Design und fertigung eines lenkrads für die formula SAE

Anwendungen: Produktentwicklung und Design, Wissenschaft und Bildung
Branchen: Automobil-/Transportindustrie, Bildungswesen

Herausforderungen: Vom Design bis zur Fertigung, wie kann der Erfolg eines neu entwickelten Lenkradmodells sichergestellt werden?

Das Lenkrad wird oft als eine der kritischsten Komponenten von Rennfahrzeugen angesehen, da hierüber die elektronische Schaltung und Stabilisierung gesteuert, die Fahrzeugtraktion und die Modi zur Startkontrolle ausgewählt sowie dem Fahrer wichtige Informationen angezeigt werden. Einfach gesagt, ohne ein funktionierendes Lenkrad kann das Fahrzeug keine Leistung erbringen. Studenten, denen die Entwicklung eines neuen, optimalen Lenkrads aufgetragen wird, müssen in der Lage sein, eine Reihe verschiedener technischer Disziplinen zu kombinieren, einschließlich eingebetteter Elektronik, Fertigung mittels Carbonfaser und SLA-3D-Druck.

Wie können Studenten unter Berücksichtigung der Tatsache, dass das Design eines Lenkrads die gemeinsame Integration mehrerer Systeme erfordert, den Designzyklus optimieren und ein zuverlässiges Lenkrad innerhalb des Projektzeitrahmens fertigstellen?

Das Design eines Lenkrads wird oft als eines der komplexesten Projekte für FSAE-Teams betrachtet, da hierzu die Abstimmung verschiedener Sub-Teams erforderlich ist, was den Designzyklus aufgrund übermäßigen externen Einflusses verzögert. In der Praxis ist ein Chassis-Team für die Struktur des Lenkrads verantwortlich, ein Team für Verbundwerkstoffe leitet die Herstellung, der Fahrer kümmert sich um die Ergonomie und ein elektrotechnisches Team beschäftigt sich mit der internen Elektronik. Die gemeinsame Integration all dieser Systeme kann daher zu Konflikten zwischen den Sub-Teams und sogar zum Versagen des Lenkrads führen, sofern sich nicht eines der Sub-Teams der Leitung des gesamten Projekts verschreibt, die komplette Verantwortung für die Fertigstellung des Lenkrads übernimmt und gleichzeitig leitende Teammitglieder um Input bittet.

Wie kann angesichts der Tatsache, dass das Lenkrad über viele Jahre hinweg verwendet wird, ein Design entwickelt werden, das zukünftige Teammitglieder verstehen und verbessern können?

Die für das Design und die Fertigung des Lenkrads erforderlichen Werkzeuge müssen einfach zu verstehen und anzuwenden sein, ohne dass hierfür umfassendes Training notwendig ist. Plug-and-Play-Werkzeuge und benutzerfreundliche Benutzeroberflächen erleichtern das Verständnis zukünftiger Studenten und helfen diesen bei der Entwicklung von Verbesserungen, die am Design vorgenommen werden können.

Wie kann das Lenkrad angesichts der Tatsache, dass das FSAE-Fahrzeug in den kommenden Jahren von verschiedenen Studenten gefahren wird, individuell für jeden Fahrer anpassbar gemacht werden?

Zur tatsächlichen Verbesserung der Ergonomie haben die Fahrer die Möglichkeit, einen eigenen Abdruck ihres Griffs aus Knetgummi zu erstellen. Diese individuellen Griffe können anschließend gescannt, verarbeitet und mittels eines gleichzeitig flexiblen und robusten thermoplastischen Polyurethans (TPU) gedruckt werden. Hierfür verwendet das Design- und Fertigungsteam schnelle, benutzerfreundliche und hochauflösende 3D-Scanner.

Live-Netz wird während des 3D-Scans an den Computer übertragen

Fahrzeuglenkung – Vor und nach dem 3D-Scan

Lösungen: Schnelle, benutzerfreundliche, hochauflösende und tragbare 3D-Scanning-Technologien

Geschwindigkeit ist die Fähigkeit, ein Echtzeit-Netz zu erstellen, das bereits bereinigt und verarbeitet ist und nahtlos in die bevorzugte CAD- oder 3D-Druck-Software der Studenten integriert werden kann.

Tragbarkeit wird durch die dynamische Referenzierung ermöglicht, bei der sowohl das Teil als auch das Instrument während des Messens frei bewegt werden können. So kann das 3D-Scanning im Design- und Innovationslabor, im Unterrichtsraum oder in der Werkstatt stattfinden, ohne dass hierdurch die Leistung beeinflusst wird.

Einfachheit spiegelt sich in den Plug-and-Play-Geräten und benutzerfreundlichen Benutzeroberflächen wider, welche dem FSAE-Team das einfache Erlernen und Ausführen von 3D-Scans ermöglichen.

Hochauflösende Scanner verfügen über präzise Kameras für Geometrie und Farbkameras für die Textur. Sie bieten dem Design- und Fertigungsteam die nötige Scanqualität, welche für die Visualisierung und Charakterisierung kleinster Details an den individuellen Griffen erforderlich ist.

Messtechniktaugliche 3D-Scanner, wie der HandySCAN 3D oder der Go!SCAN 3D, sowie das didaktische Softwarepaket Creaform ACADEMIA sind gute Beispiele für diese schnellen, benutzerfreundlichen, hochauflösenden und tragbaren Scan-Lösungen.

Vorteile: Mit Geschwindigkeit, Einfachheit, hohem Auflösungsvermögen und Tragbarkeit konnte das FSAE-Team rechtzeitig zum Rennen ein neues Lenkrad entwickeln

Das Lenkrad wurde nicht nur rechtzeitig für den Wettkampf fertiggestellt, es wurden zudem auch Zeiteinsparungen in den Design- und Fertigungsphasen erzielt. 3D-Scanning-Technologien und additive Fertigung trugen zu den folgenden Vorteilen bei, welche für das Erreichen der durch das FSAE-Team gesetzten Ziele notwendig waren.

Robust genug für jahrelangen Einsatz: Vorabsimulationen und Torsionsprüfungen ließen die Studenten darauf schließen, dass sowohl die Carbonfaser als auch die per 3D-Druck erstellten Teile den erforderlichen Maximalbelastungen während des Rennens standhalten und mehrere Jahre lang verwendet werden können.
Einfache Montage: Dank des 3D-Scannings konnten die Studenten Informationen zu den Abmessungen aus dem aktuellen Lenkrad (und der Fahrzeugumgebung) extrahieren und diese direkt als Netz darstellen. Auf diese Weise konnten Sie die neuen Teile einfach in die Baugruppe integrieren.
Individuell anpassbar für jeden Fahrer: Die Fahrer waren in der Lage, ihre Hände mittels Knetgummi zu modellieren, welcher anschließend gescannt, 3D-gedruckt und einfach montiert wurde, wodurch das Lenkrad für die Handflächen des Fahrers, der das jeweiligen Rennen fuhr, angepasst werden konnte
Einfaches Verständnis und Verbesserung der zukünftigen Teammitglieder: Da die gewählten 3D-Scanner einfach und benutzerfreundlich sind, konnten alle Studenten Objekte ohne besondere Vorbereitung scannen, unabhängig von ihrem Kenntnisstand oder ihren Fähigkeiten.

Wisconsin Racing und der Makerspace

Wisconsin Racing ist eine akademische Engineering-Organisation, welche auf internationaler Ebene gegen 140 FSAE-Teams antritt. Über die vergangenen 30 Jahre hat Wisconsin Racing die oberen Ränge dieses Wettbewerbs dominiert und eine Generation von herausragenden Ingenieuren hervorgebracht.

John Ryan, Leiter des elektrotechnischen Sub-Teams und Lenkrad-Designer, beschreibt den Beitrag der 3D-Scanning-Lösungen von Creaform wie folgt: „Der Zugang zu einem herausragenden Scanning-Werkzeug wie dem HandySCAN 3D ermöglichte die Erstellung präziser, individueller Scans der ergonomischen Präferenzen des Fahrers. Meiner Erfahrung nach ist die Fahrerzufriedenheit ein kritisches Element im Fahrzeugdesign. Zufriedene Fahrer erreichen schnellere Rundenzeiten.“

Der Makerspace, ein Design- und Innovationslabor an der Technischen Hochschule der Universität von Wisconsin – Madison, bietet Studenten des Ingenieurwesens verschiedene Arten von Projekten an, wie unter anderem das Team von Wisconsin Racing.

Da die 3D-Scanner hauptsächlich durch Studenten bedient würden, erklärt der Direktor von Makerspace, Lennon Rodgers, sei das wichtigste Kriterium für die Anschaffung gewesen, dass die gewählte Technologie „sehr einfach durch die Studenten eingesetzt werden kann und äußerst mobil ist.“

Der Makerspace verfügt nun über einen HandySCAN 3D, der sich laut Rodgers durch seine „Tragbarkeit, Auflösung, Geschwindigkeit, benutzerfreundliche Software und Hardware auf Branchenstandard“ vom Wettbewerb abhebt. Das Team kam tatsächlich zu dem Schluss, dass NUR die Creaform-Produkte die benötigte Tragbarkeit und Auflösung bieten konnten.

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