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FST Lisboa

IV. FST 10e: Manufatura de Cablagem & PCBs

IV. FST 10e: Manufatura de Cablagem & PCBs

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.

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. 

III. FST 10e: De Camadas de Fibra a Monocoque

III. FST 10e: De Camadas de Fibra a Monocoque

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.

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.

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.

II. FST 10e: Manufatura e Montagem da Asa da Frente - FST

II. FST 10e: Manufatura e Montagem da Asa da Frente

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.


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.

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.

I. FST Lisboa: A Equipa

I. FST Lisboa: A Equipa

A FST Lisboa é um núcleo de estudantes do Instituto Superior Técnico da Universidade de Lisboa que projeta, constrói e testa veículos do tipo fórmula, com o objetivo final de representar Portugal nas competições internacionais de Formula Student.

Esta é a maior competição para estudantes de engenharia a nível mundial e é palco de estreia de muitos avanços na tecnologia de motorsports. É considerada, por muitos, como a competição mais inovadora após a Fórmula 1.

Criada em 2001, a FST Lisboa é uma das equipas de Formula Student mais ativas em Portugal. Contando já com 10 protótipos, a equipa é pioneira neste tipo de projetos e, como tal, um símbolo de inovação em Engenharia.

Em 2010, já com 3 carros a combustão construídos,  concluímos a produção do FST 04e, o primeiro carro elétrico de alta performance desenvolvido em Portugal, que marcou o início do envolvimento da Novabase enquanto patrocinador principal.

Em 2012, a construção do FST 05e trouxe uma mudança de paradigma, tendo sido este o primeiro chassis monocoque de fibra de carbono desenvolvido em Portugal e o primeiro protótipo da equipa com pacote aerodinâmico. 

O FST 06e foi um carro muito fiável, que foi resultado de um período de testes longo que conduziu a uma excelente optimização dos vários sistemas, permitindo ao FST 06e atingir o melhor resultado da equipa em competições até 2019. 

Em 2017, o FST 07e foi o primeiro protótipo com motor em 4 rodas completamente desenvolvido em Portugal e em 2018 a equipa produziu o FST 08e em apenas um ano. 

Em 2019, o FST 09e veio colocar a equipa entre as melhores performances em competições, tendo obtido o 9º lugar na Formula Student Germany e batido vários recordes da equipa. 

Esta época, a equipa é constituída por quase 60 estudantes de diversos cursos, como Engenharia Mecânica, Eletrotécnica, Aeroespacial e Informática, e ainda Gestão. Terminámos recentemente a manufatura da 10ª geração de carros da equipa, os FST 10. 

O FST 10e é o 10º carro da equipa e o 7º carro elétrico. Conta com um chassis monocoque de fibra de carbono,  pacote aerodinâmico e um motor em cada roda. A  bateria é totalmente desenvolvida pela equipa com uma potência de 80 kW e menos 20 quilogramas que a anterior. Tem um sistema de telemetria melhorado e controladores que correm um algoritmo de vetorização de potência de cada um dos motores, otimizando a performance do carro em curva. 

O FST 10d é a adaptação do FST 09e a uma versão driverless (sem piloto). Conta com sistemas autónomos que substituem a visão e sensações do piloto através da integração de tecnologias de visão computacional, fazendo uso de uma câmara, um LiDAR, um AHRS (attitude and heading reference system) e uma unidade de processamento. Tudo isto associado a sistemas de segurança complexos e inovadores.