EINDRAPPORTAGE. Het maken van een vernieuwde stoel PRO04

EINDRAPPORTAGE PRO04

Het maken van een vernieuwde stoel

Eindrapportage PRO04

P

H I D I P P I D E S

Auteur Berend Ruitenburg 0879387 ATR4B [email protected] / [email protected] 0637430943 Omanstraat 92 2622 GX, Delft Opdrachtgevers: B. Boukhari N. van Groningen 3e jaars begeleidster C. Lo Tam Loi Leerlijn PRO04 Automotive R&D Automotive Engineering & Applied Sciences Hogeschool Rotterdam Semester 4 1-7-15 Rotterdam

Versie: 2.1 BEREND RUITENBURG – 0879387 – ATR4B

2


P

H I D I P P I D E S

Voorwoord In semester 4 werd ik uitgenodigd om mee te doen aan de Shell Eco Marathon door Operations. Ik heb toen besloten om voor PRO04 hieraan mee te doen, oorspronkelijk was het de bedoeling om niet aan de het keuzevak mee te doen omdat deze uren niet gehaald zouden worden. Dit is achteraf dik gehaald door de grote hoeveelheid tijd die in het project is gaan zitten. Ik heb zeer veel geleerd binnen het project. De meeste projecten binnen de Hogeschool blijven in de concept fase hangen, er wordt niet daadwerkelijk iets gemaakt. Wanneer het onderdeel wordt onderzocht en uiteindelijk gemaakt kom je al gauw tot de conclusie dat er dingen zijn geweest die je totaal over het hoofd hebt gezien. Dit laat je wel zien dat het PVE, PVA en onderzoeksmethodes niet voor niets zijn opgezet. Graag wil ik de begeleiding bedanken, o.a. meneer Boukhari en van Groningen voor de begeleiding, Ewoud als projectleider en Crystal als 3e jaars begeleider. Crystal heeft mij zeer veel geleerd op het gebied van lamineren. Ik heb nu grote interesse gekregen in lichtgewicht constructies, materiaalkunde en sterkteleer. Berend Ruitenburg 23-6-15 Delft

BEREND RUITENBURG – 0879387 – ATR4B

3


P

H I D I P P I D E S

Samenvatting Dit rapportage gaat over het verbeteren van 2 onderdelen voor het voertuig Quadriga II van Team Phidippides. Dit is gedaan binnen PRO04 en keuzeruimte voor de opleiding Automotive. Er moet een verbeterde stoel en laadbak worden geproduceerd. De huidige stoel voldoet op meerdere punten niet aan de eisen, dit geldt ook voor de laadbak. Er zijn meerdere onderzoeksmethodes gebruikt. Literatuur onderzoek, artikelen, boeken en readers. Ook wordt er gebruik gemaakt van collega’s, vakken uit de Engineering en Compleet voertuig leerlijn. Daarnaast zal er in de praktijk tests worden uitgevoerd. Het concept van de stoel en laadbak is uitgewerkt en onderbouwt vanuit het theoretisch kader. De vorm van de stoel is ontworpen in CAD en vervolgens uit piepschuim vervaardigd om de vorm te kunnen testen. Hier zijn een aantal aanpassingen op gedaan om de stoel beter te laten zitten. De stoel is opgebouwd vanuit een carbon-aramide honinggraat sandwich. Deze combinatie levert zowel een goed oppervlaktetraagheidsmoment als gewicht. Hierdoor is het eindproduct sterk doch lichtgewicht. De laadbak zal ook gemaakt worden uit carbon net als de stoel. Zoals in de bijlage staat beschreven moest er eerst een mal gemaakt worden om de stoel te fabriceren. Deze mal is gemaakt van piepschuim om de vorm te kunnen maken, hier is een laag MasterWorks gips op gedaan om een sterke structuur te krijgen. Na een aantal behandelingen op het MasterWorks was de mal klaar om op te lamineren. Eerst werden er 2 lagen carbon gelegd, hier overheen een laag aramide sandwich, daaroverheen kwamen nog 2 lagen carbon. De laadbak is doormiddel van een metaalplaat gebogen mal gelamineerd. De stoel heeft aan alle eisen voldaan: sterk genoeg, comfortabel, voldoende hoofdspeling en goede afwerking. Alleen is het eindproduct 240 gram zwaarder dan de oude stoel. Dit is door meerdere oorzaken gekomen: teveel hars gebruikt, te grote veiligheidsfactor gehouden en overbodig stijf. De stoel is verstelbaar doormiddel van het wel of niet plaatsen van een versterk piepschuimen deel, hiermee kan de hoek van de stoel worden ingesteld om voldoende hoofdspeling te houden voor alle soorten maten coureurs. De laadbak is 1250 gram lichter dan de oude, en voldoet aan alle eisen. Hiermee is het eindresultaat een gewichtsbesparing van 1010 gram. Als aanbeveling voor volgend jaar zijn er 2 dingen die aan de stoel verbeterd kunnen worden. Zo moet de stoel lichter gemaakt worden, door 16% van het materiaal weg te halen kan de stoel lichter worden dan de oude waardoor hij aan alle eisen voldoet. De stoel is nu aan 1 kant geborgd, dit zou ook aan de andere kant moeten. Een algemene aanbeveling is het regelen van een vacuümpomp, hiermee kunnen kwalitatief veel betere laminaten mee gemaakt worden waardoor een lagere veiligheidsfactor gehouden kan worden.


4


P

H I D I P P I D E S

Management summary This report is about the improvement of 2 parts for the vehicle Quadriga II of Team Phidippides. This is done within PRO04 and the ‘keuzeruimte’ for the Automotive study. An improved chair and luggage compartment had to be produced. The current chair did not meet the requirements for multiple aspects, the same went for the luggage compartment. Multiple research methods have been used. Literature research, articles, books and readers. Colleagues, subjects of the Engineering and ‘Compleet voertuig’ course have also been used. In addition, tests had been executed in order to make sure all concepts will function. The concept of the chair and the luggage compartment are developed and validated from the ‘theoretisch kader’ (a study about the subject). The shape of the chair is designed in CAD and then created using Styrofoam to test out the shape. Here, a few adjustments have been made to make the chair more comfortable. The chair is constructed witch a carbon fiber honeycomb sandwich. This combination gives a good second moment of area, as well as a good weight. Because of this, the finished product is strong yet lightweight. The luggage compartment will also be made using carbon. As described in appendix B, a mold had to be made first in order to laminate the chair. Styrofoam is used to create the shape of the mold, here, a layer of MasterWorks plaster is added to get a strong structure. After a few treatments to the MasterWorks, the mold was ready to laminate. The end product consists of five layers: four layers carbon fiber with a honeycomb sandwich in the middle. The luggage compartment has been laminated by using a metal plate bended mold. The chair has met all the requirements: strong enough, comfortable, enough head clearance and proper finish. However, the finished product weighed 240 grams more than the old chair. This is due to multiple causes: too much resin, an excessive safety factor and unnecessary stiffness. With an additional Styrofoam part, the chair can be adjusted to your personal liking. The luggage compartment weighed 1250 gram less than the old one and meets the requirements. As a result, a weight reduction of 1010 gram has been accomplished. As a recommendation for next year, there are two aspects of the chair that can be improved. The chair should be made lighter. By removing 16% of the material, the chair could weigh less than the old version which will allow it to meet the requirements. Also, this chair is bended on only one side, this should also happen on the other side. A general recommendation is the controlling of the vacuum pump. Herewith, a lower safety factor can be maintained in the design and production by producing qualitatively better laminates.


5


P

H I D I P P I D E S

Inhoudsopgave Inleiding.................................................................................................................................................. 8 Probleemstelling .................................................................................................................................... 9 Hoofd en deelvragen .......................................................................................................................... 9 Methodologie ....................................................................................................................................... 10 Theoretisch kader ................................................................................................................................ 11 Theoretisch kader onderwerpen ...................................................................................................... 11 Sterkteleer ........................................................................................................................................ 12 Trek belasting ............................................................................................................................... 12 Stijfheid ........................................................................................................................................ 14 Sterkte .......................................................................................................................................... 14 Oppervlaktetraagheidsmoment ................................................................................................... 14 Materiaal .......................................................................................................................................... 15 Soorten materiaal ......................................................................................................................... 15 Composieten ................................................................................................................................ 15 Glasvezel ...................................................................................................................................... 15 Carbon fiber reinforced plastic ..................................................................................................... 15 Aramide ........................................................................................................................................ 15 Metaal .......................................................................................................................................... 15 Vormgeving ...................................................................................................................................... 16 Sandwich methode ....................................................................................................................... 16 Lamineer methodes ......................................................................................................................... 17 Hand lamineren ............................................................................................................................ 17 Prepreg ......................................................................................................................................... 17 Vacuüm injectie ............................................................................................................................ 17 Voorbeeld Koenigsegg One:1 carbon velg .................................................................................... 18 Concept ................................................................................................................................................ 19 Stoel ................................................................................................................................................. 19 Verstelmechanisme .......................................................................................................................... 19 Laadbak ............................................................................................................................................ 20 Resultaten ............................................................................................................................................ 21 Stoel ................................................................................................................................................. 21 Laadbak ............................................................................................................................................ 22 Conclusie .............................................................................................................................................. 23 Aanbevelingen...................................................................................................................................... 24 BEREND RUITENBURG – 0879387 – ATR4B

6


P

H I D I P P I D E S

Bronvermelding.................................................................................................................................... 25 Bijlagen................................................................................................................................................. 26 A.

Vooronderzoek ......................................................................................................................... 26 Current state ................................................................................................................................ 26 Future state .................................................................................................................................. 29 Verstel mechaniek ........................................................................................................................ 30 Laadbak ........................................................................................................................................ 30 Concept ........................................................................................................................................ 31

B.

Realisatie .................................................................................................................................. 34 Mal stoel ....................................................................................................................................... 34 Laadbak ........................................................................................................................................ 36 Lamineren stoel ............................................................................................................................ 37

C.

Pakket van Eisen ....................................................................................................................... 39 Werkwijze bij opstellen programma van eisen ............................................................................. 39 Het programma van eisen ............................................................................................................ 39 Functionele decompositie ............................................................................................................ 40 Eisen ............................................................................................................................................. 41

D.

Persoonlijk plan van aanpak ..................................................................................................... 42 Inleiding........................................................................................................................................ 42 Achtergronden ............................................................................................................................. 42 Project resultaat ........................................................................................................................... 42 Projectactiviteiten ........................................................................................................................ 43 Projectorganisatie ........................................................................................................................ 46 Planning........................................................................................................................................ 46 Kosten en baten ........................................................................................................................... 47 Leerdoelen ................................................................................................................................... 47

E.

Afbeeldingen ............................................................................................................................ 48


7


P

H I D I P P I D E S

Inleiding In semester 3 en 4 van de opleiding Automotive krijgen sommige studenten de kans om mee te doen aan de Shell Eco Marathon. Deze duurzaamheidswedstrijd werd dit jaar gereden in Rotterdam, Ahoy. Team Phidippides strijdt met 2 voertuigen in 2 verschillende klassen. De Quadriga II rijdt in de Urban Concept klasse, dit is een 4 wieler dit in principe ingezet zou kunnen worden als stadsvoertuig. De doelstelling van dit voertuig is een verbruik van 1:1000, er wordt uitgegaan van de energie die in 1 liter Euro 95 benzine zit. De Quadriga II had meerdere mankementen in 2014, hier is team Phidippides in semester 4 mee aan de slag gegaan om deze te verbeteren. Dit rapportage is gericht op de body, de stoel en de laadbak specifiek. Beide onderdelen voldeden niet aan de eisen en moesten verbeterd worden. In dit verslag wordt het pakket van eisen, plan van aanpak, current state, future state, theoretisch kader, concepten, realisatie, resultaten, conclusie en aanbevelingen besproken.


8


P

H I D I P P I D E S

Probleemstelling Nadat er in 2013/2014 een nieuwe body is gemaakt voor de Quadriga II zijn er een aantal complicaties ontstaan. De stoel en de laadbak voldeden niet aan de eisen. De volgende problemen deden zich voor. -

De stoel is zwak, biedt weinig comfort en is te smal voor de gemiddelde persoon. De stoel is niet verstelbaar. De laadbak is te zwaar voor zijn functie.

De doelstelling is om deze problemen op te lossen binnen het gegeven tijdsbestek. Er zal een nieuwe stoel, verstelmechanisme en laadbak worden gemaakt. Dit zal volgens de bekende methodiek worden gedaan, analyseren, onderzoeken, ontwerpen en realiseren. Wordt volgens de planning in het PPVA gedaan.

Hoofd en deelvragen Uit de probleemstelling kunnen de hoofd en deelvragen uit worden opgesteld. Hoofdvraag: “Hoe kan een onderdeel zo licht mogelijk uit composieten worden vervaardigd en blijvend aan de eisen voldoen?” De hoofdvraag kan worden opgedeeld in deelvragen om het onderzoeken te vergemakkelijken. Deelvragen: -

Welke eigenschappen hebben composieten, en welke waar het beste toepassen? Wat is de beste manier om een onderdeel uit composieten te vervaardigen? Wat zijn de voordelen van composieten, wat zijn de nadelen ten opzichte van andere materialen?


9


P

H I D I P P I D E S

Methodologie Om een goed resultaat neer te kunnen zetten moet worden bepaald welke onderzoeksmethodes zullen worden gebruikt. Literatuur onderzoek De voornaamste methode om aan informatie te komen is het zoeken en toepassen van informatie uit boeken, artikelen, en readers. Deze worden binnen de Hogeschool aangeboden in de bibliotheek maar ook op internet zijn deze te vinden. Uit deze informatie zal het overgrote deel van het theoretisch kader worden opgebouwd. Informatie uit boeken kan als correct worden aangenomen, andere bronnen moeten worden gecheckt. Collega’s Op de opleiding lopen mensen rond met meer ervaring en kennis over het onderwerp. Deze kunnen altijd gerichte vragen gesteld worden. Automotive leerlijn In het curriculum van de opleiding worden veel vakken gericht op dit onderwerp. Vooral de ENG02, ENG03 en ENG04 leerlijn zijn hier goed voor te gebruiken. Hier is veel sterkteleer en materiaalkunde in voorgekomen. In de leerlijn CVO02 en CVO03 is behandeld hoe een onderzoek opgezet moet worden en welke tool hierbij gebruikt kunnen worden. Zo zal er in dit rapportage gebruik worden gemaakt van keuzematrixen die een concepten of materialen met elkaar vergelijkt op basis van meerdere punten. Praktijk Helaas is niet alles vooraf uit te zoeken en zeker niet met de relatief nieuwe composieten wereld. Er zullen testen moeten worden gedaan om er zeker van te weten als een oplossing werkt of niet. Het is namelijk mogelijk dat een handeling compleet verkeerd uitpakt en niet onomkeerbaar is. Daarom is het verstandig om regelmatig handelingen te testen op een testobject. Brainstormsessies Met Team Phidippides worden er brainstormsessies gehouden waarin problemen worden behandeld. Hierin kan iedereen zijn of haar ideeën kwijt om samen tot de best oplossing te komen.


10


P

H I D I P P I D E S

Theoretisch kader Theoretisch kader onderwerpen In het Pakket van Eisen is een mindmap opgesteld waarin alle onderdelen die van toepassing zijn op de opdracht worden weergeven. Hieruit kunnen de onderwerpen van het vooronderzoek worden opgesteld.

Figuur 1

Voor de onderdelen die vervaardigd zullen deze onderdelen worden moet er worden gekeken naar:      

Sterkteleer Materiaal Vormgeving Mal opbouw Bevestiging Comfort

Met deze onderwerpen worden alle delen van het onderzoek behandeld, hierdoor zal de kennis toenemen en zal de kans op onverwachte problemen worden verminderd.


11


P

H I D I P P I D E S

Sterkteleer Sterkteleer houdt zich bezig met het berekenen of een bepaald lichaam zal bezwijken onder de geleverde belasting of niet. Bij het maken van een composieten stoel is het natuurlijk belangrijk om te weten of de stoel sterk genoeg is. Ook kan je met behulp van sterkteleer berekenen (met een veiligheidsfactor) wat de dikte van het materiaal moet zijn om de belastingen op te kunnen vangen. Hiermee voorkom je een veels te zwaar onderdeel.

Trek belasting Deze belasting wordt gemeten in een trekbank dit is een machine die registreert hoeveel kracht er nodig is om het voorwerp uit te rekken. Dit wordt gemeten in Newton per meter [N/m]. Doormiddel van een computer worden ze geautomatiseerd in een grafiek tegen elkaar uitgezet.

Figuur 2

Figuur 3

In de figuur rechts boven is de elasticiteits modulus te zien, dit is de blauwe lijn aangegeven met de E. De E modus geeft het traject weer waar het materiaal lineair vervormd. Hoe steiler de lijn is, des te stijver het materiaal. Als de spanning op het materiaal wordt losgelaten en er binnen de E modus is gebleven zal het materiaal weer terug trekken naar zijn originele vorm. Als de trek kracht zich buiten de E modus begeeft zal het materiaal permanent vervormen. Ook verandert de sterkte van het materiaal als er over de E modus heen wordt getrokken. De E modulus verschilt per materiaal, dit komt door de manier waarop het materiaal is opgebouwd. De E modulus wordt gemeten in giga Pascal. 1

𝑁

𝑃𝑎 = 1 𝑚^2

Zoals te zien is één Pascal Newton/oppervlakte. Als het oppervlakte vergroot en de kracht hetzelfde blijft zal de Pascal dalen.


12


P

H I D I P P I D E S

Het materiaal zal uitrekken, en tegelijkertijd inslinken. Omdat het volume wel hetzelfde moet blijven. Dit is in de onderstaande figuur te zien.

Figuur 4

Materiaal

Elasticiteitsmodulus (E) in GPa

Rubber (kleine rekken)

0,01 - 0,1

Hout (dwars op de vezel)

0,6 - 1,0

IJs

9,1

Hoge sterkte beton (druksterkte)

30

Magnesium

45

Aluminiumlegeringen

69

Gewoon glas

69

Glas

72

Gietijzer

100

Titanium (Ti)

105 - 120

Brons

103 - 124

CRP (carbonfibre reinforced plastic)

70 - 200

Staal

210

Wolfraam

400 - 410

Diamant

1220

Hierboven is de E modulus van verschillende materialen te zien, hieruit blijkt dat de trek en druk kracht van materialen heel verschillend zijn.


13


P

H I D I P P I D E S

Stijfheid De mate van vervorming bij het belasten van het materiaal. Rubber is dus totaal niet stijf waar staal behoorlijk stijf is. Laminaten worden ontworpen op basis van een aantal eisen die de stijfheid van het materiaal beschrijven. Zo is er in de MotoGP bij het team van Ducati ooit geprobeerd om een carbon achterbrug te introduceren, deze verving een aluminium exemplaar. De achterbrug uit carbon was significant lichter en stijver dan de achterbrug van aluminium. Je zou denken dat dit goed is, helaas waren de rijders er helemaal niet blij mee, de achterbrug was te stijf voor de toepassing. Doordat een achterbrug van een motorfiets alleen omhoog kan veren (vaste as) kan er in een snelle bocht waar de motorfiets behoorlijk plat in de bocht ligt niet meer ingeveerd worden. De achterbrug van aluminium kon nog iets buigen in dit soort snelle bochten wat zorgde voor een kleine hoeveelheid vering en demping. De carbon achterbrug was zo stijf dat er geen beweging in zat, dit zorgde ervoor dat er in dit soort snelle bochten praktisch met een starre as gereden werd wat de grip en dus prestaties significant beïnvloedde.

Sterkte De mate waarin een materiaal een oplopende spanning kan verdragen. Hoe lang de E-modulus een rechte lijn blijft, als de lijn krom wordt zal het materiaal gaan vloeien. Wanneer het materiaal zo wordt belast zal het materiaal niet meer in zijn oorspronkelijke vorm terugkeren. Hoe verder je de vloeigrens over gaat hoe meer het onderdeel permanent vervormd. Over deze grens wil je dus absoluut niet gaan, het product is dan permanent beschadigd of defect. Er moet dus uitgerekend worden of het product onder deze grens blijft.

Oppervlaktetraagheidsmoment Om een sterk en lichtgewicht component te maken moeten er met 2 dingen rekening gehouden worden. De E-modulus van het materiaal en het oppervlaktetraagheidsmoment. Dit laatste is een getal wat de sterkte van het materiaal omschrijft. Voor een rechthoek is dit: 𝐼 =

𝑏 ∗ ℎ3 12

b = lengte basis [m] h = lengte hoogte [m] Afhankelijk van de belasting wordt bepaald wat de b en h zijn. Zoals uit de formule valt op te maken is de hoogte zeer belangrijk. Deze is tot de 3e, de breedte is daarentegen normaal. De afstand wordt berekend vanuit het zwaartepunt. Bij een H profiel worden dus de boven en onderkant apart genomen. In figuur 5 staat aangegeven wat de h en b zijn bij de gegeven belasting.

Moment M1 Figuur 5

𝐼=

𝑏 ∗ ℎ3 12

=

(4∗𝑏1 ∗ h13) + (2 ∗ b2 ∗ h23 ) 12

De 4 en de 2 staan voor het aantal keer dat deze vorm voorkomt in het ontwerp. BEREND RUITENBURG – 0879387 – ATR4B

14


P

H I D I P P I D E S

Materiaal Soorten materiaal Om duidelijkheid te scheppen in de benamingen van materialen moet er duidelijk worden vastgesteld wat bijvoorbeeld een composiet is.

Composieten Een composiet is een materiaal dat uit meerdere componenten is opgebouwd. Een voorbeeld is carbon fiber waar de automotive industrie de laatste jaren veel mee bezig is omdat dit een erg lage massa heeft en erg sterk is. Over het algemeen wordt er met composieten vezel versterkte kunststoffen bedoeld. Het is een vezel materiaal in de vorm van een mat of plaat die makkelijk vormbaar is, deze wordt met een hars of lijm versterkt die de drukkrachten en schuifspanningingen kan opvangen. Op deze manier kunnen sterke en lichtgewicht vormen worden gemaakt.

Glasvezel Deze composiet is een van de goedkoopste op de markt, het wordt gemaakt uit gesmolten glas. Het wordt geleverd in matten, draden en tape. De E-modulus is niet zo goed, daartegenover heeft het wel een redelijk hoge sterkte.

Carbon fiber reinforced plastic Door het toevoegen van hars aan koolstofvezel matten is een zeer sterke, stijve en lichte constructie te maken. Dit komt door de hoge E-modulus van rond de 180 GPa. Om deze rede worden er veel onderdelen in voertuigen in sport/race verband hiervan vervaardigd.

Aramide De synthetische vezels waar aramide uit vervaardigd is, het materiaal is opgebouwd uit moleculen uit polymeerketens. Aramide heeft een hoge sterkte en lage slijtage.

Metaal Metalen zijn over het algemeen bekend als zwaardere sterke materialen die stroom kunnen geleiden doordat ze negatief geladen zijn, dit komt door een elektronen verschil, een metaal heeft namelijk teveel elektronen. Hieronder is het periodieke systeem der elementen te zien waar alle (bekende) elementen zijn weergeven, doormiddel van de kleurencodering is te zien welke elementen metalen zijn. De bekendste zijn natuurlijk

Figuur 6 BEREND RUITENBURG – 0879387 – ATR4B

15


P

H I D I P P I D E S

Vormgeving Sandwich methode Bij het toepassen van composieten in een ontwerp moet al snel worden gekeken of het onderdeel wel sterk genoeg is voor het doel. Een manier om de afschuifspanning in het ontwerp te verbeteren is het toepassen van een sandwich constructie. Een sandwich constructie is zoals de naam al zegt een stuk materiaal tussen twee andere materialen geplakt. Over het algemeen wordt hier een dik stuk honinggraat composiet materiaal voor gebruikt. Hieronder is een afbeelding van een sandwich constructie te zie met 4 lagen ‘vezelmatten’ en een honinggraat materiaal.

Figuur 7

Honinggraat kan niet zozeer veel spanning opvangen, wel is het zeer goed in het opvangen van punt druk. Je kunt er dus hard op drukken zonder dat het kapot gaat. Hierdoor kun je een component dikker maken zonder veel gewicht toe te voegen. Door het verdikken van het materiaal kan een moment veel beter worden opgevangen doordat de arm wordt vergroot. Het honinggraat materiaal vangt dit koppel niet op maar kan dit goed doorgeven doordat het een hoge druk op kan vangen.

Figuur 8

Hierboven is een afbeelding weergeven van wat het voordeel is van een sandwich constructie. Er wordt een kracht van 1000N op de bovenkant van de stoel gegeven. Dit resulteert in een koppel van 0,5kNm. Dit koppel wordt in het draaipunt opgevangen, doordat de arm wordt vergroot in het materiaal zal de kracht in het materiaal zelf lager zijn. Het grote voordeel aan sandwich constructies is dat het component genoeg afschuifspanning aankan zonder dat het breekt. Dit kan natuurlijk ook door een aantal extra lagen glasvezel aan te brengen maar dan wordt het geheel een stuk zwaarder. Bij het toepassen van een sandwich constructie blijft het geheel behoorlijk licht doordat het honinggraat materiaal een lage dichtheid heeft. Deze methode is ook toegepast om de bodem van de Quadriga te maken. De body van de Triga is eveneens opgebouwd uit een sandwich constructie


16


P

H I D I P P I D E S

Lamineer methodes Er zijn meerdere methodes om te lamineren.

Hand lamineren De makkelijkste en goedkoopste is hand lamineren, op basis van een mal kun je composieten matten vormen en impregneren met 2 componenten hars. Dit proces is het makkelijkste, heb je niet veel ervaring voor nodige maar is helaas wel het zwaarste.

Prepreg Dit materiaal is net als het normale carbon een gewoven mat. Het verschil is dat hier de hars al in is verwerkt. De hars is anders dan de hars die bij hand lamineren wordt gebruikt, de hars gaat pas harden bij een hoge temperatuur. De mat kan dus worden gevormd met behulp van een mal en vervolgens in een oven worden geplaatst. De temperatuur zal de hars laten harden wat ervoor zorgt dat je een solide materiaal krijgt. De temperatuur en de tijd waarmee dit in de oven moet varieert per materiaal en is aangegeven bij het materiaal. Het voordeel van dit materiaal is het feit dat de vezels al doordrenkt zijn met hars en dat er niet teveel hars wordt gebruikt. Dit zorgt ervoor dat het materiaal niet onnodig zwaar wordt. Ook is de kwaliteit van het eindproduct qua sterkte beter dan hand lamineren doordat overal evenveel hars zit en de vezels zijn doordrenkt. Met hand lamineren heb je het probleem dat op het laminaat niet overal even sterk is. Met prepreg composiet kun je dus betrouwbaarder engineeren omdat je veel meer kan vertrouwen op het eindproduct. Meestal wordt er ook veel meer informatie gegeven over het eindproduct. Hier kun je dus op berekenen hoeveel materiaal je nodig hebt. Met hand lamineren weet je niet exact hoe sterk het eindproduct gaat worden doordat dit van veel factoren afhankelijk is die niet aanwezig zijn bij prepreg. Je moet bij hand lamineren dus een (veel) grotere veiligheidsfactor houden.

Vacuüm injectie Deze methode is de Crème de la Crème van het produceren van carbon onderdelen. Net als bij hand lamineren is er een mal benodigd om de composiet in te leggen. Je voegt hier hars toe doormiddel van injectie, op deze manier kun je exact afwegen hoeveel hars je nodig hebt. De composiet wordt in het geval van normale matten geïmpregneerd met hars en bedekt met geperforeerd folie en een runner mat. De folie zorgt ervoor dat het oppervlakte glad wordt, de gaatjes laten overbodige hars weglopen. De overbodige hars wordt dat opgenomen in de runner, deze verdeelt de hars over het laminaat en neemt overbodige hars op. Dit geheel wordt in een vacuüm zak geplaatst om vervolgens aan een vacuümpomp gehangen te worden. Deze pomp zuigt alle lucht uit de zak waardoor er een vacuüm ontstaat in de zak. Deze vacuüm zorgt voor druk op het laminaat van de vacuümzak waardoor het geheel sterk wordt aangedrukt. Dit zorgt ervoor dat het materiaal geen overbodige hars opneemt en dat alle vezels worden verzadigd met hars. Dit kan ook met prepreg worden toegepast. Hier zijn dezelfde stappen bij van toepassing. Met deze methode kan je veel meer uitgaan van een solide materiaal als eindproduct, de hechting tussen meerdere lagen is bij ronde vormen vele malen beter dan met hand lamineren. Een plat oppervlak kun je nog aandrukken, een ronde vorm is eigenlijk niet overal aan te drukken. Bij vacuüm is de druk overal op het laminaat goed.


17


P

H I D I P P I D E S

Voorbeeld Koenigsegg One:1 carbon velg Het Youtube kanaal /DRIVE heeft in 2014 een aantal filmpjes gemaakt waar onderdelen voor de Koenigsegg One:1 worden gemaakt. Het filmpje1 waarin de carbon velgen worden gemaakt is een goed visuee voorbeeld.

Inleggen van Prepreg carbon in de aluminium mal.

Complete mal met carbon bedekt.

Verpakt in een vacuümzak.

Vacuüm getrokken geheel.

Ingepakt met de folie en de runner.

Plaatsen in de oven.

Figuur 9 - 15

Het eindproduct.

Het eindproduct is een velg die sterker is dan eqivalente aluminium velgen en 40% lichter. De gehele velg weegt 6kg. Door de massa te verlagen wordt de massatraagheid van het wiel en de onafgeveerde massa verlaagd.

1

De link naar het filmpje https://www.youtube.com/watch?v=PGGiuaQwcd8 BEREND RUITENBURG – 0879387 – ATR4B

18


P

H I D I P P I D E S

Concept Stoel In figuur 16 is het uiteindelijke concept te zien van de stoel. Dit is getekend in Autodesk Inventor. De vorige stoel zat behoorlijk rechtop, hierdoor kon niet iedereen met voldoende hoofdspeling in de Quadriga II zitten. Met dit ontwerp is dit opgelost doordat de onderkant van de stoel niet meerdere kanten heeft. De stoel kan dus op meerdere kanten rusten, dit resulteert in een variabele hoek waarin de stoel geplaatst kan worden. 2

Figuur 16

De gehele stoel is opgebouwd uit carbon en aramide honingraad. Deze combinatie zorgt ervoor dat er bij goed toepassen van de materialen een sterk en licht eindmateriaal kan worden gemaakt. Elk oppervlak is opgebouwd uit twee lagen carbon, aramide honinggraat en dan weer 2 lagen carbon. Het sandwich materiaal zoals in figuur 17 is afgebeeld is 5mm dik bij 29kg/m3 Figuur 17

40 cm

Figuur 18

5 cm Carbon

Aramidee

In figuur 18 staat weergeven wat de opbouw van het laminaat is. De gehele stoel is met deze opstelling opgebouwd. De omgeslagen voor en achterkant zijn eveneens met honinggraat verstevigd. Er is voor deze vorm gekozen om het oppervlakte traagheidsmoment zo hoog mogelijk te houden maar wel de stoel aan de eisen te laten voldoen. De zijkanten leveren een zeer grote bijdrage bij de stijfheid van de stoel. 𝑏 ∗ ℎ3 12 In de formule is de hoogte tot de 3 e. Hierdoor is het zeer belangrijk om voldoende hoogte in het ontwerp aan te brengen. Dit is met de omgeslagen randen gedaan. Hierdoor is het laminaat zeer stijf geworden in alle richtingen. 𝐼=

Verstelmechanisme De stoel zal aan de body worden bevestigd doormiddel van klittenband, hiermee is de afstand te bepalen van de stoel. Hier wordt ook gelijk de hoek van de stoel mee bepaald. 2

Hoe op dit concept is gekomen staat in de bijlagen beschreven. BEREND RUITENBURG – 0879387 – ATR4B

19


P

H I D I P P I D E S

Laadbak De laadbak zal gemaakt worden uit carbon, dit kwam als beste uit de keuzematrix. De afmetingen van de laadbak zullen net boven de minimale afmetingen gehouden worden om niet overbodig veel materiaal te gebruiken. De afmetingen luidden: Breedte: 504 [mm] Hoogte: 204 [mm] Diepte: 404 [mm] Door de afmetingen net groter te maken dan de minimale binnen dimensies zal de bagagedoos gemakkelijk in de laadbak kunnen worden geplaatst.


20


P

H I D I P P I D E S

Resultaten Stoel In het pakket van eisen is vooraf gespecificeerd waar het eindproduct aan moet voldoen.  



 

De coureur moet met helm op nog minimaal 5cm ruimte behouden boven het hoofd. o Door het afstellen van de stoel kan een persoon van 1.90 met 10cm hoofdspeling. De coureur (80kg) moet in de stoel kunnen rijden zonder dat de stoel breekt of permanent vervormd. o Er is meerdere malen gereden met de stoel, ook met een coureur van 100kg. De stoel is nog intact. De stoel moet comfortabel zitten, d.m.v. padding en vorm. o Het is niet nodig geweest om padding toe te voegen, de vorm van de stoel geeft voldoende comfort. Scherpe randen moeten netjes worden afgewerkt. o Alle randen en vezels afgevlakt. De stoel moet zo licht mogelijk zijn. En in ieder geval lichter dan het huidige model (1660 gram). o Helaas is er niet voldaan aan deze eis, het uiteindelijke gewicht is 1900g, dit is inclusief het verstelmechaniek.

Verder is de stoel meerdere malen stijver, het is niet mogelijke om de stoel te buigen. Dit is te danken aan de materiaalkeuze en oppervlaktetraagheidsmoment. Ook was de oude stoel veel smaller dan de huidige, het zitvlak is dus sterk toegenomen, iedereen kan nu in de stoel zitten. Het gewicht is toegenomen met 240 gram. Het verstelmechanisme is toegepast nadat er uitvoerig is gepast met de stoel om er achter te komen wat de positie van de stoel moet zijn om aan de eisen te voldoen. De stoel wordt op zijn plek gehouden door een bout die uit de body steekt, hier rust de stoel tegenaan op de bodem. De hoek van de stoel is variabel door 1 of 2 verstelstukken te plaatsen, met 2 stukken kan een coureur van tussen de 1.60 en 1.75 zitten, met 1 stuk kan een coureur van tussen de 1.75 en 1.90 in de cabine passen. De stoel staat niet vast en kan verschoven worden, wanneer de coureur gaat zitten zit er geen beweging meer in. Dit is te danken aan de druk van de massa van de bestuurder en de inklemming van de 5 punt gordels.

Figuur 19

Figuur 20

Figuur 21

In figuur 19 het eindproduct. In figuur 20 en 21 is de bevestiging en het verstelmechanisme te zien.


21


P

H I D I P P I D E S

Laadbak De originele laadbak was overbodig zwaar en groot. Om die reden is er een nieuwe laadbak geproduceerd. In figuur 22 en 23 is deze met en zonder bagage te zien.

Figuur 22

Figuur 23

De laadbak is doormiddel van 4 carbon plaatjes en klittenband op zowel de plaatjes als de laadbak bevestigd in het achter compartiment. Dit is te zien op figuur 24 en 25 Figuur 24

Figuur 25

Het uiteindelijke gewicht van de vernieuwde laadbak is 850 gram inclusief bevestiging. Dit is bereikt door lichte materialen te gebruiken en het ontwerp naar de eisen te maken. De oude laadbak was inclusief bevestiging 2000 gram. Hier is dus een gewichtsbesparing van 1150 gram gerealiseerd. De bagage van de laadbak is gemaakt uit karton, deze was oorspronkelijk te groot en dus is deze aangepast, deze is ook 100 gram lichter gemaakt. Totaal is er dus op de laadbak 1250 gram bespaard. De laadbak is door de technische keuring gekomen, hij voldoet dus aan de eisen die vanuit de Shell Eco Marathon zijn opgesteld.


22


P

H I D I P P I D E S

Conclusie In totaal is er 1010 gram bespaard. Dit is behaald ondanks het zwaarder worden van de stoel door de laadbak. Het zwaarder worden van de stoel komt door meerdere oorzaken. Zo was de oude stoel zeer klein en slap, wanneer er in de stoel werd gezeten vervormde deze compleet. De nieuwe stoel is zeer stijf, waardoor hij in tegenstelling tot de oude stoel veel support geeft aan de coureur wat hem veel comfortabeler maakt. De oude stoel was niet geschikt voor iedereen, hij was zeer smal. Doordat hij smal was en wanden had kon niet iedereen erin zitten. Om te zorgen dat de nieuwe stoel wel voor iedereen geschikt was moest er een grotere en vooral bredere stoel worden gemaakt. Omdat hij groter wordt neemt het oppervlakte toe, dus moet er meer materiaal worden gebruikt. Ook neemt het inwendige moment toe bij een bredere stoel, om dit op te vangen moet het laminaat sterker zijn, en dus meer materiaal. De hoofdvraag van deze opdracht luidde; “Hoe kan een onderdeel zo licht mogelijk uit composieten worden vervaardigd en blijvend aan de eisen voldoen?” Dit is onderzocht in het vooronderzoek, hier is uitgekomen dat het van meerdere factoren afhangt. Zo is het materiaal zelf belangrijk, de E-modulus moet hoog zijn en het soortelijke gewicht laag. Het ontwerp moet ontworpen zijn op de belasting wat het onderdeel gaat krijgen. Dit is doormiddel van het oppervlaktetraagheidsmoment te definieren. Het is niet gemakkelijk een goed ontwerp te maken die aan alles voldoet, vooral het oppervlaktetraagheidsmoment zit in de weg. Hoe dikker het laminaat des te sterker. Dit betekent dat er veel materiaal dikte aangemaakt moet worden, dit is zwaar. Hier komt het zogenaamde “sandwich” materiaal om de hoek kijken. Dit sandwich materiaal is meestal honinggraat of foam. Doordat het materiaal veel lucht bevat is de dichtheid van het materiaal laag. Het sandwich materiaal is allen goed in het opvangen van puntdruk. Het kan dus veel gewicht verdragen. Het inwendige moment van het materiaal wordt niet opgevangen door de het sandwich materiaal maar wel goed doorgegeven. Door een sandwich materiaal te verpakken in composieten matten kan een sterk en lichtgewicht materiaal gemaakt worden. Het materiaal is zo sterk geworden doordat er rekening is gehouden met al deze onderdelen. Hij is achteraf te sterk geworden, de veiligheidsfactor die in gedacht was genomen was achteraf te hoog. De kwaliteit van het laminaat is dus hoger geworden dan waar vooraf van vanuit was gegaan.


23


P

H I D I P P I D E S

Aanbevelingen De stoel kan nog verbeterd worden op 2 punten. Gewicht en verstelling. Het gewicht kan gemakkelijk worden verlaagd door gaten te boren in het zitvlak van de stoel. Het zitvlak zelf voegt niet veel toe aan de stijfheid van het laminaat. Er moet 16% van het materiaal worden verwijderd om een gewicht van 1600g te bereiken, dit komt uit op 700 cm2 = 0.07 m2. Dit kan in de vorm van gaten worden bereikt. Hier moet wel goed over worden nagedacht, wanneer er teveel materiaal wordt weggehaald kan het laminaat gaan breken. De stoel is nu aan een kant geborgd, door een bevestiging aan de bodem van de quadriga te maken die de andere kant van de stoel support zal de stoel zeker voldoende vast zitten. De laadbak is goed en kan niet technisch verbeterd worden. Een algemene aanbeveling is het regelen van een vacuümpomp. Binnen de opleiding zijn er al plannen om deze aan te schaffen, wanneer er grote dingen moeten worden gemaakt is het zeer verstandig om dit met vacuüm techniek te doen. Het laminaat is van veel hogere kwaliteit wanneer dit met vacuüm techniek wordt gedaan. Het is dan ook mogelijk om met een kleinere veiligheidsfactor te werken.


24


P

H I D I P P I D E S

Bronvermelding (sd). Opgehaald van http://www.ndt.esrtechnology.com/noticeboards/mms15iag/ikb/Browse/Default.asp?ST=1& SC=3&P=..%2FTopics%2FDefects%2FDefects+in+Sandwich+structures%2FDefault.html Buigen en breken. (2013, januari 18). Opgehaald van Wetenschap.infonu.nl: http://wetenschap.infonu.nl/techniek/109122-buigen-en-breken.html Carbonwinkel. (sd). Opgehaald van http://www.carbonwinkel.nl/nl/ ENG02. (sd). Figuur 4: Trekspanning vervorming. Figuur 2: Trekbank. (sd). Opgehaald van Wikimedia: https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/4/42/Testometric_trekbank_20_k N.jpg/220px-Testometric_trekbank_20_kN.jpg Figuur 3:E-modulus. (sd). Opgehaald van http://itereva.org/sti/prod/ETC/05/C052/23/O5C05223POUTRE/files/img_37.jpg Figuur 6: Periodiek systeem. (sd). Opgehaald van https://nl.wikipedia.org/wiki/Periodiek_systeem Figuur 7: Sandwich methode. (sd). Opgehaald van http://www.ndt.esrtechnology.com/noticeboards/mms15iag/ikb/Topics/Defects/Defects%2 0in%20Sandwich%20structures/defect1.jpg Hibbeler, R. (2012). Statica. Pearson. Hibbeler, R. (2013). Sterkteleer. Pearson. Musial, J. (2014, april 22). Figuur 9-15: Making 280mph Capable Carbon Fiber Wheels - /INSIDE KOENIGSEGG. Opgehaald van Youtube: https://www.youtube.com/watch?v=PGGiuaQwcd8 Shell Eco-marathon. (2014, September 1). Shell Eco Marathon 2015 Official Rules Chapter 1. Team Phidippides. (sd). Opgehaald van https://www.facebook.com/TeamPhidippides/photos/pb.278225265548154.2207520000.1425984717./835434476493894/?type=1&theater Teijin aramide. (sd). Wat is aramide? Opgehaald van Teijin aramide: http://www.teijinaramid.com/nl/aramids/wat-is-aramide/ URahmSu. (sd). ATE ENG02 Sterkteleer, PP presentatie 2, dia 8 . Rotterdam. Van der Veen Projects. (sd). Opgehaald van http://www.vanderveen-ee.nl/projects/img/1015--271800-s1d.jpg Wikipedia. (sd). Composiet. Opgehaald van http://nl.wikipedia.org/wiki/Composiet_(materiaal) Wikipedia. (sd). Metaal. Opgehaald van http://nl.wikipedia.org/wiki/Metaal


25


P

H I D I P P I D E S

Bijlagen A. Vooronderzoek Current state Om te kunnen bepalen wat er moet worden verbeterd en waarom zal de huidige situatie moeten worden geanalyseerd. Dit zal per onderdeel worden behandeld. Stoel De huidige stoel is hieronder afgebeeld, deze is van polyester gemaakt waardoor het gewicht laag gehouden wordt. De stoel is met foam beplakt zodat de coureur comfortabel zit. Ook geeft de foam meer grip zodat de coureur goed op zijn plek blijft zitten.

Figuur 26

De sandwich methode is niet toegepast waardoor het geheel onnodig zwaar is geworden. De afmetingen van de stoel in de huidige vorm: Breedte 34 cm Lengte 70 cm Hoogte 55 cm De maten van de cabine: Lengte 85 cm Hoogte 85 cm Breedte 40 cm Van muur naar pedaal 140 cm Vereiste beenlengte met huidige stand +/- 90 cm Gewicht 1620 g Door met een hoge snelheid door een bocht te gaan ontstaan er hoge centrifugaal krachten. Doordat deze stoel een kuip vorm heeft zal de coureur gewoon blijven zitten. Dit omdat hij of zij door de wangen van de stoel aan wordt gedrukt. Doordat de wangen een vast positie kan niet iedereen er in zitten. BEREND RUITENBURG – 0879387 – ATR4B

26


P

H I D I P P I D E S

De coureur moet worden geborgd met een 5-punts gordel, dit is te zien in figuur 27 en 28 te zien. De gordel punten zitten bij de schouders van de coureur, naast de stoel en er komt er een door de benen. Dit is een eis vanuit Shell en is dus verplicht. Deze bevestigingspunten zitten in het chassis verwerkt.

Figuur 27

Figuur 28

Het grootste probleem met de huidige stoel is het feit dat niet iedereen er in kan zitten doordat deze een kuipvorm heeft, personen die wat ‘breder’ zijn kunnen dus niet in de stoel zitten. Ook is de hoogte van de inzittende een probleem, als een klein persoon gaat zitten heeft deze eigenlijk al te weinig ruimte over boven zijn hoofd. Volgens de Shell regelementen moet er 5 cm of meer ruimte tussen de helm van de coureur en de roll bar zitten die aan het dak bevestigd. Dit is eigenlijk niet reëel in de current state. In figuur 30 en 31 is een test zit met een persoon van om en nabij 1.70 te zien. Er was net geen 5 centimeter ruimte boven het hoofd, dit was ook nog zonder helm. Bij de voeten van de persoon is nog erg veel ruimte, de testpersoon had zelfs eigenlijk nog te korte benen en kon niet goed bij de pedalen.

Figuur 30


Figuur 30

27


P

H I D I P P I D E S

Verstelbaarheid De stoel is bevestigd met klittenband, de stoel kan een klein beetje naar voren en achteren. Dit wordt gelimiteerd door de ring voor de gordel die door de stoel heen komt. Doordat de stoel kan verschuiven kan de hoek van de rugleuning ook aangepast worden. Laadbak De huidige laadbak is de Quadriga is opgebouwd uit aluminium. De binnen afmetingen zijn 520 x 410 x 200 mm L x H x B. De buiten afmetingen zijn net iets groter, 2 millimeter aan alle kanten zorgt voor afmetingen van 502 x 414 x 202 mm L x H x B. De laadbak is dus groter dan nodig, er moet een doos in kunnen van 500 x 400 x 200 mm. Dit is een eis vanuit de Shell en moet dus aangehouden worden, wel mag de bak natuurlijk groter zijn. Doordat de bak uit aluminium en plexiglas gemaakt is deze 2 kg zwaar inclusief ophanging, dit is onnodig veel omdat de bak bijna geen functie heeft. Hij hoeft alleen een doos te vervoeren. In de figuren 31 en 32 is de laadbak in de oude vorm te zien.

Figuur 31


Figuur 32

28


P

H I D I P P I D E S

Future state Doordat er nu bekend is wat er mis is met de onderdelen kan er een future state worden bepaald. De future state houdt in wat de meest optimale uitkomst van het project zou zijn, wel moet dit natuurlijk haalbaar zijn. Stoel Het grootste probleem met de huidige stoel is het feit dat deze niet voor iedereen geschikt is. De stoel is goed voor mensen die er in passen, maar niet iedereen kan er in zitten omdat de zitting tamelijk smal is. Om dit probleem op te lossen zal er een stoel moeten komen waar elke persoon wel normaal in kan zitten. Wel moet deze de dwarskrachten die de persoon zal verduren kunnen opvangen. Daarmee komen we op het volgende punt. Door het plaatsen van rubber of foam padding op de stoel zal er meer grip ontstaan en een comfortabelere zitting. Hierdoor los je het probleem van het wegglijden op van de coureur. Een ander probleem met de stoel was de hoogte van het hoofd van de coureur, deze zat eigenlijk wat te hoog. Dit is op te lossen door het platter legger van de stoel, hierdoor ontstaat er een hoop ruimte boven het hoofd. Wel komen de voeten van de persoon dan een stuk naar voren, maar aangezien hier nog genoeg ruimte voor is zal dit geen probleem zijn. Het gewicht van de huidige stoel is 1620 gram, voor de nieuwe stoel zal deze voor het mooie lichter of even zwaar moeten zijn.

Figuur 33

Hierboven is een afbeelding te zien van de huidige stoel in de vorm van de nieuwe stoel. Deze is een stuk platter en langer, de huidige stoel is niet stevig genoeg in deze vorm. Wel komen er dan problemen met het stuurwiel, de stuurstang zal korter moeten worden gemaakt of de hoek van de stuurstang worden aangepast. De stoel moet veel stijver zijn, het ontwerp moet zelfdragend zijn. Dit betekent dat de stoel zelf de stijfheid en sterkte aan het materiaal geeft.


29


P

H I D I P P I D E S

Verstel mechaniek Een rail systeem bestaande uit een railsysteem. Dit bestaat uit een aluminium profiel waar de stoel in geborgd wordt met moeren. Dit is lichtgewicht, sterk, goedkoop en eenvoudig. Als tweede optie is er een klittenband systeem, dit is een stuk lichter dan het aluminium rail systeem maar wel ‘technisch minder mooi’. De huidige stoel beschikt ook over deze bevestiging en dit bleek voor de vorige stoel dus de beste oplossing.

Laadbak De laadbak zal uit composiet worden opgebouwd, zo wordt het gewicht omlaag gebracht. Wel moet nog steeds de inhoud van 500 x 400 x 200 mm L x H x B worden aangehouden. Dit is de minimale binnen afmeting. Hier zal een keuze moeten worden gemaakt tussen carbon, glasvezel en polyester.


30


P

H I D I P P I D E S

Concept Stoel Op basis van het onderzoek kan er een concept opgesteld worden om daadwerkelijk te gaan produceren. In de tabel hieronder is een keuzematrix te zien die de mogelijke 4 materialen met elkaar vergelijkt.

Materiaal Gewicht Sterkte Maakbaarheid Prijs Esthetisch Totaal Weging 2 3 2 1 0,5 Carbon 8 9 7 6 9 67,5 Prepreg 9 10 4 4 10 65 Glasvezel 7 7 8 9 6 63 Polyester 5 6 8 9 6 56 De opbouw van de stoel zal een ‘sandwich’ methode zijn. Dit betekent dat er meerder materialen in het onderdeel wordt gebruikt die tegen elkaar aan worden gelijmd met hars. In dit geval zal het glasvezel of carbon samen met aramide honinggraat zijn. Zoals in het theoretisch kader is besproken kan een sandwich constructie zeer sterk zijn doordat het koppel met een grotere arm wordt opgevangen. De materialen worden vergeleken op gewicht, sterkte, maakbaarheid, prijs en esthetische eigenschappen. Carbon komt hier als beste naar voren ondanks het betere gewicht en sterkte van prepreg. Carbon wint alsnog doordat prepreg duurder is dan carbon en vooral moeilijker te produceren is. Dit komt doordat je hier met zeer accurate mallen moet werken.

Materiaal Gewicht Sterkte Maakbaarheid Prijs Esthetisch Totaal Weging 2 4 2 1 0,5 Carbon 5 7 8 7 6 64 Carbon/aramide 8 9 7 5 8 75 Carbon/foam 9 8 5 5 8 69 Wanneer er een sandwich materiaal wordt gebruikt voorkom je het zogenaamde zwabberen van de carbon platen door wat dikte aan te brengen. Voor de sandwich wordt er gekozen voor aramide, dit is goed geschikt voor deze toepassing door zijn lichte en sterke eigenschappen. Aramide komt als beste uit de keuzematrix, foam is net lichter maar is minder sterk, ook is aramide beter te produceren omdat het goed buigbaar is, het foam breekt snel. Het zitgedeelte kan met daardoor met 1 stuk honinggraat worden bekleed.


31


P

H I D I P P I D E S

Het sandwich materiaal figuur 34 is 5mm dik bij 29kg/m3, het oppervlakte van het stuk is 1120mm x 610 wat ruim voldoende is.3

Figuur 34

Deze aramide honinggraat wordt op het carbon aangebracht met voldoende hars, hierdoor hecht het honingraad aan het carbon. Ook zal het honinggraat hars op kunnen nemen om de vezels te versterken. In figuur 35 is de stoel van de future state te zien, deze is qua vorm moeilijk realiseerbaar, hierom zullen de inkepingen worden verwijderd, dit zorgt ervoor dat de stoel een stuk stijver wordt tegenover een kleine hoeveelheid extra oppervlakte en dus gewicht.

Figuur 35

3

http://www.carbonwinkel.nl/nl/honeycomb/622-aramide-honingraat-15mm.html BEREND RUITENBURG – 0879387 – ATR4B

32


P

H I D I P P I D E S

Laadbak De laadbak hoeft niet sterk te zijn in tegenstelling tot de stoel, dit maakt de materiaal keuze anders, er moet puur worden gekeken naar gewicht. Er kan een keuze gemaakt worden tussen carbon en glasvezel. In de keuzematrix hieronder is te zien dat carbon als beste uit de vergelijking komt, ondanks de hogere prijs is dit een betere oplossing. Het maakt de laadbak sterker, lichter en het past beter bij de andere carbon onderdelen in de Quadriga II.

Materiaal Gewicht Sterkte Maakbaarheid Prijs Esthetisch Totaal Weging 3 1 2 1 1 Carbon 8 9 8 6 9 64 Prepreg 9 9 5 4 6 56 Glasvezel 7 7 8 9 6 59 Polyester 7 7 8 9 6 59 De materialen zijn vergeleken op gewicht, sterkte, maakbaarheid, prijs en esthetische eigenschappen. Met esthetisch worden de looks van het eindproduct bedoeld. De weging van de categorieën is gebaseerd op het pakket van eisen. Gewicht is de belangrijkste, maakbaarheid als tweede, de rest allemaal weging van 1.


33


P

H I D I P P I D E S

B. Realisatie Mal stoel De stoel had de hoogste prioriteit van de drie onderdelen dus hier werd mee begonnen. Het was ook het onderdeel wat verreweg de meeste tijd in beslag nam. Na het ontwerpen was het tijd voor het produceren van de mal van de stoel, de mal diende als mal voor het lamineren maar ook om proef in te zitten. Om proef te kunnen zitten was er voldoende stijfheid nodig om er in te kunnen gaan zitten. Daarom is besloten om een houten frame te maken waar de mal in gemaakt kon worden, het houten frame kon hierna met een materiaal worden bekleed om de definitieve vorm te bepalen. 4

Figuur 36

Figuur 37 Figuur 38

In figuur 36 is de bouwtekening van de mal te zien die volgens de vorm van het ontwerp van de stoel is aangehouden. Het houten frame is opgebouwd vanuit MDF hout, hier is voor gekozen omdat het makkelijk bewerkbaar en goedkoop is. Het gehele frame bestaat uit 7 delen, deze zijn met schroeven en houtlijm aan elkaar gezet om voldoende sterkte te realiseren. Vervolgens is het frame bekleed met geëxpandeerd polystyreen (piepschuim), hier is voor gekozen omdat het zeer makkelijk bewerkbaar is en toch grote drukkracht kan doorstaan. Het geheel was sterk genoeg om op te gaan zitten zonder dat het EPS permanent vervormde. De productie is in figuren 37 en 38 te zien. Ronde vormen waren praktisch niet realiseerbaar met het EPS zoals verwacht, door meerdere malen zitten en passen is er op deze uiteindelijke vorm uitgekomen. De stoel zoals in het ontwerp is nog goed zichtbaar. Het enige grote verschil is het opstaande deel onder de bovenbenen, zonder deel bleef je niet zitten, je schoof dan weg.

Figuur 39

Figuur 40

Figuur 41

In de bovenstaande 3 figuren (39-40-41) is de EPS mal in zijn definitieve vorm te zien, de EPS delen zitten aan elkaar met satéprikkers, dit maakte het één geheel. Om dit daadwerkelijk tot een mal te maken om mee te lamineren moest er nog het een en ander gebeuren. Het grote nadeel van EPS net als zeer veel makkelijk bewerkbare kunststoffen is dat het door veel oplost. Hier kwam Masterworks M2 in het spel.

4

Een vergrote afbeelding van de mal is in de bijlagen opgenomen. BEREND RUITENBURG – 0879387 – ATR4B

34


P

H I D I P P I D E S

Masterworks M2 is een tweecomponenten gips dat na uitharding harder is dan conventioneel gips. Hierdoor kan het beter worden bewerkt. Ook geeft dit het voordeel dat er bij het lamineren meer sterkte aanwezig is zodat er bij het verwijderen van de mal van het laminaat geen scheuren komen in de mal. Er werd 4 liter Masterworks aangebracht, dit werd daarna geschuurd om een vlak geheel te krijgen. Op het Masterworks werd vervolgens nog een laag hars gedaan om zo een glas geheel te maken. Deze hars was uitgedroogd glad genoeg om een laminaat vanaf te kunnen trekken.


35


P

H I D I P P I D E S

Laadbak Zoals is besproken moest de laadbak voldoen aan een aantal eisen, minimale binnen maat, een vloer en 4 zijkanten en deugdelijk bevestigd. De laadbak komt in het achter compartiment boven alle elektronica (accu, controllers enz). De laadbak werd eerder dan de stoel gelamineerd omdat het lamineren oefenen vergt. De laadbak was een uitstekende oefening. Vanuit 2 metalen platen is een mal gemaakt door gebruik te maken van de buigmachine in het ACC. Om de mal heen werd gelamineerd, de mal was aan alle kanten een millimeter groter dan de minimale binnenkant dimensies zodat de bagage er altijd in en uit kan. Voordat er gelamineerd kan worden moet de mal worden gewaxed, wax on/wax of. Het proces is als volgt; een doek met een klein beetje wax met een wrijvende beweging op de mal aanbrengen, er moet geprobeerd worden om zo min mogelijk wax te gebruiken om een mooie laag te creëren. Na 5 minuten kan de wax er af gehaald worden met een schone doek. Dit is 1 cyclus, het moet in totaal 3x worden gedaan voor een goed effect. Door dit proces bouw je een laag op de mal op die als een 2 laag op de mal ligt. Na het waxxen moet er nog een laag op, dit is de zogenaamde ‘lossing film’. Deze laag hecht zich een klein beetje op de wax en op het uiteindelijke laminaat. De lossing film maakt een vlies tussen het laminaat en de mal, het zorgt er dus voor dat de mal en het laminaat elkaar niet raken. Hiermee zorg je ervoor dat het laminaat zeer gemakkelijk van de mal af komt. In figuur 42 en 42 is het lamineren te zien, de bovenkant van wordt als eerste gelamineerd. Hierna worden de zijkanten gedaan.

Figuur 42


Figuur 43

36


P

H I D I P P I D E S

Lamineren stoel Het lamineren van de stoel was op zichzelf niet veel werk, alleen voordat je kunt gaan lamineren moet je veel voorbereidend werk doen. Het lamineren is maar een klein deel van het gehele proces. De mal zelf kostte al veel meer tijd dan het lamineren, alle carbon en aramide moet op maat geknipt worden, oppervlaktes gereinigd, hars aanmaken met juiste mengverhouding, mallen maken om druk uit te kunnen oefenen en ga zo maar door. In de onderstaande figuren is het proces te zien van de productie. Eerst werden er 2 lagen carbon gelegd. Hier overheen kwam de aramide, de honinggraat is minder buigzaam en vooral veel meer veerkrachtig, het blijft dus slecht op zijn plaats zitten wanneer het wordt gevormd. Om te zorgen dat de honingraad goed hechte op het carbon werd er een extra mal gemaakt die precies de vorm had van de stoel aan de binnenkant, deze mal is op figuur 44 te zien. De mal was opgebouwd uit EPS en sáteprikkers, om het EPS zat een vacuüm zak deze zat binnenstebuiten om de lossing film aan de goede kant te hebben. Wanneer het carbon is opgedroogd kan de honingraad worden geplaats, dit wordt gedaan door het carbon met hars in te smeren, de honinggraat erop te leggen en de mal met aandrukgewicht erop te plaatsen. De opgesmeerde hars wordt opgezogen door het aramide waardoor het zeer sterk wordt, ook zorgt de hars voor de binding tussen het carbon en de aramide. Het opgelegde gewicht van 20kg zorgt ervoor dat het aramide goed nauw aangedrukt wordt bij het harden.

Figuur 44

De honinggraat was na opdrogen zeer goed gelukt, het was zeer goed gehecht aan het carbon en de druk die het kon opvangen ging de verwachtingen te boven. Op figuur 45 is te zien hoe het honinggraat heeft gehecht, wel is te zien dat er op sommige plaatsten net teveel hars is gebruikt doordat het glimt.

Figuur 45


Figuur 46

37


P

H I D I P P I D E S

Ditzelfde proces was herhaald om de zijkanten van de stoel te voorzien van honingraad. Het aandrukken werd hier gerealiseerd door de stoel aan beide kanten van honingraad te voorzien en deze met gewicht op zijn zijkant te laten uitharden. Het uiteindelijke resultaat is in figuur 47 te zien. Over de aramide honinggraatsandwich kwamen nog 2 lagen carbon, deze werden op dezelfde manier gelegd als de eerste 2. Alleen werd er nu de aandrukmal gebruikt om er voor te zorgen dat de honinggraat goed met het carbon hechtte. De 2 lagen werden tegelijk gelegd, hierdoor werd er overbodige hars in de honinggraat en bovenste laag gedrukt om de binding te verbeteren.

Figuur 47


38


P

H I D I P P I D E S

C. Pakket van Eisen Werkwijze bij opstellen programma van eisen Bij het opstellen van het PVE is er als volgt te werk gegaan. Deze manier kan gezien worden als een vergiet, aan het begin heb je erg veel bewegingsvrijheid. Na het pakket van eisen heb je vastgesteld waar je uiteindelijke product binnen moet vallen. 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9.

Doorlezen opdracht. Doordenken opdracht. Mindmap opstellen onderwerp. Scope maken onderwerp. Functionele decompositie scope onderdelen. Eisen bedenken onderdelen functionele decompositie. PVE opstellen. Prioriteiten binnen de eisen, D0-D1-D2. Prioriteiten definiëren.

Het programma van eisen Mindmap Om te weten te komen wat er allemaal te maken heeft met dit onderwerp is er een mindmap gemaakt om alle deelonderwerpen duidelijk te maken. In het midden van de mindmap is de naam stoel Quadriga geplaats maar deze mindmap is ook geldig voor de laadbak.

Figuur 48


39


P

H I D I P P I D E S

Scope Uit de mindmap is de volgende scope gekomen, hierin staan de onderwerpen die bruikbaar zijn bij dit project.

Figuur 49

Functionele decompositie Hieronder in de tabel is te zien welke functie elk onderdeel heeft.

Onderdeel

Functie

Stoel

Persoon in kunnen laten zitten, voldoende sterkte, 300N op bovenste punt aankunnen.

Materiaal stoel Ergonomische vorm stoel Padding stoel

Sterkte geven aan het ontwerp, stoel < 1,2kg. Coureur moet 30 minuten comfortabel kunnen zitten. Contact punten van stoel en lichaam coureur ondersteunen om vermoeidheid spieren te minimaliseren. Esthetisch ogen stoel. Stoel in de lengterichting kunnen verstellen en borgen. Stoel kunnen veilig kunnen borgen met de omstandigheden in de race. Onderdelen huisvesten Vormen onderdeel, geheel lichtgewicht houden, laadbak < 1kg.

Verf stoel Railsysteem Materiaal railsysteem Laadbak Materiaal laadbak


40


P

H I D I P P I D E S

Eisen Vanuit de functionele decompositie kan er een pakket van eisen worden opgesteld omdat nu bekend is wat er van elk onderdeel wordt verwacht. Deze eisen zijn opgesteld per onderdeel om het overzichtelijk te houden. De eisen lopen van hoge prioriteit naar lage prioriteit. De stoel moet voor de coureur groot genoeg zijn zodat deze goed kan zitten, sterk (300N op bovenste punt, in het voertuig passen, lichtgewicht, netjes afgewerkt, esthetisch mooi zijn. De laatste is geen eis, alleen als er nog voldoende tijd is kan hieraan worden gewerkt. Het verstelsysteem moet de stoel in de lengte richting kunnen verstellen, sterk genoeg, in een positie deugdelijk kunnen borgen en lichtgewicht zijn. De laadbak moet alle componenten kunnen huisvesten, lichtgewicht zijn.


41


P

H I D I P P I D E S

D. Persoonlijk plan van aanpak Inleiding Het streven van team Phidippides is het zo zuinig rijden van hun voertuigen in de Shell Eco Marathon. Zuinig rijden kan door de rendementen van de aandrijflijn zo hoog mogelijk te houden en door de weerstanden te verlagen. Zo is de rolweerstand van beide voertuigen een zeer grote weerstand. Door het voertuig zo licht mogelijk te houden kan een zo laag mogelijk verbruik worden gerealiseerd. De huidige stoel van de Quadriga is zwaarder dan nodig en voldoet niet aan de toen der tijd gestelde eisen. Door deze opnieuw te maken uit betere materialen en met betere technieken valt hier veel winst te behalen qua gewicht.

Achtergronden Om het Shell Eco Marathon 2014/2015 project goed te laten verlopen wordt er een plan van aanpak opgesteld. De opdracht gever binnen dit project zijn N. Groningen, B. Boukhari, R. Hogt. Dit allemaal voor de Hogeschool Rotterdam. Ewoud van Elderen neemt de rol van project leider op zich, waar Crystal Lo Tam Loi de rol van de 3e jaars verantwoordelijk op haar neemt.

Project resultaat Het hele SEM project heeft als doel om zo zuinig mogelijk te rijden in een bepaalde voertuig klasse. Er zal worden gereden in de urban vehicle (Quadriga) en de concept (Triga) categorie. De voertuigen moeten een parcours afleggen, het is de bedoeling dat de Triga en de Quadriga dit met de minste hoeveelheid energie doen van alle waarbij de Triga 1:3500 en de Quadriga 1:1000 wil realiseren. Het doel van het onderdeel body is het verbeteren/aanpassen/vernieuwen van de carrosserie en beplating. Hier horen ook dingen als stoelen en laadbakken bij. Door deze onderdelen zo licht mogelijk te maken zal het verbruik van de wagen omlaag gaan.


42


P

H I D I P P I D E S

Projectactiviteiten In het komende semester zal vooral gewerkt worden aan de body van de Quadriga, deze moet zo licht mogelijk zijn. Het doel van de Quadriga is natuurlijk een zo laag mogelijk verbruik, hoe lichter het voertuig hoe lager de weerstand en dus verbruik. Daarnaast moet hij sterk genoeg zijn voor zijn functie. Uit de taakomschrijving kan de hoofdvraag worden opgebouwd; “Hoe kan een onderdeel zo licht mogelijk uit composieten worden vervaardigd en blijvend aan de eisen voldoen?” De hoofdvraag kan worden opgedeeld in deelvragen om het onderzoeken te vergemakkelijken. -

Welke eigenschappen hebben composieten, en welke waar het beste toepassen? Wat is de beste manier om een onderdeel uit composieten te vervaardigen? Wat zijn de voordelen van composieten, wat zijn de nadelen ten opzichte van andere materialen?

Door het beantwoorden van de hoofd en deelvragen kunnen de onderdelen worden gebouwd met een zo goed mogelijk resultaat. Producten Alle onderdelen zullen voor de quadriga worden gemaakt. Stoel De huidige stoel is te klein en vooral te smal om een persoon normaal te laten zitten door de opstaande randen. Hier zal dus een nieuwe voor moeten worden gefabriceerd.   

Gefabriceerd uit een carbon – aramide honinggraat sandwich. Er moet een persoon van 1.70 in kunnen zitten. Waar de helm van de bestuurder nog 5 cm over heeft tot het dak. 5 Stoel zo ontwerpen dat er niet overbodig gewicht aan carbon en aramide wordt toegepast maar wel aan de sterkte eisen blijft voldoen.

Verstelbare mechaniek Om personen van verschillende lengtes gemakkelijk in te laten stappen en te laten gaan zitten moet de stoel verschuifbaar zijn.   

De stoel moet in de lengterichting verstelbaar zijn. Deugdelijk rail systeem met een inklemmingsmechaniek. Gefabriceerd uit carbon.

Laadbak De huidige laadbak is van aluminium, ondanks dat dit een van de lichtere metalen is kan dit het gewicht van 1.5kg worden verbeterd door het onderdeel van carbon te maken.  

5

Minimale inhoud laadbak van 500 x 400 x 200 mm L x H x B. Gefabriceerd uit carbon.

SEM Official Rules, article 28a. BEREND RUITENBURG – 0879387 – ATR4B

43


P

H I D I P P I D E S

Stappenplan Om niets over het hoofd te zien moet er een stappenplan worden opgesteld. Inlezen Om te beginnen moet alle details over de body van de Quadriga bekend worden, hierdoor hoeft er geen onnodig dubbel werk gedaan te worden. Dit zal vanuit de oudere eindverslagen gedaan worden en het vragen aan medestudenten. Dit zal plaatsvinden in de onderzoeksfase. Onderzoeken Het verzamelen van informatie om de deel en hoofdvragen te kunnen beantwoorden. Met deze informatie wordt bekent hoe de onderdelen gemaakt moeten worden. Dit zal plaatvinden in de onderzoeksfase. 1. 2. 3. 4.

Onderzoeken theoretisch kader Opstellen current state Opstellen future state Opstellen advies, dit is de brug van current state naar future state.

Ontwerpen Het ontwerpen van de onderdelen in CAD om de vorm te definiëren. Het ontwerpen zal in de Autodesk Inventor 2015 worden gedaan. Hierdoor kunnen fouten en de bemating vroegtijdig worden gevonden door dit in de complete assemblage te plaatsen. Dit zal plaatsvinden in de ontwerpfase. 1. 2. 3. 4. 5. 6.

Maken ontwerp stoel. Maken ontwerp laadbak. Maken ontwerp verstelmechaniek. Maken ontwerp mal voor produceren stoel. Maken ontwerp mal voor produceren laadbak. Bestellen onderdelen benodigd voor de productie.

Produceren De meeste tijd zal gaan zitten in het produceren van de onderdelen, deze zullen volgens checklists moeten worden vervaardigd. Alle informatie voor het produceren is in de vorige fases onderzocht. Dit zal worden gedaan in de productiefase. 1. 2. 3. 4. 5.

Maken mal stoel. Fabriceren stoel in meerdere lagen. Maken mal laadbak. Fabriceren laadbak. Fabriceren verstelmechanisme.

Alle fases zijn in de planning opgenomen. Kwaliteit Om de kwaliteit te waarborgen van de op te leveren producten moet er duidelijk zijn wat de opdracht gever onder ‘kwaliteit’ verstaat. Dit kan behoorlijk verschillen per persoon. Verslagen -

Alle verslagen moeten middels een correct format worden opgesteld om deze overzichtelijk en gelijk aan andere verslagen te maken.


44

Eindrapportage PRO04 -

P

H I D I P P I D E S

Alle informatie die wordt gevonden moet worden gecheckt bij andere bronnen of deze informatie correct is. Spellingsfouten moeten worden nagekeken. Bronvermelding volgens de APA. Gecontroleerd door de eindverantwoordelijke.

Body onderdelen -

Alle handelingen die aan het produceren van de onderdelen aan te pas komen moeten correct zijn, deze moeten in het vooronderzoek als correct naar voren zijn gekomen. Als er informatie te kort is of twijfelachtig zal dit moeten geverifieerd alvorens verder te gaan met produceren. De bouwtekeningen zullen moeten worden gecontroleerd door een externe persoon.


45


P

H I D I P P I D E S

Projectorganisatie Projectleider Ewoud van Elderen – 0867756 – ATR6 0636171417 [email protected] 3e jaars verantwoordelijke Crystal Lo Tam Loi – 0845877 – ATR6 0625131276 [email protected] Projectlid Berend Ruitenburg – 0879387 – ATR4B 0637430943 [email protected] / [email protected]

Planning Totaal planning van semester Activiteit Onderzoeksfase Onderzoek naar hoofdvraag Ontwerpen onderdelen Productiefase Stoel produceren Verstelmechaniek produceren Laadbak produceren Test fase Verslaglegging fase

Start 9-2-15 23-2-15 2-3-15 9-3-15 9-3-15 23-3-15 6-4-15 13-4-15 25-5-15

Deadline 6-3-15 6-3-15 13-3-15 10-4-15 20-3-15 3-4-15 10-4-15 15-5-15 26-6-15

Weekplanning De weekplanning zoals hieronder is weergeven, naast deze uren zal er nog gewerkt worden. Maar doordat dit variabel is kan dit niet worden weergeven in de grafiek. Dag Maandag Dinsdag Woensdag Donderdag Vrijdag Zaterdag

Aanwezigheid

X X

Activiteit Les Les PRO04 PRO04 Vrije PRO04 uren Weekend


Uren werkzaam

08:30 – 12:10 3 10:30 – 13:00

46


P

H I D I P P I D E S

Kosten en baten Kosten -

-

Geld verkregen van Shell, Hogeschool Rotterdam en sponsoren. Mensuren projectleden, leraren en opdrachtgevers. Materialen voor fabriceren.  Composiet materiaal  Gips/purschuim  Handschoenen Gereedschappen en energie om deze te laten werken.  Verscheiden gereedschappen  Kwasten  Roller

Baten -

Een ultra zuinig voertuig dat een voorbeeld kan zijn voor de automotive van de toekomst. Kennis en ervaring opgedaan met een groot en hoog gemotiveerd project. Het vervullen van leerdoelen. Voldoening bij een mooi eindproduct.

Leerdoelen Naast het opleveren van een mooi eindproduct is het natuurlijk ook de bedoeling dat de er ervaring wordt opgedaan en dat er wat geleerd wordt. -

Leren meer mijn mening te geven over zaken, mij niet laten remmen in mijn communicatieve middelen. Je sterke en minder goede kanten van jezelf herkennen zodat anderen je hierbij kunnen helpen en jij hun. Een project leren correct, stapsgewijs en grondig uit te voeren. Het leren een probleemstelling efficiënt analytisch en grondig op te lossen d.m.v. methodisch te werk gaan aan de hand van de CVO leerlijn.


47


P

H I D I P P I D E S

E. Afbeeldingen Mal stoel

Figuur 50

Dropbox link naar Inventor bestanden en renders: https://www.dropbox.com/sh/9zlvaiowi6i686f/AAAOcGxxg6F56e3B_DNjbTeka?dl=0


48

EINDRAPPORTAGE. Het maken van een vernieuwde stoel PRO04

Recommend Documents