การสร้างรถแข่งนั้นมุ่งเน้นไปที่การลดน้ำหนักให้ได้มากที่สุด การเร่งความเร็ว และความยืดหยุ่นอยู่เสมอ ในทุกฤดูกาลของการแข่งขันมอเตอร์สปอร์ต Formula Student ทีม GreenTeam ของมหาวิทยาลัยสตุ๊ตการ์ทพยายามปรับแต่งด้านเหล่านี้ในรถต้นแบบของพวกเขาอย่างแม่นยำจนถึงระดับที่สมบูรณ์แบบ เพื่อเอาชนะทีม นักศึกษาคู่แข่งจากทั่วโลก
ทีมงานใช้เทคโนโลยีการพิมพ์สามมิติแบบ SLS สำหรับชิ้นส่วนและอุปกรณ์ยึดต่าง ๆ ในระหว่างการออกแบบทางวิศวกรรมของรถของพวกเขา
ในการสัมภาษณ์กับ Oliver Spengel นักศึกษาด้านเทคโนโลยียานยนต์และเครื่องยนต์ และผู้นำทีม GreenTeam พวกเราได้พูดคุยเกี่ยวกับวิธีที่ Formlabs สนับสนุนโครงการของ GreenTeam และข้อได้เปรียบที่การพิมพ์สามมิตินำมาให้กับนักศึกษาในระหว่างการพัฒนายานพาหนะและการแข่งขัน
สู่จุดสูงสุดของการจัดอันดับระดับโลกด้วยพลังงานไฟฟ้า
Formula Student เป็นการแข่งขันมอเตอร์สปอร์ตและการออกแบบสำหรับนักศึกษาระดับนานาชาติ ซึ่งทีมจากทั่วโลกจะแข่งขันกันในหลายประเภท ด้วยรถแข่งฟอร์มูล่าที่ออกแบบและผลิตขึ้นด้วยตนเอง
ในการแข่งขัน Formula Student Germany (FSG) ในช่วงฤดูร้อนปี 2021 ทีม GreenTeam จากมหาวิทยาลัยสตุ๊ตการ์ททำสถิติคะแนนใหม่ในประเภทพลังงานไฟฟ้า โดยทำคะแนนรวมได้ 936 จาก 1,000 คะแนน ด้วยเหตุนี้และความสำเร็จอื่น ๆ ในการแข่งขัน Formula Student ทั่วทั้งยุโรป ทำให้ทีมที่มีชื่อเสียงทีมนี้ปัจจุบันอยู่ในอันดับที่ 1 ของโลกในการจัดอันดับประเภทพลังงานไฟฟ้าของ Formula Student
“โดยหลักการแล้ว กระบวนการนี้สอดคล้องกับมอเตอร์สปอร์ตจริง เพียงแต่ถูกลดขนาดลงในระดับที่นักศึกษาสามารถจัดการได้ คุณมีเวลา 1 ปีในการพัฒนารถต้นแบบ และนำมันไปใช้แข่งขันกับทีม Formula Student จากทั่วโลก” Spengel อธิบาย
การประเมินผลดำเนินการโดยคณะกรรมการมืออาชีพ ทั้งในด้านการประเมินแบบสถิตและแบบไดนามิก ซึ่งพิจารณาทุกแง่มุมของผลงานของนักศึกษา เพื่อให้ได้คะแนนสูงสุด 1,000 คะแนน ทุกอย่างในปัจจัยการประเมินแต่ละด้าน เช่น การเร่งความเร็วของรถ วิศวกรรม และการเงิน จะต้องสมบูรณ์แบบทั้งหมด
การสร้างชิ้นส่วนที่มีน้ำหนักเบาและมีความซับซ้อนด้วยการพิมพ์สามมิติ
เป็นเวลาหลายปีแล้วที่ทีม GreenTeam ใช้ชิ้นส่วนที่พิมพ์ด้วยเทคโนโลยี 3D ในการผลิตรถของพวกเขา โดยการทำเช่นนี้ พวกเขาสามารถเอาชนะความท้าทายพื้นฐานหลายประการได้ในเวลาเดียวกัน เช่น แรงกดดันด้านเวลา ทรัพยากรทางการเงินที่จำกัด และการลดน้ำหนักของรถแข่ง
ทีมงานใช้การพิมพ์สามมิติด้วยเทคโนโลยี Selective Laser Sintering (SLS) สำหรับชิ้นส่วนในระบบหล่อเย็นและชุดขับเคลื่อน รวมถึงอุปกรณ์ยึดต่าง ๆ บนตัวรถ
“ชิ้นส่วนเหล่านี้ส่วนใหญ่ถูกใช้ในระบบหล่อเย็น เนื่องจากระบบนี้ประกอบไปด้วยชิ้นส่วนขนาดเล็กที่มีความซับซ้อนสูง ซึ่งไม่สามารถผลิตได้ด้วยกระบวนการผลิตอื่น หรือทำได้แต่ต้องใช้ต้นทุนสูงและมีน้ำหนักมาก” Spengel อธิบาย
“โดยทั่วไปแล้ว นั่นก็ถือเป็นข้อได้เปรียบหลักของการพิมพ์สามมิติด้วยเช่นกัน มันมอบความยืดหยุ่นด้านการออกแบบให้คุณอย่างมาก คุณสามารถลดน้ำหนักของชิ้นส่วนได้อย่างมีนัยสำคัญ และช่วยประหยัดทั้งเวลาและต้นทุนในการผลิตได้อย่างมาก”
Oliver Spengel
ความซับซ้อนของชิ้นส่วนจะเห็นได้ชัดเจนเป็นพิเศษในองค์ประกอบของระบบระบายความร้อนด้วยอากาศ
เพื่อให้มั่นใจได้ว่าการไหลของอากาศมีประสิทธิภาพสูงสุด ระบบระบายความร้อนด้วยอากาศจึงต้องพึ่งพาชิ้นส่วนที่ออกแบบมาอย่างพิถีพิถันสำหรับควบคุมทิศทางลม เพื่อส่งอากาศไปยังพัดลมภายใน หรือระบายออกจากชิ้นส่วนต่าง ๆ ให้รวดเร็วที่สุด
ท่ออากาศที่ทำจาก Nylon 12 ถูกติดตั้งเข้ากับชุดแบตเตอรี่แรงดันสูง (HV battery pack) เพื่อระบายความร้อนให้กับยูนิต (ส่วนด้านหลังของชิ้นส่วนที่แสดง)
การระบายความร้อนด้วยอากาศอย่างมีประสิทธิภาพของแบตเตอรี่แรงดันสูง ซึ่งเป็นแหล่งพลังงานให้กับรถไฟฟ้าของทีม GreenTeam มีความสำคัญอย่างยิ่ง เพื่อป้องกันการสูญเสียกำลังของระบบขับเคลื่อนที่อาจเกิดขึ้น
“สิ่งสำคัญคือเราต้องลดการสูญเสียกำลังให้น้อยที่สุดอยู่เสมอ เพราะการสูญเสียจะนำไปสู่ความต้องการพลังงานที่สูงขึ้นอย่างหลีกเลี่ยงไม่ได้ ในทางกลับกัน นั่นหมายความว่าเราจำเป็นต้องใช้แบตเตอรี่ที่มีขนาดใหญ่ขึ้น ซึ่งส่งผลให้รถมีน้ำหนักมากขึ้นและช้าลง” Spengel กล่าว
นอกจากการสร้างชิ้นส่วนขนาดเล็กที่มีประสิทธิภาพแล้ว วัสดุไนลอนที่ใช้ในเทคโนโลยีการพิมพ์สามมิติแบบ SLS ยังช่วยให้ชิ้นส่วนไม่ส่งผลกระทบอย่างมีนัยสำคัญต่อน้ำหนักโดยรวมของตัวรถอีกด้วย
“เมื่อทำการผลิตชิ้นส่วนที่มีความซับซ้อนเช่นนี้ การพิมพ์สามมิติเป็นวิธีการผลิตเพียงวิธีเดียวที่ทำให้สามารถสร้างรถได้ภายในระยะเวลาอันสั้นนี้ ขณะเดียวกันก็ยังคงตอบโจทย์มาตรฐานคุณภาพที่พวกเราคาดหวังไว้”
Oliver Spengel
ข้อได้เปรียบเหนือวิธีการผลิตแบบดั้งเดิม
ด้วยประสบการณ์ด้านมอเตอร์สปอร์ตที่สั่งสมมาอย่างยาวนานของทีม GreenTeam ทำให้ผู้นำทีม Oliver Spengel สามารถนำมาเปรียบเทียบระหว่างการผลิตชิ้นส่วนด้วยการพิมพ์สามมิติแบบ SLS และวิธีการผลิตแบบดั้งเดิมได้
ตามที่กล่าวไปก่อนหน้านี้ ข้อได้เปรียบของการพิมพ์สามมิติแบบ SLS อยู่ที่การลดน้ำหนัก ระยะเวลา และต้นทุนเป็นหลัก ตัวอย่างของทั้งสามปัจจัยนี้สามารถเห็นได้จากการเปรียบเทียบโดยตรงระหว่างวิธีการผลิตแบบดั้งเดิมกับเทคโนโลยีการพิมพ์สามมิติ สำหรับชิ้นส่วนขนาดเล็ก เช่น ฐานยึดปั๊มระบบหล่อเย็นที่ติดตั้งอยู่บริเวณปีกด้านข้าง
“ฐานยึดปั๊มหล่อเย็นของเรา หากเป็นวิธีปกติจะต้องทำจากแผ่นโลหะ ซึ่งตัวมันเองก็มีน้ำหนักมากอยู่แล้ว คุณจะต้องทำการตัดด้วยเลเซอร์ แล้วจึงนำไปดัดขึ้นรูป ซึ่งหมายความว่าคุณต้องใช้ผู้ผลิตถึงสองรายเพื่อดำเนินการนี้ หลังจากนั้นยังต้องนำไปผ่านกระบวนการหลังการผลิตเพิ่มเติม และอาจต้องเคลือบผิวอีกด้วย” Spengel อธิบาย
ชิ้นส่วนฐานยึดขนาดเล็กสำหรับปั๊มระบบหล่อเย็นบริเวณปีกด้านข้างของตัวรถ ถูกพิมพ์ด้วยเครื่อง Fuse 1
“แน่นอนว่า การพิมพ์สามมิติแบบ SLS นั้นง่ายกว่ามาก ในขณะเดียวกันก็ยังให้ความยืดหยุ่นทางวิศวกรรมกับพวกเรา เพียงแค่ส่งไฟล์ไปยังเครื่องพิมพ์ ชิ้นส่วนก็จะถูกพิมพ์ออกมา จากนั้นนำออกมา ก็สามารถนำไปใช้งานในตัวรถได้ทันที”
Oliver Spengel
ข้อดีของวัสดุไนลอน
ความคงตัวของขนาด (dimensional stability) และความทนทานต่อสารเคมีของชิ้นส่วนไนลอน ซึ่งยังคงต้องรักษาคุณสมบัติเหล่านี้ได้แม้รถแข่งจะทำงานภายใต้ความแตกต่างของอุณหภูมิที่รุนแรง ถือเป็นปัจจัยที่สำคัญอย่างยิ่ง
“ในระหว่างการแข่งขัน น้ำในระบบระบายความร้อนของเราจะมีอุณหภูมิอยู่ที่ประมาณ 60 ถึง 80 องศาเซลเซียส โลหะมักมีแนวโน้มที่จะเกิดการกัดกร่อนภายใต้ความผันผวนของอุณหภูมิเช่นนี้ ในทางกลับกัน คราบจากการกัดกร่อนสามารถสร้างความเสียหายให้กับชิ้นส่วนที่มีความละเอียดอ่อน เช่น ปั๊มน้ำได้ ปัญหาเฉพาะนี้สามารถหลีกเลี่ยงได้ในหลายจุดด้วยการใช้ชิ้นส่วนพลาสติกที่พิมพ์ด้วยเทคโนโลยี SLS”
Oliver Spengel กล่าว
ข้อต่อท่อสำหรับระบบระบายความร้อนด้วยน้ำที่พิมพ์ด้วยเทคโนโลยี SLS และผ่านการอิมเพรกเนต (impregnated)
เมื่อใช้งานในระบบระบายความร้อนด้วยน้ำ ชิ้นส่วนไนลอนจะถูกนำไปผ่านกระบวนการอิมเพรกเนตในขั้นตอนหลังการผลิต เพื่อลดความเสี่ยงที่น้ำจะซึมผ่านชิ้นส่วนพลาสติกหรือก่อให้เกิดการรั่วไหล
นอกจากการพิมพ์สามมิติแบบ SLS แล้ว ทีม นักศึกษาจากสตุ๊ตการ์ทยังใช้การพิมพ์แบบ FDM สำหรับชิ้นส่วนต้นแบบที่เรียบง่ายกว่า อย่างไรก็ตาม สำหรับชิ้นส่วนที่นำไปติดตั้งใช้งานจริงบนตัวรถ พวกเขาส่วนใหญ่เลือกใช้การพิมพ์แบบ SLS เนื่องจากคุณสมบัติของวัสดุ Formlabs Nylon 12 Powder
“วัสดุที่พิมพ์ด้วยเทคโนโลยี FDM ไม่เหมาะกับพวกเรา เนื่องจากแต่ละชั้นของชิ้นงานอาจแยกออกจากกันได้ ซึ่งทำให้ชิ้นส่วนเกิดการรั่ว ซึ่งเป็นปัญหาอย่างมาก” Spengel อธิบาย
การพิมพ์สามมิติแบบ SLS มีข้อได้เปรียบที่สำคัญเหนือการพิมพ์แบบ FDM คือสามารถสร้างชิ้นส่วนที่มีคุณสมบัติแบบไอโซทรอปิก (isotropic) ได้ ซึ่งเหมาะสมกว่าในการทนต่อแรงและสภาพแวดล้อมต่าง ๆ ที่เกิดขึ้นกับรถในระหว่างการแข่งขัน อีกทั้งยังมีความทนทานต่อการกัดกร่อนได้ดี
ด้วยคุณสมบัติเชิงบวกของชิ้นส่วนไนลอนดังที่กล่าวมา การใช้งานลักษณะนี้จึงเริ่มถูกนำมาใช้มากขึ้นในฐานะชิ้นส่วนจริง (end-use parts) ในอุตสาหกรรมยานยนต์และอากาศยาน โดยรถแข่งฟอร์มูล่าของทีม GreenTeam Stuttgart ก็เป็นหนึ่งในตัวอย่างของแนวโน้มนี้
ก้าวต่อไป: การป้องกันตำแหน่งแชมป์
หลังจากผ่านการคัดเลือกเข้าแข่งขันแล้วถึงห้ารายการในปีนี้ ก็ไม่มีสิ่งใดมาขวางทางมหาวิทยาลัยสตุ๊ตการ์ทในฤดูกาลใหม่ได้อีกต่อไป ภายใต้ตารางเวลาที่แน่น ทีมงานกำลังเก็บรายละเอียดขั้นสุดท้ายของงานวิศวกรรมในการประกอบรถแข่ง หลังจากนั้นรถจะถูกนำมาเริ่มใช้งานเป็นครั้งแรกทันที เพื่อทำการทดสอบการขับขี่
รถแข่งรุ่นที่ชนะการแข่งขันในฤดูกาลที่ผ่านมา E11 Evo อยู่บนล้อของมันเองเป็นครั้งแรก
นอกเหนือจากการใช้งานเป็นชิ้นส่วนจริง (end-use parts) ในอุตสาหกรรมยานยนต์และอากาศยานแล้ว การพิมพ์สามมิติแบบ SLS ยังถูกนำไปใช้ในการสร้างต้นแบบสำหรับเครื่องมือการผลิต หรือในการออกแบบผลิตภัณฑ์อีกด้วย
 |
รายละเอียดเครื่อง Formlab form4 SLA คลิก เช็คราคา คลิก |
 |
รายละเอียดเครื่อง Formlab Fuse 1+ 30W SLS คลิก เช็คราคา คลิก |
แหล่งที่มา
https://formlabs.com/blog/greenteam-stuttgart-3d-printed-sls-components-formula-student/
