TECHNISCHE FICHE 3: De constructie van de mallen
De buitenkant van de wagen zou uit koolstofvezel composietmateriaal gemaakt worden omwille van de extreme combinatie van licht gewicht en hoge sterkte die hiermee bereikt wordt. Dit materiaal wordt onder andere ook toegepast voor de bouw van de buitenkant van Formule 1 en andere racewagens, speedboten, luchtvaart,... Bij het maken van onderdelen in dit materiaal, worden matten van deze vezels in een voorvorm, een mal, gelegd en worden ze gedrenkt in epoxyhars. Door dit geheel in een oven te steken en te laten harden bekomt men een schaal die een exacte kopie is van die voorvorm. De voorvorm is dus zowat de wieg waaruit de wagen gemaakt wordt. Van pc scherm tot realiteit Nadat onze wagen ontworpen werd door middel van tekenprogramma s, stonden we voor de volgende uitdaging: deze tekening omzetten in realiteit. Hierbij moet de ontworpen vorm zo goed mogelijk gekopieerd worden, niet alleen om de aërodynamische vormgeving te respecteren, maar ook omdat we natuurlijk willen dat alle onderdelen er later naar behoren in passen. Man of Vrouw? De eerste stap in de bouw van onze zonnewagen bestond dus uit het aanmaken van deze mallen. Er zijn vele mogelijkheden om deze mallen te vervaardigen, afhankelijk van de toepassing. De traditionele manier (voor toepassingen zoals een zonnewagen) bestaat uit: a) Het aanmaken van een mannetje, dat is een positieve vorm die er eigenlijk net dezelfde vorm heeft als het eindresultaat. Deze vorm, model genoemd, moet niet hittebestendig zijn, en kan dus uit goedkoop materiaal zoals MDF gemaakt worden. b) Bovenop dit mannetje wordt dan een vrouwtje gemaakt die dus de vorm binnenstebuiten overneemt, dit wordt de mal genoemd. Deze vorm wordt bekomen door het te bedekken met polyester, dat op kamertemperatuur hard wordt.
c) In dit vrouwtje, oftewel de mal, worden de weefsels gelegd, ingesmeerd met hars en vervolgens gebakken. Deze mal is hittebestendig en gaat mee de oven in. Ureol is de courante benaming voor polyurethaan dat een verzameling is voor een groep polymeren. Het wordt verkregen door de koppeling van isocyanaatgroepen bevattende moleculen aan meerwaardige alcoholen, zuren of amines. Dit materiaal is bijzonder interessant voor de bouw van mallen, omdat het hoge temperaturen aankan (bij het bakken van de composiet) en omdat het gemakkelijk te bewerken is. Door deze eigenschappen te combineren is het mogelijk om rechtstreeks de mal te maken. De methode die wij toepasten ging dus als volgt a) Aanmaken van een negatieve vorm, mal uit ureol. b) In deze mal, worden dan later de weefsels gelegd, ingesmeerd met hars en vervolgens gebakken. Deze mal is hittebestendig en gaat dus mee de oven in. Door een stap over te slaan wordt natuurlijk heel wat tijd bespaard. Het nadeel aan dit materiaal is de hoge kostprijs. Wij kregen de nodige blokken van dit materiaal echter gesponsord via AXSON, een Franse producent van materialen voor de composietwereld.
Ontwerp van de mallen De wagen werd eerst op een logische manier opgedeeld in 8 delen, die apart gemaakt worden en vervolgens aan elkaar gelijmd worden. De cockpit, de wielkappen en het zonnepanelen zouden telkens uit twee schalen gemaakt worden. De onderste schaal van het zonnepaneel zou al een stuk van de afrondingen van de cockpit en de wielkappen bevatten. Dit diende om later een stevige en mooi afgewerkte overgang te kunnen bekomen. Vervolgens werden de mallen getekend, die dus een afdruk zijn van de vorm van de wagen. De volgende uitdaging was nu het realiseren van deze vormen.
Aan de slag! Fase 1: Bouwen van massieve blokken We vertrokken van 96 blokken van 1,5 meter lang, 0,5 meter breed en 5 cm dik, die elk zo n 25 kg wogen. Deze werden aan elkaar gelijmd tot grote, massieve gehelen. Met een viertal teamleden werd er een week gewerkt om deze 2 ton zware puzzel tot een goed einde te brengen. We konden voor de bouw van deze blokken rekenen op de werkruimte van Flanders DRIVE. Eenmaal de stukken afgetekend en juist gepositioneerd waren werd alles aan elkaar gelijmd. De lijm die hiervoor gebruikt wordt is een twee-componenten-lijm. Dat betekend dat er twee emmertjes bij elkaar gegoten werden en dat er na goed roeren snel gewerkt moest worden. Er was dan nog 50 minuten tijd om deze lijm op alle oppervlaktes mooi te smeren en alles zorgvuldig te stapelen en in te klemmen.
De grootste mal is ruim 5 meter lang, 2 meter breed en weegt zo n halve ton, dat til je dus niet zomaar op Bovendien is de mal op zichzelf niet stevig genoeg. Daarom werd er een onderstel gebouwd uit stalen balken, goed voor nog eens 180 kg. Hierdoor kon de mal getakeld worden met een rolbrug of verplaatst met een heftruck. Fase 2: Uitfrezen Uit de massieve blokken moest nu de gewenste vorm uitgesneden worden. Hiervoor was een freesmachine nodig, die groot genoeg was om onze mallen onder handen te nemen. Bij Sabca Limburg hebben ze zo n machine, waarmee ook al ons windtunnelmodel gemaakt werd (zie technische fiche 2). Dit 5-assig toestel heeft een bereik van maar liefst 8 op 4 meter, en kan daarbij nog altijd een nauwkeurigheid van 0.01 mm handhaven. Eerst werd de programmatie van de bewerkingen uitgewerkt via CAD/CAM software. Op die manier worden de duizenden bewegingen die de machine moet maken op voorhand bepaald en gesimuleerd.
Met de opgedane ervaring van het frezen van het windtunnelmodel kon er nog efficiënter gewerkt worden. Door een zorgvuldige keuze van de gereedschappen en de volgorde van de bewerkingen, werd bijgevolg een aanzienlijke hoeveelheid freestijd uitgespaard. Vervolgens was het zover en kon bij Sabca Limburg de machine in gang gezet worden. Bij elke bewerking zagen we de afdruk van onze wagen groeien. Drie weken later was de klus geklaard en was uit elke blok de gewenste vorm gesneden.
Fase 3: Afwerking Na het frezen hadden de mallen dan wel de juiste vormen, maar waren ze nog niet glad en zaten er hier een daar spleten in, waar er geen lijm gekomen was. Wij willen natuurlijk graag een zo glad mogelijk oppervlak aan de buitenkant van onze zonnewagen, om zo weinig mogelijk luchtweerstand te hebben. Vermits de onderdelen van onze wagen een kopie worden van de mallen, moest er nog heel wat handwerk verricht worden om de mallen af te werken. Deze werken vonden plaats bij Indupol, een bedrijf dat gespecialiseerd is in het maken van composietdelen, waar de koolstofvezel delen uiteindelijk gemaakt zullen worden. Eerst werd er geschuurd om een goed aanhechting te hebben. Nadien werd er geplamuurd, geschuurd, en nog meer geschuurd.
Een nadeel aan frezen is dat je geen smalle diepe strepen kan bekomen, omdat de freeskop altijd een bepaalde dikte moet hebben. Hierdoor waren de achterste punten van de cockpit en de wielkappen niet scherp genoeg. De oplossing hiervoor was niet evident. Eerst werd er aan de tip heel veel materiaal weggeschuurd. Dan werd er van de tip een afdruk gemaakt. Deze afdruk werd gemaakt in glasvezel. Vervolgens werd de afdruk bijgewerkt tot een mooie punt. Dit zou de uiteindelijke vorm van de bovenkant van onze cockpit vormen.
Nadien werd er in de tip van onze mal, waar te veel materiaal was weggenomen, een gel gesmeerd, waar we dan onze juist geschuurde afdruk indrukten om zo een mooie tip te krijgen voor de cockpit. Er moest goed worden aangedrukt om alle lucht en gel eruit te krijgen. Na het drogen van de gel werd de afdruk er terug uitgehaald. We konden nu ons werk bewonderen: een geslaagde tip voor de cockpit. Dit proces mochten we nog twee maal herhalen, één maal voor de rechter wielkap en nogmaals voor de linker wielkap.
Nadat we tevreden waren over het hele oppervlak, kregen alle mallen een laagje vernis. Na vele uren handarbeid, na samenwerking met Axson, Flanders DRIVE, Sabca Limburg en Indupol zijn onze mallen klaar om de buitenkant van onze wagen te maken. Meer foto s: www.solarteam.be