокомпрессор, рестриктор с ограничением расхода воздуха и выхлопная система.

Двигатель заводской, но практически все детали доработаны нами. Добавлены датчики, изменены некоторые выходы, заменены свечи и катушки, сделаны доработки по головке цилиндра, по картеру, некоторые элементы заменены полностью разработанными нами — элементы впуска, крышка генератора, элементы охлаждающей системы, элементы масляной системы — многое сделано с нуля.

Вот наш интеркулер. В нем также почти все детали кастомные.

Здесь карбон, здесь алюминиевый впуск. Мы хотели и впуск сделать из карбона, но перепад давлений, от нескольких атмосфер до ниже атмосферного, одновременно с сильным нагревом, деформируют деталь.

Из карбона также многие части сделаны в системе охлаждения и других узлах.

Круто, что существуют такие проекты. Особенно хорошо и удивительно, что происходит это не где-то в Штуттгарте или в Детройте, а у нас — в России. Также радует, что в проекте на 100% задействованы инструменты цифрового производства — от проектирования, до изготовления конечных деталей.

И делают это все обычные студенты, работающие на энтузиазме. Ребята ищут спонсоров на свой проект. Если вы заинтересованы и хотите им помочь, обратите внимание на контактные данные в конце.