Stratasys partnerschaftlich mit Champion Motorsport zur Validierung 3D-gedruckter Kerntechnik bei Pikes Peak Performance

Am 27. Juni beendete ein modifizierter 911 Porsche GT2 RS Clubsport von Champion Motorsport (Pompano Beach, Florida, USA) die Time Attack 1 Division des 99. Pikes Peak International Hill Climb in Colorado Springs, Colorado, USA, auf Platz 1.

Eines der Geheimnisse des Teamerfolgs waren die aerodynamischen Strukturen des Autos – die Flügel, Unterboden-Strakes, Diffusor und andere Komponenten am Fahrzeug, die Luft effizienter um das Fahrzeug bewegen, während es fährt. Viele dieser Komponenten wurden von Partner Stratasys (Rehovot, Israel und Eden Prairie, Minnesota, USA) 3D-gedruckt, einschließlich der erfolgreichen Erst-Anwendung einer neuen werkzeuglosen, kohlefaserummantelten Sandwich-Kern-Technologie.

3D-gedruckte Werkzeug- und Kerntechnologien beweisen sich

Champion Motorsport ist seit mehreren Jahren Kunde von Stratasys, „aber die Partnerschaft hat sich zu mehr als der typischen Vendor/Kunden-Beziehung entwickelt“, sagt Allen Kreemer, Senior Strategic Applications Engineer bei Stratasys. Zum Beispiel arbeiteten Stratasys und Champion zuvor zusammen, um eine neue Technik zu testen, die Stratasys für 3D-Druck löslicher Werkzeuge entwickelt hatte. Mit dieser Technologie wird ein löslicher Kunststoffkern, geformt für einen Kanal oder anderes rohrförmiges Teil, gedruckt und dann mit Kohlefaser-Prepreg umwickelt. Mittels löslichem Support-Entfernungstank löst sich das gedruckte Werkzeug auf, nahtlos, fertiges, hohles Composite-Rohr bleibt zurück.

„Das war wirklich der Beginn unserer Partnerschaft mit Champion Motorsport, wo wir zusammenarbeiteten, um diesen sehr komplexen, nahtlosen Kohlefaserkanal auf nicht-traditionelle Weise zu erstellen, ohne Grenzen wie bei CNC-Bearbeitung oder Formenbau“, sagt Patrick Carey, Senior VP – Americas, Products and Solutions bei Stratasys.

2019 entschieden sich die Unternehmen, an einem Projekt zu partneren, um eine neue Iteration derselben Technologie zu testen: 3D-gedruckter, kohlefaserummantelter Kern, der sich nicht in Wasser auflöst, sondern stattdessen ein struktureller Kern für das fertige Teil oder den Prototyp ist.

Kreemer erklärt, dass für Sandwichkomponenten die Arbeit mit und Formung von Kernmaterialien – ob flexibles Aluminiumwaben, starre Struktur-Schaum oder etwas anderes – schwierig und teuer sein kann, was Formen oder Bearbeitung und dann Formen mit den Carbonfaser-Composite-Deckschichten in einer dedizierten Form erfordert. Stratasys druckt einen starren Wabenkern aus SABIC (Riad, Saudi-Arabien) Ultem 1010 Hochtemperaturkunststoff. „Wir drucken die exakte Form für das Auto, wickeln einfach mit Carbonfaser, beuteln und härten aus, ohne Form zu nutzen“, sagt Kreemer. „Wir starteten mit den löslichen Kernen, die unsere Kunden noch nutzen, und sind nun in diese Sandwichkerne eingestiegen, die breite Anwendungen in Luftfahrt und Automobil haben werden.“

„Wir nennen es ‚werkzeuglos‘, und das ist wirklich der Schlüssel“, fügt Carey hinzu. „Wir haben diese Applikation geschaffen, um den ganzen Prozess des Formenbaus und dann Laminierens in der Form zu überspringen.“ Er merkt an, dass der Wegfall von Werkzeugen auch ermöglicht, die Form einfach nach Bedarf zu ändern.

3D-gedruckte, preisgekrönte Aerodynamik

Für das Champion Motorsport Projekt flossen drei verschiedene Technologien in die 16 gesamten aerodynamischen Teile, die Stratasys für entweder Prototyping oder finale Installation am Rennfahrzeug baute, erklärt Carey. „Wir druckten die Ultem 1010 [kohlefaserummantelten] Kerne, wir 3D-druckten einige Teile mit kohlefasergefülltem Nylon 12, und wir druckten Teile mit Nylon 6, wenn Flexibilität und Schlagfestigkeit erforderlich waren.“

Das größte Teil war ein 7 Fuß langes, 5 Fuß breites Heckdiffusor-Prototypteil, das zum Testen des finalen Teiledesigns gebaut wurde. Es wurde in sieben Stücken auf einem F900 Fused Deposition Modeling (FDM) Stratasys-Drucker mit Ultem 1010 Polyetherimid (PEI) Polymer gedruckt, zusammengefügt, in Carbonfaser-Prepreg gewickelt, beutelt und ofenausgehärtet. Die Durchlaufzeit für das Teil betrug ca. fünf Tage für den Druck und knapp über 24 Stunden für Laminieren und Aushärten: „Es war extrem schnell, und das war das, was wir zu der Zeit brauchten“, merkt Chris Lyew, Mechanikingenieur bei Champion Motorsport, an.

Verursacht durch die Ungewissheit, ob Präsenzveranstaltungen diesen Sommer wegen COVID-19 stattfinden könnten, „kam das Projekt last-minute online, und viele Systeme mussten gleichzeitig adressiert werden“, erklärt Lyew. „Aerodynamik ist einer davon, und es ist normalerweise ein sehr zeitaufwändiger Prozess“ des Designens, Testens und Iterierens der Komponenten, sagt er. Konventionelle Methoden würden Erstellung von Werkzeugen, Handlaminieren auf der Form und Schneiden und Anpassen des Kerns erfordern. „Ohne diesen Prozess hätten wir unsere Zieldaten für das Testen des Autos auf der Strecke nicht erreichen können“, sagt Lyew.

Der vordere Splitter des Autos wurde auch ähnlich prototypisiert und getestet. Für die Teile, die Prototypen waren, wurden die finalen Produktionsteile mit traditionellem Werkzeugbau gefertigt, aber das Prototypteil wurde als Muster für das Testen verschiedener Iterationen genutzt. Carey merkt an: „Mit einem werkzeuglosen Prozess können wir schneller iterieren, testen, dann schneller iterieren, testen. Mit traditionellen Werkzeugen würdest du nie iterieren können, du machst eines und bist damit festgefahren. Hier können wir ein echtes Teil machen, testen und daraus lernen.“

Eine Anzahl kleinerer Produktionsteile wurde auch von Stratasys produziert. Zum Beispiel wurden Winglets an beiden Seiten der vorderen Stoßstange des Autos aus 35% kohlefasergefülltem Nylon 12 gedruckt, die Fahrzeug-Seitenschweller wurden auch in Ultem 1010 mit Waben-Innenfüllung gedruckt und dann mit Carbonfaser überwickelt.

Viele der aerodynamischen „Strakes“ des Autos – kleine flossenartige Stücke, die an strategischen Punkten am Fahrzeugaußenkörper verschraubt werden, um den Luftstrom um das Fahrzeug zu kontrollieren – wurden auch aus entweder kohlefasergefülltem Nylon 12 oder unverstärktem Nylon 6 gedruckt. Diese Teile sind so designed, dass sie einfach neu gestaltet oder bei Beschädigung oder Verschleiß ersetzt werden können. „Bei Pikes Peak gibt es einige raue Geländemerkmale, die potenziell Schäden verursachen könnten, also war die Fähigkeit, [die Strakes] einfach zu ersetzen, entscheidend für uns“, fügt Lyew hinzu. Mehrere Ersatzsets wurden auch gedruckt und für einfachen Austausch während des Rennens geliefert.

Jenseits von Pikes Peak

Pikes Peak erwies sich als ideales Rennen, um diese Technologie zu testen, sagt Kreemer, wegen der einzigartigen Umgebung, spezifisch für dieses Event, das auf 14.000 Fuß Höhe am höchsten Punkt stattfindet. „Alle Rennwagen nutzen Abtrieb, um das Auto auf die Strecke zu drücken für Traktion, aber diese speziellen Autos auf Pikes Peak sind anders als jede andere Form von Motorsport, weil sie wirklich übertriebene aerodynamische Effekte brauchen, um die Autos auf der Strecke zu halten [auf dieser Höhe].“ Das Resultat sind größere Flügel und andere aerodynamische Komponenten als bei jedem anderen Rennauto-Typ.

Für die Zukunft plant Stratasys, seine werkzeuglos gedruckte Kerntechnologie anderen Rennunternehmen für ähnliche aerodynamische Teile vorzustellen. Carey sagt, es gibt viele andere potenzielle Anwendungen in Low-Volume-Automotive, Freizeit-Marine oder sogar Innenraum-Luftfahrtteile in Zukunft. „Jede Applikation, die Iteration oder individuelles Design erfordert, glauben wir, können wir Mehrwert hinzufügen“, sagt er.