Formula SAE: del proyecto al prototipo con Laminate Tools

La Squadra Corse del Politecnico di Torino es un equipo de Formula SAE (Society of Automotive Engineers) que compite con sus propios prototipos en este campeonato, enfrentándose a universidades de todo el mundo en una serie de pruebas estáticas (cost, business presentation, design) y dinámicas (acceleration, autocross, skidpad y endurance). Las primeras tienen como objetivo evaluar la calidad del proyecto, tanto desde el punto de vista técnico como económico, mientras que las segundas son auténticas competiciones en las que gana el equipo más rápido.

El equipo nació en 2005 por iniciativa de un grupo de estudiantes apasionados por el mundo de la competición. Desde entonces, tanto los prototipos como las técnicas y tecnologías empleadas para desarrollarlos han evolucionado considerablemente. Sin duda, uno de los hitos más importantes fue la transición del chasis tubular de acero a la primera monocasco de material compuesto. Estos materiales también se estudiaron y utilizaron para fabricar la monocasco más reciente del equipo, la correspondiente al campeonato de 2018.

La necesidad de construir un monocasco y otros componentes que sean, al mismo tiempo, ligeros, rígidos y seguros ha hecho necesario adoptar las mejores herramientas informáticas disponibles en el mercado, como, por ejemplo, Laminate Tools. Este software, específico para el estudio de los materiales compuestos, permite gestionar todo el ciclo de desarrollo, desde el diseño hasta la optimización y, finalmente, la fabricación. Dentro del equipo, su principal aplicación está relacionada con esta última fase, es decir, con la definición del denominado plybook o phasebook, que permiten llevar a cabo una laminación precisa y rigurosa, proporcionando al laminador toda la información gráfica y técnica necesaria para realizar su trabajo de la mejor manera posible.

Como se ha mencionado anteriormente, el programa se utiliza principalmente para la fabricación de los distintos componentes de material compuesto. Antes de fabricar cualquier elemento del prototipo, es necesario, por supuesto, diseñarlo.

Las fases de diseño previas al uso de Laminate Tools fueron las siguientes:

• Análisis comparativo (benchmarking) del chasis anterior: identificación de sus puntos fuertes y débiles.
• Definición de los objetivos del nuevo chasis.
• Identificación de las condiciones de carga estáticas y dinámicas, así como de los requisitos del reglamento.
• Identificación de los laminados (zonas sujetas a requisitos reglamentarios y áreas de diseño libre).
• Optimización estructural (para los materiales compuestos: forma y dimensiones de las capas, orientación y secuencia de laminación).
• Uso de Laminate Tools para generar toda la documentación de laminación.

Al tratarse de una competición universitaria, la SAE establece una serie de cargas estáticas a las que debe someterse el chasis para garantizar la seguridad del piloto y de los demás participantes (simulación de vuelco e impactos frontales y laterales).

El laminado de los monoplazas puede dividirse conceptualmente en dos partes: una reglamentada, para la que la SAE exige demostrar la equivalencia estructural con una estructura de tubos de acero, y otra de diseño libre, en la que los equipos no están obligados a aportar datos relativos a ensayos físicos.

La parte reglamentada es la porción de la estructura comprendida entre la superficie superior del panel del fondo del vehículo y una altura de 350 mm respecto al suelo. En esta zona, el material debe demostrar su equivalencia con dos tubos de acero en términos de flexión y cortante. En la parte de diseño libre, en cambio, no se prevén ensayos específicos, pero debe garantizarse igualmente la integridad estructural. Si los anclajes de los cinturones de seguridad están integrados en la estructura del monocasco, debe demostrarse que el laminado es capaz de soportar un esfuerzo cortante de 13 kN.

Las funcionalidades de Laminate Tools más importantes para nosotros son las relacionadas con los datos de fabricación: la generación del lay-up, del plybook o phasebook y el desarrollo en plano de las capas para su corte. Mediante Laminate Tools es posible gestionar las plies que constituyen el laminado. Por gestionar se entiende la posibilidad de definirlas según su forma y el material del que están compuestas (tejido o material unidireccional). A partir de estos datos, el software realiza el análisis de drapeado, es decir, analiza las distorsiones que experimentan las fibras al colocarlas sobre los moldes o sobre otras capas. Esto permite hacerse una idea de la posible deformación (generalmente local) de la trama y la urdimbre y, por tanto, de la desviación respecto a las condiciones ideales de diseño.

Laminate Tools también ofrece herramientas para resolver este problema, ya que permite realizar cortes en las zonas de mayor deformación con el fin de reducir las tensiones locales. Una vez definidas todas las capas, es posible organizarlas en un lay-up que describe la secuencia de laminación. Toda esta información se recoge en el plybook, que se utiliza durante la fase de laminación y muestra cómo deben colocarse las capas sobre el molde o sobre el laminado.

Lo descrito anteriormente representa solo algunas de las numerosas funcionalidades de Laminate Tools. Por ejemplo, el software tiene en cuenta el aumento progresivo del espesor del laminado, lo que permite definir correctamente las dimensiones del desarrollo en plano de las capas. También permite trabajar con layers, definiendo zonas en las que no debe introducirse el core de un panel sándwich, ya que en ellas se utilizarán insertos. Los desarrollos en plano de las capas son archivos fundamentales para gestionar otro aspecto de la fabricación: la reducción de los desperdicios mediante el nesting sobre los rollos de fibra de carbono.

Además de la laminación, otro proceso fundamental en lo que respecta a los materiales compuestos es el curado (curing), es decir, el proceso de curado en autoclave. De hecho, una gestión inadecuada de esta fase puede inutilizar cualquier laminado, incluso el de mejor calidad. Para obtener resultados óptimos, la bolsa de vacío debe tener un tamaño suficiente para ejercer una presión uniforme sobre todas las zonas de interés y no presentar perforaciones, a fin de evitar la entrada de aire. Las elecciones de tiempo, temperatura y presión son de vital importancia, al igual que las curvas que describen la variación de estos parámetros. Cada combinación de refuerzo y matriz presenta sus propias curvas de referencia, que definen los valores que deben utilizarse en términos de rampas de calentamiento, periodos de mantenimiento y rampas de enfriamiento.

El diseño y la fabricación de un monocasco de fibra de carbono son procesos que constan de numerosas etapas, cada una de las cuales resulta fundamental para garantizar el éxito del componente final.

Laminate Tools ha demostrado ser una herramienta muy útil para gestionar de forma óptima muchas de estas etapas. En lo que respecta a la fabricación, con LT es posible:

• Definir las capas (material, orientación y posición).
• Definir el lay-up (secuencia de laminación).
• Generar la documentación para la laminación (phasebook, plybook).
• Obtener los desarrollos en plano de las capas.

Sobre estas últimas geometrías 2D se puede realizar posteriormente un post-processing para corregir la forma donde sea necesario y, a continuación, ejecutar el nesting de las capas sobre los rollos de fibra de carbono para minimizar los desperdicios. A partir de ahí, las capas pueden cortarse, laminarse y procesarse en autoclave.

Gracias a su versatilidad y fiabilidad, Laminate Tools también se ha utilizado para fabricar el monocasco de la temporada actual.

SmartCAE y Anaglyph llevan varios años patrocinando a equipos italianos de Formula SAE, proporcionándoles licencias y soporte técnico para el software Laminate Tools.

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