Formula SAE: dal progetto al prototipo con Laminate Tools L’esperienza della Squadra Corse del Politecnico di Torino

Il team nasce nel 2005 dall’idea di alcuni studenti appassionati al mondo delle competizioni. Da allora sia i prototipi sia le tecniche e le tecnologie utilizzate per crearli si sono evolute molto. Sicuramente uno dei passi più importanti è stato il passaggio dal telaio tubolare in acciaio alla prima monoscocca in composito, materiali studiati ed utilizzati anche per creare la più recente monoscocca del team, quella del campionato 2018.

La necessità di costruire una monoscocca, e non solo, che sia al contempo leggera, rigida e sicura, ha reso necessaria l’adozione dei migliori strumenti informatici disponibili in commercio come, per esempio, Laminate Tools. Questo software, specifico per lo studio dei materiali compositi, permette la gestione dell’intero ciclo di sviluppo, dalla progettazione all’ottimizzazione e, infine, alla produzione. All’interno del team l’utilizzo principale è legato a quest’ultima fase, cioè alla definizione del cosìddetto plybook o del phasebook, che permette una laminazione accurata e precisa, fornendo al laminatore tutte le informazioni grafiche e tecniche per poter lavorare al meglio.

Come citato in precedenza, il programma viene utilizzato principalmente per la produzione dei vari componenti in composito. Prima di produrre un qualsiasi elemento del prototipo bisogna, ovviamente, progettarlo.
Per quanto riguarda la monoscocca della stagione 2016-2017 (manufatto a cui si fa riferimento durante questa trattazione), le fasi di progetto che hanno preceduto l’uso di Laminate Tools sono state:
Benchmarking del telaio precedente: determinazione dei punti di forza e delle debolezze;
identificazione degli obiettivi per il nuovo telaio;
identificazione delle condizioni di carico statiche, dinamiche e di regolamento;
identificazione dei laminati (zone regolamentate e aree libere);
ottimizzazioni strutturali (per i materiali compositi: forma e dimensioni delle pelli, orientazione e sequenza di laminazione);
Laminate Tools per la produzione di tutti i documenti di laminazione.
Trattandosi di una competizione studentesca, la SAE prescrive tutta una serie di carichi statici a cui il telaio deve essere sottoposto al fine di garantire sia la sicurezza del guidatore sia degli altri partecipanti (simulazione di ribaltamento, impatto frontale e laterale).

Il laminato delle monoposto può essere concettualmente diviso in due parti: una regolamentata, per cui la SAE prescrive la necessità di fornire un’equivalenza strutturale con una struttura in tubi di acciaio, e una parte libera in cui i team non devono fornire dati relativi a test fisici.

La parte regolamentata è quella porzione di struttura tra la superficie superiore del pannello del fondo vettura, fino ad un’altezza di
350 mm dal suolo. Qui il materiale deve dimostrare l’equivalenza con due tubi di acciaio in termini di flessione e taglio. Nella parte libera, invece, non sono previsti test specifici ma va comunque garantita l’integrità strutturale. In ogni caso, se gli attacchi cintura sono integrati nella struttura della scocca, deve essere dimostrato che il laminato sia in grado di resistere ad uno sforzo di taglio pari a 13 kN.

Entrando più nello specifico nel merito di Laminate Tools, le funzionalità che sono state per noi più importanti sono quelle legate ai dati di produzione: la generazione del lay-up, del plybook o phasebook ed infine lo sviluppo in piano delle pelli per il taglio. Mediante Laminate Tools è possibile gestire le ply che costituiscono il laminato. Con il termine gestire si intende la possibilità di definirle secondo la loro forma e in base al materiale di cui sono costituite (tessuto o unidirezionale). Avendo a disposizione questi dati, il software esegue quella che si chiama analisi di drappeggio, ovvero analizza le distorsioni a cui sono soggette le fibre nel momento in cui le si va a disporre sugli stampi o sulle altre pelli. Questo dà un’idea al progettista riguardo alla possibile deformazione (solitamente locale) di trama e ordito e, quindi, dell’allontanamento dalle condizioni ideali di progetto.

A tal proposito, Laminate Tools offre anche gli strumenti per risolvere il problema, ovvero predispone la possibilità di eseguire dei tagli nelle zone di maggiore deformazione al fine di ridurre la tensione locale. Una volta definite tutte le pelli, è possibile organizzarle in un lay-up che descrive la sequenza di laminazione. Infine, tutte queste informazioni sono riassunte nel plybook che viene utilizzato durante la fase di laminazione e che mostra il luogo e il modo in cui vanno poggiate le pelli sullo stampo o sul laminato.
Quanto sopra citato descrive solo alcune delle innumerevoli potenzialità di Laminate Tools: giusto per citare qualche esempio, esso può tener conto del continuo aumentare dello spessore del laminato in modo da definire propriamente le dimensioni dello sviluppo delle pelli e permette anche di lavorare con i layer, definendo, ad esempio, zone in cui non va inserito il core in un pannello sandwich poiché si utilizzeranno degli inserti. Gli sviluppi in piano delle pelli sono files fondamentali per la gestione di un altro aspetto della produzione: la riduzione degli scarti tramite il nesting sui rotoli di carbonio.
Oltre alla laminazione, un altro fondamentale processo per quanto concerne i materiali compositi è il curing, ovvero la cottura in autoclave. Una fase di curing mal gestita, infatti, può rendere inutilizzabile qualunque laminato, anche il migliore. Per ottenere ottimi risultati il sacco per il vuoto deve essere sufficientemente grande in modo da premere uniformemente su tutte le aree d’interesse e senza fori in modo da evitare l’ingresso dell’aria. Di massima importanza sono le scelte di tempo, temperatura e pressione, così come le curve secondo cui questi parametri variano. Ogni combinazione rinforzo-matrice presenta le proprie curve di riferimento che definiscono i valori da utilizzare in termini di rampe di riscaldamento, periodi di mantenimento e rampe di raffreddamento.
Per riassumere, la progettazione e la costruzione di una monoscocca in fibra di carbonio sono processi costituiti da molte fasi, ognuna delle quali risulta fondamentale per la riuscita del manufatto.
Laminate Tools si è dimostrato un valido aiuto per gestire al meglio molte di esse. Per quanto riguarda la produzione, con LT si può:
definire le pelli (materiale, orientamento e posizione);
definire il lay-up (sequenza di laminazione);
creare i documenti per la laminazione (phasebook, plybook);
estrarre gli sviluppi in piano delle pelli.
Su queste ultime geometrie 2D si può, a posteriori, eseguire un post-processing andando a correggere dove necessario la forma, e successivamente eseguire il nesting delle pelli sui rotoli di carbonio per minimizzare gli sprechi. Da qui le pelli possono essere tagliate, laminate e processate in autoclave.
Laminate Tools, essendo così versatile ed affidabile, è stato utilizzato anche per la produzione della monoscocca della stagione in corso.

SmartCAE e Anaglyph sponsorizzano già da diversi anni i team italiani che partecipano alla Formula SAE mettendo a loro disposizione licenze e supporto tecnico sul software Laminate Tools. Nel 2018 saranno ben nove i team che utilizzeranno Laminate Tools per lo sviluppo dei componenti in composito (scocca, appendici aerodinamiche, volante e molte altre parti): Squadra Corse del Politecnico di Torino, Dynamis PRC del Politecnico di Milano, Firenze Race dell’Università di Firenze, E-Team Squadra Corse dell’Università di Pisa, Polimarche Racing Team dell’Università Politecnica delle Marche, UniBO Motorsport dell’Università di Bologna, Race UP dell’Università di Padova, Salento Racing Team dell’Università del Salento.

L’articolo è frutto dell’esperienza maturata dagli autori durante la stagione 2016-2017
Crediti: Squadra Corse PoliTO

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