Hoe kan het dat The RED Engine zo licht is?

The RED Engine was met zijn 139 kilo de lichtste deelnemer uit het veld in de Challenger-klasse. Hoe kan het dat de Twentse zonneauto zo weinig weegt, en waar liep het team tegenaan tijdens de productie? Structureel Engineers Erik en Rogier vertellen over het gebruikte materiaal en hoe hiervan een zonneauto van wereldniveau gebouwd is! 

The RED Engine is in zijn geheel vervaardigd uit composiet materiaal. Het structurele ontwerp van het frame en de bodydelen is gebaseerd op een sandwich structuur:

Alleen aan de buitenkant (de huid) bevinden zich carbonweefsels, omdat de buitenste huid het meest meewerkt in de stijfheid van de constructie. Als kern is er een extreem licht schuim gebruikt. Door te ontwerpen met een sandwichconstructie is de eerste stap gezet naar een lichte zonneauto.

Er is gebruik gemaakt van een prepreg harssysteem van TenCate. Prepreg betekent dat de weefsels al van te voren geïmpregneerd zijn met hars, zodat er tijdens de bouw van de zonneauto niet meer met potjes hars, rollers en kwasten gewerkt hoeft te worden. Bij een prepreg-systeem is de hars al perfect verdeeld over het weefsel en is er ook de juiste verhouding hars-vezel. De kwaliteit van het eindproduct wordt op deze manier een stuk beter dan op de ouderwetse manier.

Het weefsel is een zogenaamd spread tow weefsel. Bij een spread tow weefsel liggen de vezels veel platter dan bij een conventioneel weefsel omdat het op een andere manier gewoven wordt. Het voordeel van dit weefsel is dat er per gewichtseenheid meer stijfheid in de x- en y-richting (in het vlak) is. Dit komt omdat de vezels minder gekromd in het weefsel liggen. Omdat een vezel in een spread tow weefsel veel platter ligt dan in een conventioneel weefsel zal deze minder rek vertonen, wat resulteert in een hogere stijfheid. Alleen op mechanisch gebied zorgt deze hogere stijfheid per gewichtseenheid al voor een enorme gewichtsbesparing ten opzichte van een conventioneel weefsel.

In bovenstaande afbeelding (www.easycomposites.co.uk) is schematisch de opbouw van een conventioneel weefsel en een spread tow weefsel te zien.

De rode stippellijn geeft de oppervlaktekwaliteit van het uiteindelijke product aan. Vanuit de aerodynamica volgt dat het oppervlak van de zonneauto spiegelglad moet zijn.

Om dit spiegelgladde oppervlak te realiseren is er bij een conventioneel weefsel een extra oppervlaktebehandeling nodig in de vorm van een soort plamuur of lak. Bij een spread tow weefsel is de oppervlaktekwaliteit van zichzelf al zo goed dat dit niet nodig is. Aangezien plamuur of lak in verhouding erg zwaar is en nagenoeg niet meedoet in de mechanische eigenschappen van de constructie zorgt een spread tow weefsel ook hier voor een gewichtsbesparing.

Als alle laagjes carbon in de mal gelegd zijn is het tijd om het product te curen. Dit is het laten uitharden van de hars onder een hoge temperatuur en druk. Wij hebben gebruik gemaakt van een enorme autoclaaf van Fokker, eentje waar wel drie personenauto’s tegelijk in passen. Om er zeker van te zijn dat het product niet kapot gaat onder deze hoge druk en temperatuur is de cure-cyclus van te voren getest in een kleine autoclaaf. Volgens de theorie zou de schuimkern bij een temperatuur van 120°C een druk van 3,5 bar aan moeten kunnen. Uit de tests is gebleken dat de schuimkern dan toch iets gecomprimeerd werd waardoor er tijdens de productie met een iets een lagere druk gewerkt werd.

Dit was de theorie, nu de praktijk. Helaas is ondanks uitvoerig testen de schuimkern tijdens productie van de zonneauto toch iets gecomprimeerd. Dit had desastreuze gevolgen voor de stijfheid van de body. Even voor de beeldvorming: als de schuimkern de helft zo dik wordt, zal de constructie 8x minder stijf zijn. Al die weken werk bleken na een nachtje in de autoclaaf  voor niets geweest. Na een kort overleg is er toen besloten om de bodydelen helemaal opnieuw te maken. In de week die volgde was slapen een luxe. Er is dag en nacht doorgewerkt om de opgelopen achterstand in te halen. Het resultaat was dat er na een week compleet nieuwe bodydelen de autoclaaf in konden. Een spannend moment voor het hele team: autoclaafdeur dicht, cyclus starten en fingers crossed. Een halve nacht later kon de deur weer open en het vacuümpakket van het product gehaald worden. Daar troffen we een super strak product aan. Goed nieuws na een zware periode van hard werken!

Foto header: Joost van Baars