Depois de muitos meses a desenvolver o software do sistema autónomo e de o testar tanto em simulação como com dados gravados dos sensores, estávamos ansiosos por ver o seu comportamento no carro. Queríamos ver o nosso software em ação! Contudo, antes de qualquer tipo de teste dinâmico, o FST 10d passou por uma extensa fase de testes em cavaletes. 

Naturalmente, um conjunto de várias variáveis influenciou o início deste processo: o desenvolvimento da electrónica do carro, a manutenção do sistema de propulsão e a integração mecânica do atuador de direcção. Este último foi o maior desafio.

Contudo, antes sequer de termos o atuador da direção concluído, pudemos começar a testar parte do nosso software no carro, tentando controlar o sistema de propulsão. Com o computador do carro a correr uma simulação, pudemos ver ambas as rodas traseiras a responder aos comandos do software e validar o seu comportamento face à simulação.

Tendo finalmente adquirido o atuador da direcção – atrasado devido à pandemia – surgiu então o desafio de o integrar no veículo. Do lado de hardware, alguns aspetos de design e planeamento da integração mecânica tiveram de ser revistos; do lado de software, era necessário conseguir estabelecer a comunicação entre o nosso software e o atuador, bem como explorar a forma mais adequada de o controlar.

Após recolhermos algumas ideias, conseguimos fazer alguns avanços e iniciámos os testes em bancada do atuador da direcção. Com a unidade fora do carro, conseguimos controlá-la via CAN, e pouco tempo depois, utilizamos o mesmo procedimento de testes como para o sistema de propulsão: executar uma simulação e validar as respostas do atuador da direção.

Com estes testes individuais concluídos e tendo finalmente integrado o atuador de direcção no carro, os testes finais aproximavam-se: controlar tanto o sistema de propulsão como a direcção simultaneamente através do nosso software autónomo.

Após meses de preparação, estávamos prontos. Seguindo o mesmo procedimento, o software autónomo processou os inputs de uma simulação e computou os outputs da direcção e do acelerador, que estavam então a ser retransmitidos para o atuador da direcção e para o sistema de propulsão, resultando em ambos os sistemas responderem simultaneamente.

Este tipo de testes permitiu-nos validar uma grande parte do nosso software autónomo. Serviu para mostrar que estávamos num bom caminho e que em breve os testes dinâmicos poderiam começar.

Contudo, ainda faltava um terceiro sistema – o sistema de travagem de emergência (EBS). Este sistema foi concebido e desenvolvido com a ajuda do nosso departamento de Chassis e, logo que ficou pronto, começaram os testes de bancada deste sistema. Sendo um sistema pneumático, era necessário um fornecimento de ar pressurizado. No início, utilizámos uma linha de ar comprimido disponível na nossa oficina para testar o sistema, mas esta foi rapidamente substituída por uma pequena botija de ar pressurizado, que seria posteriormente utilizada no carro. Ao longo dos testes, foram feitas algumas iterações e modificações ao sistema, bem como à sua posição no carro. Tendo sido inicialmente pensado ser instalado no lado esquerdo do veículo, foi posteriormente deslocado para o lado direito, onde havia mais espaço disponível para a tubagem e válvulas necessárias. Uma vez que este sistema estava completamente operacional e extensivamente testado, era altura de retirar o carro da oficina, e iniciar a época de testes dinâmicos.

O FST 10d é uma adaptação do último protótipo da equipa, o FST 09e, para um veículo autónomo. Isto significa que vários componentes tiveram de ser integrados no design original, o que apresentou muitas dificuldades, uma vez que a implementação destes componentes não foi considerada aquando do design do FST 09e. 

Os objectivos do primeiro veículo driverless da equipa centraram-se na fiabilidade, acessibilidade e facilidade de manufatura, e a integração destes sistemas foi directamente influenciada por estes mesmos objectivos.

O núcleo do sistema autónomo é a unidade de processamento que controla o automóvel. É um componente grande e pesado e o seu posicionamento pode alterar o equilíbrio do peso do veículo de forma bastante dramática. A sua integração exigiu alguma consideração em relação ao sistema de arrefecimento, uma vez que a unidade utilizada depende de um conjunto de alhetas dispostas de modo a arrefecer passivamente os componentes do PC.  A localização dos sensores foi também um factor, uma vez que cabos mais longos podem criar perda de sinal ou captar mais ruído a partir do chassis já repleto de electrónica. Foram considerados vários locais para o PC e foi definido um compromisso entre acessibilidade, desempenho de arrefecimento e equilíbrio do veículo, o que resultou na instalação da unidade de processamento nos sidepods. Esta mostrou-se ser uma boa solução que garante  uma boa estanquicidade à água e também minimiza o deslocamento do centro de gravidade. Para fixar o PC ao monocoque, foi concebido um conjunto de dois suportes, com optimização de topologia a fim de minimizar o peso quando aliado a uma liga de alumínio de grau aeroespacial. Estas peças foram fabricadas utilizando o corte por jacto de água, uma técnica muito comum e acessível. 

A comunicação de emergência com o sistema autónomo é feita através do RES (Remote Emergency System). Neste sistema, a informação enviada pela equipa é recebida pela antena que posteriormente ativa o sistema de emergência. A colocação desta antena teve de ser feita de modo maximizar a recepção de sinal, pelo que foi escolhido um ponto alto no Main Hoop, oferecendo tanto alcance como protecção para o equipamento. Uma vez que a antena não é um componente pesado, foi concebido um suporte simples em PETG.

Uma integração cuidadosa dos sensores é uma parte importante do sucesso de um veículo autónomo, pois é muito importante correlacionar correctamente a posição no mundo real dos sensores e as coordenadas destes sensores nos homólogos do sistema autónomo. Isto é especialmente relevante em sistemas de visão computacional, como o LiDAR e a câmara. O principal objectivo na integração destes últimos foi encontrar a localização correcta no veículo onde estes poderiam ser montados para maximizar o seu desempenho. 

A câmara principal foi montada no Main Hoop, uma vez que esta estrutura é rígida e pode ser utilizada para fixar com segurança a câmara à altura de visão. Este acessório foi concebido utilizando os benefícios da impressão 3D e da tecnologia SLS. Para minimizar o peso e o arrasto aerodinâmico, este sistema de montagem foi criado utilizando flaps neutros e um perfil alar com arqueamento neutro. Para criar um acessório rígido e resistente, foi utilizado PA 12 (poliamida) para a sinterização, uma vez que este método permite imprimir formas e estruturas ainda mais complexas sem limites geométricos. 

Para o LiDAR, as considerações foram semelhantes, e a localização ideal encontrada foi na parte da frente do carro, abaixo do nariz. Isto garante que existem poucas ou nenhumas obstruções entre o sensor e os cones que se pretendem detectar. Este sensor é “protegido” pela asa dianteira do carro com um suporte feito com PETG, que impede qualquer cone ou outro objecto de colidir com o LiDAR. Mais uma vez, o corte por jacto de água foi utilizado para fabricar o sistema de fixação, utilizando a optimização de topologia para criar uma estrutura segura e leve.

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O FST10d é o primeiro veículo autónomo produzido pela FST Lisboa, o que faz do seu EBS o primeiro sistema de travagem de emergência na história da equipa. O desafio de conseguir produzir um design a partir do zero que assegurasse o desempenho de um dispositivo de segurança tão importante mostrou-se ser muito gratificante. 

Não tínhamos qualquer experiência na matéria, pelo que o conhecimento do que estava a ser feito na indústria, bem como a experiência de outras equipas de FS foi muito importante.

O EBS (Emergency Brake System) do FST10d consiste num circuito pneumático, acoplado a um mecanismo mecânico de alavanca, que quando accionado quer pela abertura do Shutdown Circuit, quer por uma válvula pneumática manual, acciona as linhas de travagem hidráulica do carro com pressão suficiente para o parar. A equipa concebeu e fabricou uma “jaula” mecânica, que fornece apoio aos actuadores e transmite as forças do sistema pneumático para o sistema hidráulico. Existe uma mola de gás montada na “jaula” que assegura a redundância do sistema.

O processo de fabrico das peças deste sistema foi planeado para ser fácil e rápido, com o objetivo de maximizar o período de testes e proporcionar tempo para ajustes ou re-manufatura de peças de substituição. Isto significou utilizar materiais com uma vasta oferta no mercado e fáceis de maquinar, que assegurariam a robustez mecânica e a fiabilidade de que um EBS necessita para funcionar em conformidade. 

Os principais materiais utilizados foram o alumínio e o aço. O alumínio foi utilizado para quase todos os componentes devido às suas boas propriedades mecânicas e baixa densidade. Foi utilizado para fabricar as alavancas, paredes laterais da jaula e alguns veios. O aço foi utilizado nos componentes sujeitos a maiores esforços mecânicos como os veios de apoio dos cilindros mestre para evitar desequilíbrios de tensão. 

Os dois materiais foram escolhidos devido à sua fácil maquinabilidade utilizando vários processos, permitindo a obtenção de uma grande variedade de formas. Isto permitiu obter peças optimizadas, com menos peso e melhor acessibilidade a cada parte do sistema, importante no processo de manutenção. Os processos de fabrico seleccionados foram corte a laser e jacto de água para as paredes laterais da gaiola, alavancas e suportes  de aço; fresagem para os suportes e ajustes das alavancas; torno para veios e pinos e quinagem para os suportes de aço. 

Graças aos nossos patrocinadores, o corte a laser e o jacto de água foram feitos rapidamente e com excelente acabamento superficial, os restantes foram feitos pela própria equipa, o que levou a uma maior preparação com peças sobressalentes para testes intensivos.

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É fácil compreender que o sistema de direção autónomo, é crucial para um veículo sem condutor. A manufatura e montagem do Atuador de Direcção (STA) recentemente concebido provou ser um novo desafio para a equipa. 

O processo de manufatura começou com a adaptação do sistema de direção anterior. A grande maioria das alterações efectuadas foram no compartimento da direcção, local onde o pinhão e a cremalheira engrenam, que teve de ser maquinada para permitir a instalação de novos componentes e a montagem do suporte do motor.

Havia também a necessidade de maquinar o suporte do motor, o hugger e dois apoios, que constituíram 90% do processo de manufatura. A escolha do material para estes componentes foi o alumínio, devido ao seu peso reduzido, tendo também resistência suficiente para suportar as tensões associadas a esta aplicação. Todos estes componentes foram maquinados pelos nossos patrocinadores, uma vez que era necessária uma grande precisão com o objetivo de evitar problemas de toleranciamento e garantir o encaixe correto dos componentes.

Com tudo isto completo, o passo seguinte foi obter as polias, os anéis de fixação (para as polias), a correia e, o mais importante, o motor. Estes componentes permitem que a coluna da direção rode sozinha. O motor cria o movimento que é desmultiplicado através da caixa de velocidades e as roldanas transmitem-no à coluna da direção permitindo que as rodas girem como se fosse um piloto a girar o volante. 

Assim que o processo de montagem começou, enfrentámos um grande obstáculo. O desenho da caixa de velocidades mudou no final da fase de design comprometendo a solução de fixação inicial. Embora fosse possível fixá-la ao motor utilizando a placa de interface de origem, não foi possível encaixar o modelo do cockpit exigido pelas competições. Isto significou que tivemos de fazer o design de um novo sistema de fixação conforme as regras, resultando numa nova interface que é 25% mais fina, com parafusos mais pequenos (M6 em vez de M8) e com os furos dos parafusos rodados a 45º. Com estas alterações, resolvemos todos os problemas.

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No final do processo de montagem deparámo-nos com outro problema. No entanto, este era esperado. O facto do sistema de direção original não autónomo ser muito compacto, em conjunto com o pouco espaço disponível no monocoque, tornou-se extremamente difícil a montagem de alguns componentes, o que é evidente nos furos dos parafusos no compartimento da direcção, que liga ao suporte do motor.

Em suma, esta foi uma tarefa surpreendentemente desafiante, o que era esperado, principalmente porque foi o primeiro ano de manufatura de um veículo autónomo. 

A impressão 3D in house permite-nos desenhar melhor vários componentes dos nossos  carros, testando e iterando cada design. Permite também o fabrico de peças com geometrias complexas com facilidade, possibilitando-nos imprimir componentes funcionais com boas tolerâncias.

Esta tecnologia dá-nos a liberdade de imprimir com vários tipos de polímeros e polímeros reforçados que se apresentam como verdadeiros substitutos do alumínio ou laminados para componentes estruturais, com a vantagem de poder modificar algumas propriedades mecânicas alterando os parâmetros de impressão, tornando cada peça única e optimizada para a aplicação pretendida.

A equipa concentrou-se em 3 aspectos primários para melhorar o desempenho do fabrico em impressão 3D in house. Em primeiro lugar, implementámos designs mais adequadas para impressão FFF, com diferentes abordagens ao mecanismo de fecho em caixas electrónicas com a implementação de calhas. 

Como foi dito anteriormente, a equipa começou também a experimentar outros materiais de engenharia, tais como filamentos reforçados com fibra de carbono ou kevlar, permitindo-nos imprimir componentes estruturais utilizando a impressão 3D em vez de maquinar peças de alumínio. Estes filamentos são mais adequados para fins automóveis do que as alternativas anteriores e têm demonstrado propriedades excepcionais e grandes desempenhos. Todo o nosso filamento é fornecido pelo nosso patrocinador 3D4Makers, que além de ter filamentos 3D comuns para quem faça da impressão 3D um hobbie, também tem incríveis filamentos de engenharia. A integração de fibras nestes tipos de filamentos altera as suas propriedades físicas e mecânicas, por exemplo, o ABS Kevlar é 12% mais leve em comparação com o ABS normal e 18% em comparação com o PETG.

Por último, estudámos a possibilidade de moldes feitos com impressão em 3D. Ainda temos um longo caminho a percorrer, mas já com alguns casos de sucesso. Vale a pena mencionar os moldes da caixa do segmento da bateria e os moldes para as condutas em Kevlar, que provaram ser incrivelmente resistentes e capazes de ser reutilizados até 6 vezes.

As nossas peças são fabricadas com 2 tecnologias de impressão 3D diferentes, FFF e SLS. In house podemos imprimir com FFF e a maioria das peças impressas são jigs de montagem e peças de teste para validar designs, mas também imprimimos a maior parte das nossas peças de utilização final nesta tecnologia. Algumas peças são impressas com tecnologia SLS devido a aspectos geométricos ou necessidade de propriedades mecânicas especificas, o que é o caso de algumas condutas e caixas, devido às suas geometrias complexas. Para esta tecnologia de impressão em 3D, contamos com o nosso patrocinador Sintratec. A impressão SLS beneficia da não necessidade de suportes que permitem a impressão sem restrições.

Embora tenhamos melhorado a gama de materiais que podemos imprimir usando FFF, ainda não podemos imprimir com filamentos como Ultem, muito importante para componentes dos acumuladores. Estas peças especiais precisam de cumprir regulamentos rigorosos e suportar as condições mais adversas, necessitando que o material cumpra com a norma UL94 V-0 f.  Para fabricar estas peças contamos com o nosso patrocinador CODI. 

Ambas estas tecnologias apresentam vantagens sem paralelo em comparação com outros processos de fabrico e são essenciais para os nossos processos de fabrico.

A-arms

Os A-arms fazem a ligação entre a roda e o monocoque e são montados nos suportes da suspensão. Estes componentes participam no sistema de suspensão inferior que sofreu alterações significativas para o FST 10e. 

Estes componentes são feitos de alumínio anodizado e tubos unidireccionais CFRP (Carbon Fibre Reinforced Polymer) tendo as ligações sido feitas utilizando adesivo epoxi. Cada um destes materiais desempenha um papel importante na integridade estrutural da suspensão inferior. A anodização das peças de alumínio melhora a sua durabilidade. Assumindo que as ligações da suspensão são apenas sujeitas a tensões de tracção, a orientação unidirecional das fibras dos tubos CFRP fornece a resistência necessária aos esforços aplicados. O adesivo estrutural utilizado foi selecionado com base na sua aplicação e adequação para colar juntas de alumínio-CFRP.

Em relação à montagem deste sistema, isto foi feito recorrendo a um jig de montagem que assegura a geometria adequada da suspensão.

Os protótipos anteriores da FST Lisboa tinham uma relação paralela entre a maioria dos inserts para as rótulas radiais e o solo, tornando a montagem dos suportes algo bastante simples em comparação com a solução da FST 10e. Para o FST 10e, tomámos em consideração as forças que actuam sobre as ligações dos A-arms e os ângulos em que ocorrem e definimos o melhor ângulo a ser aplicado entre estes suportes e o solo. Em teoria, isto permite-nos assegurar que as forças atuam perpendicularmente à base do apoio, conduzindo em última análise a uma melhor distribuição da força. Considerando que a direcção da carga não é a mesma para todas as ligações dos A-arms, existem vários ângulos de montagem diferentes, uma vez que o carro é simétrico.

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Drivetrain

Tendo em consideração os aspectos menos positivos do sistema de transmissão do ano passado, foram feitos esforços durante a fase de design a fim de resolver as questões mais significativas e diminuir a sua relevância.

O acondicionamento global do sistema foi melhorado, uma vez que a geometria da suspensão teve em consideração os processos de montagem e manutenção. Aumentou-se a distância radial dos pontos de suspensão em relação ao centro do centro do porta cubo a fim de facilitar o acesso à parafusaria do sistema, o que se revelou ser uma melhoria significativa em termos de montagem. Como resultado, o sistema de transmissão do FST 10e é agora substancialmente mais fácil de montar e desmontar, resultando numa considerável economia de tempo de manutenção para a equipa.

Relativamente ao sistema de transmissão do FST 10e, foi feita uma inovação muito simples mas muito eficaz, em comparação com o FST 09e. Durante a fase de design, adicionou-se pequenos pontos superficiais nas engrenagens, mais especificamente, nos adendos e dedendos dos dentes que se ligam a outras engrenagens. Por exemplo, o sol, que se liga a 3 planetas, tem 3 pequenos pontos que correspondem aos 3 dentes que se ligam entre si.

Esta pequena alteração veio simplificar bastante a manufatura, uma vez que só precisámos de alinhar os pontos das diferentes engrenagens e soubemos imediatamente que os estávamos a engrenar na perfeição. É de facto um grande exemplo de como uma mudança de design tão simples pode ajudar tanto o processo de fabrico.

Bellcranks 

As bellcranks são componentes frequentemente encontrados em carros de corrida, e o FST 10e não é excepção. Permitem que as forças provenientes da haste/pull rod sejam redirecionadas para o sistema de mola e amortecedor, melhorando o desempenho global do pacote aerodinâmico. Uma das nossas grandes prioridades é a minimização do peso, e acrescentando isso às tolerâncias apertadas necessárias para as para a montagem dos rolamentos e o desenho final torna-se extremamente complexo, e é por isso que as bellcranks são fabricadas utilizando maquinação CNC.

As bellcranks do FST 10e foram submetidas a um processo de anodização para melhorar a resistência da superfície à corrosão.

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O design do sistema de arrefecimento a água para o FST 10e teve como foco diminuir o peso e aumentar o desempenho do arrefecimento, dado que o nosso último protótipo tinha problemas relacionados com o sobreaquecimento. Este desafio exigiu uma mudança significativa do conceito do circuito de arrefecimento na sua fase de design, começando com a escolha de um sistema fechado com remoção de respiradouros, reservatórios e, portanto, da catch can. A remoção do reservatório poupa muito peso e reduz a queda de pressão no circuito, o que significa que podemos poupar energia e aumentar o nosso desempenho global. 

Para poder encher um circuito fechado, é necessário um reservatório externo. Inicialmente, este seria posicionado entre o radiador e a bomba, usando um conector de acoplamento de desconexão rápida, que sela o circuito quando o conector é aberto. No entanto, durante a montagem do circuito, o comprimento do conector e dos acessórios, combinado com um tubo facilmente dobrável, não permitia esse posicionamento, levando assim a equipa a optar pela sua colocação antes do radiador. Isto acabou por se revelar uma boa solução, potencialmente melhor do que a original, uma vez que o reservatório é ligado a uma altura superior, permitindo que o ar seja removido mais facilmente. A única desvantagem é que algum ar poderia ficar retido entre o reservatório e a bomba. Contudo, a tampa do radiador permitiu a remoção desse ar, resolvendo o problema.

Relativamente à tubagem do sistema, trocamos o tubo de borracha, tal como foi implementado no nosso último protótipo, por um de silicone. É mais leve, mais fino e com melhores propriedades térmicas. Mas quando se começou a sua montagem, o raio de curvatura do tubo era consideravelmente grande, o que significava que não era capaz de ser dobrado em curvas apertadas como o tubo de borracha. Assim, a sua montagem teve de ser feita de forma inteligente, a fim de minimizar o raio de curvatura. 

Os radiadores do FST 10e foram um enorme passo em frente para a equipa, que contou com o apoio da João de Deus para o fabrico dos nossos radiadores únicos e feitos à medida! Estes são feitos de alumínio, proporcionando-lhes propriedades térmicas muito boas e uma adicional economia de peso. Contudo, as alhetas dos radiadores estavam demasiado expostas a detritos que podem ser encontrados em pista e colidir com os mesmos quando o carro estivesse em movimento, levando a um potencial dano destes componentes. A solução encontrada pela equipa foi utilizar uma grelha para os proteger quando o desempenho máximo não é necessário. A posição do radiador foi também mudada para a parte de trás do carro para melhor aerodinâmica, mantendo um bom fluxo de ar através dele, e com a adição de ventiladores. A conduta que guia o ar desde a saída do radiador até ao ventilador foi impressa em 3D devido à sua geometria complexa. 

A fabricação das camisas de arrefecimento dos motores teve os seus altos e baixos. O nosso plano inicial era concretizar a solução previamente concebida, baseada no aumento da transferência de calor entre o ar circundante e as camisas de arrefecimento dos motores. O nosso plano incluía o recurso a multi-jet fusion para o fabrico destas peças, para o que uma geometria complicada não constituiria um problema. Isto teve de ser abandonado devido à falta de financiamento para este processo específico de impressão 3D, passando a tentar fabricar as camisas de arrefecimento dos motores utilizando Luvocom PAHT. Continuámos a procurar a impressão 3D para fabricar estes componentes porque o nosso objectivo era tornar o nosso carro mais leve e consequentemente mais rápido, sem perder fiabilidade.

Esta abordagem também não trouxe melhores resultados, pois enfrentámos fugas, potencial falta de integridade estrutural e resultados inesperados relativamente à expansão térmica do material. No entanto, compreender os pontos fracos e fortes das camisas de arrefecimento dos motores impressas em 3D permitiu-nos compreender melhor como alcançar uma solução óptima.

Voltámo-nos para o alumínio e maquinação CNC na tentativa seguinte, uma vez que procurávamos evitar mais atrasos. O primeiro passo foi adaptar a geometria da camisas de arrefecimento dos motores a algo que pudesse ser alcançado através da maquinação CNC. A utilização do alumínio resolveu tanto o problema da integridade estrutural como o das fugas, mas foi a montagem destas camisas de arrefecimento dos motores que apresentou o verdadeiro desafio, uma vez que as tolerâncias apertadas e o elevado módulo de Young do material se revelaram problemáticos. Por fim, as variações de temperatura acompanhadas de expansões e contracções térmicas resolveram o nosso problema. À medida que as camisas de arrefecimento dos motores se expandiam e a camisa do motor em alumínio se contraía, fomos capazes de instalar a nossa solução. 

Manufatura de Cablagem:

A cablagem é a parte integral do sistema de eletrónica dos nossos protótipos. A manufatura deste sistema começou no papel, onde cada ligação, condutor usado e outros componentes foram projetados. A cablagem foi depois desenhada em CAD (Computer Aided Design) para estimar o tamanho de cada cabo de modo a que a manufatura fosse o mais eficiente possível e para evitar desperdício de material. Além disso, permitiu-nos começar a manufatura da cablagem com confiança sem a necessidade de um chassis construído.

Para ajudar na montagem da cablagem foram usadas tábuas de madeira com o desenho técnico do respetivo cabo por cima. Suportes embutidos na madeira ajudaram a manter a forma dos cabos quando estes são dispostos por cima dos desenhos técnicos.

Nesta fase da manufatura os cabos foram cortados à medida, cravaram-se contactos e aplicaram-se os pormenores finais como kapton tape, manga e boots. De maneira a evitar erros antes dos cabos serem finalizados, uma segunda pessoa realizava uma última inspeção visual para garantir que a manufatura do cabo estava de acordo com os padrões praticados pela equipa.

Uma bancada de testes composta por todos os módulos eletrónicos existentes no carro permite a testagem de cada cabo antes de ser integrado no protótipo. Desta maneira, algum problema derivado do processo de manufatura é despistado e corrigido de antemão.

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Manufatura de PCBs:

O sistema eletrónico da equipa conta com 26 módulos totalmente desenvolvidos in house.  A equipa desenvolveu a sua própria eletrónica o que permitiu ter grande flexibilidade em termos de integração e funcionalidades. Contudo, algo que não é garantido à priori é fiabilidade. Dado que uma das fontes de problemas mais recorrentes nos sistemas eletrónicos do carro está relacionada com a fraca qualidade ou descuido na montagem de cada módulo, a manufatura dos mesmos é um momento crítico e dos mais importantes no desenvolvimento destes sistemas ao longo do ano.

O processo de fabrico de cada circuito impresso (PCB) começou com a encomenda num fabricante especializado. Tipicamente este processo demora entre 1 a 2 semanas e durante o ano foram encomendados entre 100 e 200 unidades de PCBs, algumas serviram como protótipos e outras como produtos finais que foram colocadas no carro para competir.

Algumas das placas de circuito impresso tem até 260 componentes, pelo que a sua montagem foi um processo demorado. No fim da montagem foi efetuada uma inspeção visual por um membro que não soldou as PCBs para tentar despistar algum erro de soldadura que fosse facilmente resolvido. Todos os circuitos passaram por uma checklist para averiguar o correto funcionamento das placas e despistar erros como soldadura de componentes errados entre outros problemas comuns. Por fim, todos os módulos foram instalados na bancada de testes de eletrónica para testar funcionalidades como comunicação com outros módulos e o funcionamento de alto nível para verificar se os módulos estavam prontos para serem integrados no FST 10e. 

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Existem muitas formas de construir um carro, mas na FST Lisboa não aceitamos menos do que o carro mais rápido possível! Por essa razão, optamos pela construção de um chassis de fibra de carbono numa estrutura de monocoque.

Um monocoque (do francês “concha única”) é uma estrutura onde as forças aplicadas são sustentadas pelas paredes exteriores do chassis como se de uma casca de ovo se tratasse. Esta distribuição de cargas, associada ao uso de materiais extremamente rígidos e leves como as fibras de carbono, permite criar um chassis dotado de uma enorme rigidez e simultaneamente com uma massa menor do que com outros métodos mais tradicionais.

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O processo de design do monocoque do FST 10e sofreu melhorias consideráveis, ainda que tenhamos utilizado o mesmo molde do protótipo antecedente. Anteriormente, o empilhamento das camadas de fibra era, maioritariamente, definido a partir da otimização de compósitos realizada em software de análise de elementos finitos. 

Este ano, primeiramente realizámos uma série de iterações de várias sequências de camadas para diversas partes da estrutura primária do chassis, em que analisamos individualmente a rigidez de cada uma recorrendo a uma ferramenta informática. Isto permitiu ainda contabilizar uma serie de fatores basilares da teoria clássica dos laminados que nem sempre são tidos em conta nos resultados computacionais. Finalmente, estes empilhamentos pré-definidos foram incorporados no software de otimização, criando então uma sequência ótima de camadas para construção do monocoque.

Esta nova metodologia permitiu reduzir consideravelmente a massa do chassis mantendo, porém, a sua rigidez.

Outro grande fator que contribuiu para esta evolução positiva foi a aquisição por parte da equipa de uma fibra prepreg de melhores propriedades mecânicas daquela utilizada em anos anteriores. Dessa forma, usufruiu-se de uma redução da massa das fibras necessárias para alcançar as propriedades estruturais requeridas, e também de uma melhor sequência de disposição das mesmas, duplamente permitindo reduzir a massa de fibra utilizada.

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Já no processo de manufatura a equipa beneficiou largamente das facilidades de laminação de uma fibra prepreg, onde o material já se encontra impregnado com resina, tornando se apenas necessário cortar e sobrepor as várias camadas sem existir a preocupação de espalhar resina entre cada camada na proporção correta. Esta agilização do processo permite ganhar tempo precioso em todo o processo, o que como todos nós bem sabemos representa tempo extra de treino e preparação levando a melhores resultados nas competições.

A asa da frente do FST 10e é composta por um perfil principal, dois flaps mais pequenos, duas endplates em forma de perfil alar e placas verticais que asseguram a montagem correta no carro. Estes componentes são feitos em fibra de carbono, um material que permite obter componentes mais leves, com algumas regiões reforçadas com Kevlar para adicionar resistência ao impacto.

O processo de fabrico seguiu um processo de infusão de resina. Dado que um carro de Formula Student é um protótipo único, sendo cada peça fabricada apenas uma vez, a infusão de resina é um método extremamente rentável de fabrico de peças de fibra de carbono de alta qualidade e alta resistência. É um processo amplamente utilizado na indústria de compósitos e que permite obter uma melhor relação fibra/resina e reduzir a quantidade de resina desperdiçada.

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Os moldes utilizados para este fim foram, na sua maioria, feitos de MDF (painel de fibra de média densidade). Este tipo de madeira é utilizado em engenharia devido à sua maquinabilidade, baixo peso e custo. As desvantagens da utilização de MDF estão relacionadas com a sua elevada porosidade e com o facto de necessitar de um tratamento de superfície antes de ser utilizado. Uma vez que o acabamento superficial do perfil principal era extremamente importante, decidimos utilizar POM C (Polioximetileno) exclusivamente para este componente, uma vez que apresenta menor porosidade e não requer um tratamento superficial extensivo antes da sua utilização.

O processo de laminação teve algumas melhorias relativamente às técnicas utilizadas anteriormente, na sequência dos conhecimentos adquiridos neste campo. Os novos métodos permitiram reduzir as fugas de ar e distribuir melhor a resina ao longo dos componentes. Além disso, os recursos e produtos utilizados, tais como a nova bomba de vácuo e outros consumíveis, conduziram a uma infusão de resina de alta qualidade.

Além disso, as placas que suportam a asa da frente ao carro e as que suportam os flaps foram fabricadas utilizando um processo de laminação ‘pré-preg’. A utilização de fibra de carbono pré-impregnada é uma grande vantagem, uma vez que geralmente produz componentes mais leves.

O processo de montagem foi muito mais complexo que o processo de fabrico. A montagem de todos os componentes envolveu métodos de alta precisão e um bom planeamento para assegurar que tudo fosse corretamente colocado. Dadas algumas alterações de conceito, particularmente no design das endplates que são completamente diferentes das do protótipo do FST 09e, foram introduzidas alterações significativas na forma como este sistema é montado.

Cada perfil, incluindo o perfil principal e também as endplates, foram fabricadas em duas partes distintas e foram coladas utilizando um adesivo estrutural epóxi de dois componentes. Este adesivo tem propriedades excepcionais para a colagem de materiais compósitos com excelente resistência ao impacto e às vibrações, sendo ideal em aplicações onde a tenacidade e alta resistência são um dos principais requisitos.

Um dos métodos mais complexos neste processo foi a montagem do perfil principal. Devido ao seu design, este componente teve de ser montado em apenas uma etapa. Isto envolveu alta precisão para assegurar o alinhamento de todos os reforços estruturais interiores, garantindo ao mesmo tempo uma ligação perfeita entre os mesmos e as duas partes da própria perfil.

Em relação à forma mais recente das endplates, a montagem do perfil principal e do perfil mais pequeno provou ser um processo desafiante. Ambas as soluções foram cuidadosamente pensadas e concebidas para garantir que não existiam folgas entre os componentes que pudessem comprometer a aerodinâmica.

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Por conseguinte, a endplate foi aparada para encaixar no perfil principal, enquanto o perfil mais pequeno tem uma solução impressa em 3D, feita pela equipa, para se adaptar perfeitamente à forma da endplate.

No final, o sistema da asa da frente pesa cerca de 6 quilogramas, o que não é ideal mas que é um feito notável, considerando as alterações de design, a remoção de alguns perfis e a introdução de uma endplate mais complexa e robusta. Além disso, é importante notar que a asa da frente do FST 10e tem uma excelente rigidez estrutural, resultado do grande trabalho de design combinado com um processo de fabrico adequado. Todos os desafios foram superados com sucesso, e após uma melhoria extraordinária ao longo do ano passado, espera-se que no próximo ano o fabrico do pacote aerodinâmico possa evoluir graças à experiência e conhecimento adquiridos ao longo deste processo.