Vormloze motorsportvleugelconstructie

Downforce producerende vleugels zijn een essentieel onderdeel van veel motorsportvoertuigen. Deze video demonstreert hoe je een effectieve aero-achtervleugel maakt met behulp van een eenvoudige constructiemethode zonder mal.

High-end motorsport zoals F1 en in massa geproduceerde vleugels zullen over het algemeen nog steeds gebruik maken van een gegoten constructiemethode, dus deze vormloze techniek is ideaal voor motorsport op clubniveau, Time Attack, Formula Student en andere vergelijkbare motorsportdisciplines waar een lichte maar sterke methode voor het maken van een eenmalige vleugel of een vleugel met een laag volume de voorkeur heeft.

Hoewel het schuimkernmateriaal en de inzetstukken die tijdens deze video zijn gemaakt, zijn gesneden met CNC-machines, kunnen ze ook gemakkelijk zonder CNC-apparatuur worden gesneden, waardoor deze methode van vleugelbouw toegankelijk blijft.

De volgende belangrijke gebieden worden in deze instructievideo behandeld:

• Hoe de vleugelkern profileren met een hetedraadfrees.
• Geschikte harde punten en invoegingen maken.
• Hoe de koolstofvezel op de kern te lamineren en vacuüm te zamelen met Mylar.
• Hoe lichtgewicht eindplaten maken met Nomex-honingraat.

XPS polystyreenschuim - Om in vorm te snijden voor de vleugelkern. Gekozen vanwege de gladde afwerking, het lichte gewicht en de mogelijkheid om met een hete draad te snijden.

Heetdraadsnijder - Om de vleugelprofielen in de gewenste vorm te snijden. Dit kan met een eenvoudige handboogdraadsnijder of een meer geavanceerde meerassige CNC-draadsnijder.

Aluminium plaat of profiel - Voor het vervaardigen van inzetstukken en harde punten. Aluminium wordt gebruikt vanwege de goede allround sterkte, het gemak van machinale bewerking en het relatieve gewicht in vergelijking met andere metalen.

Afplakband - Helpt de randen van Spread Tow stof te binden zodat ze niet uit elkaar vallen.

88g Spread Tow Koolstofvezelstof - Produceert een gladde en hoogwaardige cosmetische afwerking als oppervlaktelaagstof op de vleugel.

Papierrol - Om de eerste laag wapening te scheiden wanneer deze wordt opgerold voor gebruik.

Mylar Release Film - Deze film is essentieel voor het gladde oppervlak van de vleugel en met zijn dikte, flexibele eigenschappen en gemakkelijke loslaten is hij ideaal om rond de vleugel te wikkelen tijdens de productie.

Vacuümdrukregelaar - Verlaagt het vacuümniveau tot de 20% die nodig is bij het produceren van de vleugeleindplaten.

Spread Tow High Strength Sheet - Gemakkelijk te gebruiken en te snijden voorraadplaat om de huiden voor eindplaten te maken.

Nomex Honingraat 5mm - Lichtgewicht en sterke structurele kern voor het maken van de eindplaten.

Het kernmateriaal dat gebruikt wordt voor deze vleugel is XPS of geëxtrudeerd polystyreen dat een gladde afwerking heeft wanneer het gesneden wordt in plaats van polystyreen met kralen. Het heeft ook betere mechanische prestaties.

Hoewel het XPS met de hand kan worden gesneden, is het niveau van nauwkeurigheid vrij laag. De meest efficiënte manier is om een handgebogen draadsnijder te gebruiken, die nauwkeurige vleugelprofielen geeft. In dit geval gebruiken we een 4-assige CNC hogedraadfrees die we al hadden. Hoewel we voor deze profielen alleen de 2-assige functie gebruiken.

Een belangrijk punt bij een draadsnijder is om niet te snel te knippen. Als je te snel knipt, zal de draad slepen en dit kan het knipprofiel vervormen. De snelheid moet zo worden ingesteld dat het schuim net voor de draad smelt en de draad het schuim niet raakt. Als ruwe richtlijn werden deze profielen gesneden met een snelheid van 200 mm per minuut. Eenmaal gesneden kunnen de profielen uit het schuimblok worden gehaald, klaar om de vleugel te maken.

Om de vleugel te bevestigen is het essentieel om inserts of harde punten te hebben voor de bevestigingen, omdat het composiet en schuim de belasting niet voldoende zouden opnemen. Om deze te maken is 8mm aluminium plaat CNC bewerkt, hoewel het ook met de meest gangbare gereedschapsmachines gesneden zou kunnen worden als er geen CNC beschikbaar was en zelfs in MDF gemaakt voor eenvoudige toepassingen.

De gesneden inzetstukken worden geschuurd en vervolgens gereinigd met aceton om ze te ontvetten voordat ze met Permabond ET500 Adhesive op de schuimkuur worden gelijmd. Hiermee worden de schuimdelen aan elkaar gelijmd. Zorg ervoor dat er geen kieren of richels zijn, want die kunnen op het vleugeloppervlak drukken. In dit stadium kunnen eventuele kieren gemakkelijk worden opgevuld met de lijm.

Mylar folie is de sleutel tot dit proces. Het kleeft niet en heeft in de hier gebruikte dikte van 125 micron de juiste balans tussen flexibiliteit en oppervlakteafwerking voor de vleugeltoepassing. De Mylar moet nauwkeurig op lengte worden afgemeten ten opzichte van de kern. De reden hiervoor zal duidelijker worden als de vleugel wordt gefabriceerd. In de andere richting wordt het Mylar 50 mm overmaats gesneden om een overlap aan de achterrand te geven.

Een vacuümzak wordt gebruikt om de vleugel te verstevigen en samen te drukken terwijl hij uithardt. De zak moet in dit stadium van tevoren worden voorbereid, waarbij één kant open moet blijven voor het plaatsen van de vleugel. De andere zijden kunnen worden afgedicht met gomtape en de doorvoerconnector kan vooraf worden geïnstalleerd.

De wapening wordt nu voorbereid door deze in vorm te snijden, klaar voor gebruik. De cosmetische laag aan het oppervlak is onze 88g Spread Tow koolstofvezel die een zeer vlakke afwerking heeft en er cosmetisch prachtig uitziet. Spread Tow stoffen zijn echter erg kwetsbaar als ze eenmaal gesneden zijn en rafelen gemakkelijk als je ze vastpakt. Om dit probleem te voorkomen, is op alle snijlijnen afplaktape aangebracht om de stof bij elkaar te houden. De stof is in beide richtingen ongeveer 20 mm te groot. De rest van de versteviging bestaat uit 3 lagen van het 210 g keper geweven koolstofvezeldoek.

Om de Spread Tow-vezel nog meer te stabiliseren, wordt de stof ingespoten met Fusion Fix kleefspray en wordt één laag van de backingstof voorzichtig over de Spread Tow gerold om deze te stabiliseren. Er wordt een kunststof rol met lamellen gebruikt om ervoor te zorgen dat de twee lagen goed op elkaar aansluiten. De stof kan vervolgens worden opgerold met een papieren scheider, klaar voor gebruik.

Voor dit project is de ideale hars de EL2 Epoxy Lamineerhars. Het heeft de juiste balans tussen een gemiddelde viscositeit en goede mechanische prestaties voor dit proces. Om de juiste hoeveelheid hars te bepalen, weeg je eerst de totale hoeveelheid weefselwapening af die voorgeknipt is.

Vanwege de hars die nodig is voor de Mylar film en het feit dat overtollige hars eruit wordt geperst, wordt er meer hars gebruikt dan gebruikelijk is bij een nat legproces. Neem de hierboven gemeten hoeveelheid en verdubbel deze, zodat er twee keer zoveel hars wordt gebruikt als het gewicht van de vezel.

Zoals bij alle composieten is het belangrijk om de hars zorgvuldig af te wegen volgens de mengverhouding op de flessen en vervolgens grondig te mengen voor gebruik. Het wordt aanbevolen om enkele minuten te mengen in één emmer, voordat je het in een tweede schone emmer giet en opnieuw mengt.

In dit stadium wordt ongeveer een derde van de hars op de Mylar film gegoten en in een gelijkmatige laag uitgesmeerd. De eerste laag wapening wordt dan voorzichtig op de hars gelegd en de plastic vinnenroller wordt over het oppervlak gebruikt. Door op deze manier heen en weer te bewegen met de plastic vinnenroller wordt de hars nat gemaakt door de vezels en baant het zich een weg door de wapening. Dit resulteert in een beter geconsolideerd materiaal en minder ingesloten lucht dan wanneer je van achteren werkt.

Zodra het oppervlak volledig is omgewalst, kan er meer hars worden aangebracht en kan het proces worden herhaald voor de resterende versterkingslagen. Het is belangrijk dat de harslaag gelijkmatig over het hele oppervlak wordt verspreid. De laatste laag moet er na volledig omrollen vrij nat uitzien. Deze overtollige hars helpt bij het aanbrengen van de kern op de wapening, waardoor deze en de Mylar kunnen glijden en bewegen als dat nodig is. Hoewel rollers ideaal zijn voor dit proces, kunnen spreiders of een kwast voorzichtig worden gebruikt om hetzelfde effect te bereiken.

Nu de wapening volledig is bevochtigd, kan de kern voorzichtig op de wapening worden geplaatst. De Mylar-folie wordt dan om de kern gewikkeld en de positie van de kern kan worden aangepast om deze mooi in het midden te krijgen. Het is normaal dat de Mylar en de stof in dit stadium vrij los tegen de kern aanliggen. De Mylar wordt dan afgeveegd om overtollige hars te verwijderen en de vleugel wordt in de vacuümzak geplaatst.

De vleugel wordt nu voorzichtig in de voorgemaakte vacuümzak geplaatst. De vleugel moet zo worden geplaatst dat de vleugelvoorrand tegen de vouw in de vacuümzak wordt gedrukt. De folie kan dan worden strakgetrokken en langs het vleugeloppervlak worden gladgestreken om overtollige folie en vouwen te verwijderen.

Vervolgens wordt een strook zwaargewicht breather over de achterrand van de vleugel geplaatst en kan de gomtape worden geseald. Het vacuüm kan nu op de zak worden getrokken.

Het is belangrijk om geleidelijk aan het vacuüm te trekken en regelmatig te stoppen om plooien uit de Mylar film te verwijderen en overtollige hars te verwijderen door voorzichtig over de oppervlakken van de vleugel te wrijven. Een ideaal hulpmiddel om als zuigmond te dienen is een stuk van het schuim met wat ademend doek over de rand.

Zodra de overtollige hars is verwijderd en de Mylar vlak en kreukvrij zit, kan het volledige vacuüm worden toegepast en kan de zak uitharden. De zak moet zo worden gelegd dat de achterrand recht uit het profiel komt.

Het tweede element wordt op precies dezelfde manier geproduceerd als het eerste. Deze lay-up is geoptimaliseerd voor eenvoud en kan op veel manieren worden verbeterd. De eerste methode zou zijn om liggers in de kern van de vleugel op te nemen. Dit betekent dat de huid dunner kan zijn, waardoor het gewicht afneemt. Een eenvoudige methode is om het schuim verticaal door te snijden en er een voorgemaakt stuk koolstofplaat in te plakken. Het kan verder worden verbeterd door het gebruik van eindkappen en ribben.

De lay-up zelf kan nog verder worden verbeterd. Een eenvoudige layup van 0 en 90 graden is niet de meest efficiënte layup en kan worden verbeterd met een meer zorgvuldige laminaatoriëntatie en layup.

Aangezien de eindplaten de belasting van de vleugel naar het chassis overbrengen, moeten ze zeer sterk worden geconstrueerd. Voor dergelijke toepassingen is een sandwichpaneelconstructie ideaal. In dit voorbeeld worden 2 lagen van een 1 mm Spread Tow koolstofvezelplaat aan weerszijden van een 5 mm Nomex honingraatkernmateriaal geklemd.

De koolstofplaat wordt in vorm gesneden met onze CNC-router, hoewel dit ook met de hand kan als deze niet beschikbaar is. Het carbon snijdt heel zuiver zonder dat verdere afwerking nodig is. Als snijgereedschap wordt een hardmetalen stiftfrees van 1,6 mm gebruikt, die de koolstofplaat snel en gemakkelijk snijdt. Er moet gebruik worden gemaakt van volledige stofafzuiging om het gevaar van stof in de lucht te beperken.

In dit stadium moeten de inzetstukken worden gemaakt. Overal waar bevestigingen door de eindplaat gaan, zijn er hoge drukbelastingen die de kern kunnen verbrijzelen en beschadigen. De inzetstukken, meestal gemaakt van aluminium, spreiden de belasting en voorkomen dat de kern verbrijzelt. Deze inzetstukken zijn machinaal uit aluminium vervaardigd en CNC-gesneden. Voor eenvoudige toepassingen kunnen ze zelfs van MDF worden gemaakt.

Het hechtoppervlak van de inzetstukken wordt met schuurpapier geslepen en de inzetstukken worden gereinigd en ontvet. Daarna kunnen ze op hun plaats worden gelijmd op de koolstofplaat met de VM100 zwarte lijm. De peel ply textuur aan de achterkant van de koolstofplaat is ideaal om op te kleven en behoeft dus geen verdere voorbereiding.

Wanneer aluminium direct op koolstofvezel wordt verlijmd, is het belangrijk om te overwegen of galvanische corrosie een probleem kan zijn voor de specifieke toepassing. In dit geval gaat het om een droog opgeslagen raceauto en is er dus geen probleem, zodat er geen actie hoeft te worden ondernomen. Maar voor sommige andere toepassingen, zoals marine of luchtvaart, is het belangrijk om het aluminium te isoleren van het koolstof. Dit gaat het gemakkelijkst door er een dunne laag glasvezel tussen te lamineren.

De Nomex honingraat kan nu voorzichtig in vorm worden gesneden met een scalpel. De rand van de Nomex wordt iets korter gesneden dan de rand van de eindplaat, zodat er een kleine opening ontstaat die kan worden opgevuld voor het afdichten van de paneelrand. Het snijden rond de inzetstukken is ook een gemakkelijke taak met de mogelijkheid om de honingraat zijwaarts licht te vervormen om een strakke pasvorm tegen de inzetstukken te krijgen.

In dit stadium zijn de eindplaatcomponenten klaar om aan elkaar te worden gelijmd tot het uiteindelijke afgewerkte onderdeel. Hiervoor wordt de ER1 Epoxy Rapid Repair hars gebruikt als lijm. Dit vanwege zijn goede mechanische prestaties en relatief snelle uithardingstijd. Om het geschikt te maken voor gebruik is het nodig om het harssysteem in te dikken tot een hechtende consistentie met behulp van thixotroop poeder van pyrogeen kiezelzuur.

De hars wordt zoals gewoonlijk afgemeten en dan wordt de pyrogene silica geleidelijk aan de hars toegevoegd om het in te dikken. Het doel is om het in te dikken tot de consistentie van een typische gelcoat. Zodra dit is bereikt, kan de verharder worden toegevoegd en de hars grondig worden gemengd voor gebruik.

De hars wordt dan gelijkmatig verdeeld over beide koolstofplaten in een hoeveelheid van ongeveer 500 g per vierkante meter. Een spreider met inkepingen werkt hier goed voor of zelfs een kwast op kleinere stukken zoals deze. De Nomex-honingraat wordt dan op het carbon geplaatst en in beide richtingen opzij geschoven. Hierdoor kan de hars een fillet vormen op de zijwanden van het honingraatpapier om het hechtoppervlak aanzienlijk te vergroten.

In dit stadium worden de eindplaten vacuüm gezogen om een gelijkmatige kracht op het paneel uit te oefenen. Er wordt een MDF-spreider gebruikt om ervoor te zorgen dat de randen van het paneel niet vervormen waar er een opening in de honingraat zit. Het is belangrijk om in dit geval slechts een gedeeltelijk vacuüm te gebruiken via een vacuümregelaar. Als er volledig vacuüm wordt gebruikt, kan dit problemen veroorzaken doordat alle hars uit de rand van de panelen wordt geperst en kan de lijm overmatig gaan borrelen of schuimen als de lucht naar buiten komt. Daarom is slechts ongeveer 20% vacuüm nodig. Met behulp van een vacuümregelaar kan dit gemakkelijk op het ideale niveau worden ingesteld. De eindplaten kunnen dan 6 uur onder vacuüm uitharden voordat ze uit de zak worden gehaald.

Nu de eindplaten uitgehard zijn, kunnen ze uit de zakjes gehaald worden. Om de rand te verzegelen, knijp je VM100 Black lijm in de rand. De snelle uithardingstijd, hoge viscositeit en het schuurgemak maken het ideaal voor deze toepassing.

Nadat de rand is gevuld, kan deze worden geëgaliseerd met behulp van een vlakke rand van een spreider en vervolgens laten uitharden. Na uitharding kunnen de randen glad worden geschuurd om ze af te werken. Door te schuren tot korrel 800 krijg je een mooie egale en nette afwerking van de rand.

In dit stadium moeten de vleugelelementen volledig uitgehard zijn en kunnen ze uit de vacuümzak worden gehaald. De lossende eigenschappen van de Mylar komen hier goed tot uiting omdat het gemakkelijk van het vleugeloppervlak afbladdert en de gladde glanzende afwerking van de vleugel blootlegt.

De randen en uiteinden van de vleugel kunnen nu worden opgeruimd, klaar voor montage, en eventuele gaten kunnen worden getapt om schroefdraad toe te voegen. De blauwe folie kan van de eindplaten worden verwijderd en eventuele stickers en decals kunnen worden aangebracht. De vleugelelementen worden dan eenvoudig in elkaar geschroefd tot de afgewerkte vleugel met dubbele elementen.

Nu kun je de afgewerkte vleugel zien en de kwaliteit straalt er vanaf. Door het gebruik van een lichte schuimkern en koolstofvezel is het totale gewicht van deze vleugel slechts 3,5 kg en hij is meer dan sterk genoeg voor de hoeveelheid downforce die hij kan produceren. We hebben een video gemaakt waarin we aan de hand van destructieve tests laten zien hoe sterk deze vleugel is!

De eindplaten hebben een hoge productiekwaliteit en vooral de VM100 laat een mooie rand achter. Het Mylar laat een zeer hoogglanzende afwerking achter op de vleugelelementen. Het belangrijkste compromis van deze manier van vleugelconstructie is de vlakheid van het oppervlak dat bereikt kan worden met de Mylar folie. Er is altijd een element van rimpeling in het vleugeloppervlak, hoewel dit geen invloed heeft op de werkelijke prestaties van de vleugel. Ook zal deze methode leiden tot een iets zwaardere vleugel door de grotere hoeveelheid hars die gebruikt wordt. Per saldo is het echter nog steeds een zeer goede methode om een eenmalige vleugel of een vleugel met een laag volume te maken.