3D-Druck und Formel 1:5 Trends im Motorsport

In einem dynamischen Umfeld wie der Formel 1 ist Geschwindigkeit entscheidend – auf und neben der Strecke. Da der Unterschied zwischen Sieg oder Niederlage nur wenige Sekunden betragen kann, ist die Perfektionierung der Technik eines Rennwagens ein wichtiger Imperativ jedes Formel-1-Teams.

Um jedoch schnell auf eine Welt sich ständig ändernder Vorschriften zu reagieren und gleichzeitig einen Wettbewerbsvorteil zu wahren, bedarf es einer Innovationskultur. Formel-1-Design- und Engineering-Teams müssen daher in der Lage sein, neue Designs zu entwickeln, um die Fahrzeugleistung zu verbessern.

Wo passt also 3D-Druck rein?

Der 3D-Druck ist ideal für die Herstellung schneller Iterationen und komplexer technischer Lösungen und ein wichtiger Vorteil für Designer und Ingenieure, die den Produktentwicklungszyklus beschleunigen möchten.

Vom Prototyping bis hin zur Herstellung von Leichtbaukomponenten werden wir uns ansehen, wie Formel-1-Teams 3D-Druck einsetzen, um Leistung und Innovation zu steigern.

1. Schnelleres Prototyping

Zwei Hauptziele bei der Entwicklung neuer Designs für Rennwagenkomponenten sind:1) Reduzierung der Produktionszeit und 2) Reduzierung der Kosten .

Entwicklung von Pass- und Funktionsprototypen ist daher entscheidend für die Validierung eines Teils, bevor die endgültige Version produziert wird. Hier kommt der 3D-Druck voll zur Geltung, indem er eine kostengünstige Möglichkeit bietet, Prototypen mit gleichen oder ähnlichen Eigenschaften wie das Endteil herzustellen.

Reglement und technische Spezifikationen für Formel-1-Teams werden vom Motorsport-Dachverband FIA (Fédération Internationale de l’Automobile) festgelegt. In diesem Rahmen konstruieren Ingenieure typischerweise jedes Jahr ein neues Auto. Bei diesem Tempo des Wandels ist es wichtig, einen Prototypen so schnell wie möglich in Produktion zu bringen, sobald er konzipiert ist.

3D-Druck ermöglicht die Herstellung von Teilen viel schneller als es die konventionelle Fertigung erlauben würde. Mit dieser Technologie können Ingenieure die zeitaufwändigen Schritte des Entwerfens und Herstellens eines Musters und einer Form vor der Herstellung des Teils eliminieren. Denn der 3D-Druck beginnt mit der digitalen CAD-Datei, die in einem Bruchteil der Zeit an die Produktion gesendet werden kann.

Als Beispiel das F1-Team der Williams F1-Basis soll in der Lage sein, über 2.000 3D-gedruckte Teile pro Monat zu versenden – eine Zahl, die nicht möglich wäre, wenn die Teile mit konventionellen Fertigungsmitteln hergestellt worden wären.

2. Größere Designflexibilität

3D-Druck bietet die Möglichkeit, das Design von Komponenten schnell und kostengünstig zu ändern . Die Möglichkeit, das Design schnell zu ändern und in kurzer Zeit in 3D zu drucken, bedeutet, dass Ingenieure Fehler finden und das Design in kürzerer Zeit ändern können.

Dies ist besonders wichtig für das Design, das vor einer „Packungs“-Herausforderung steht. Für maximale aerodynamische Vorteile sind Rennwagen schnittig konstruiert und lassen nicht viel Platz im Auto selbst. Dieses Merkmal erschwert jedoch auch das Packen von Fahrzeugkomponenten so, dass bei Boxenstopps ein einfacher Zugang zum Innenraum des Fahrzeugs möglich ist.

Mit dem 3D-Druck haben Ingenieure eine größere Flexibilität, neue Designs schnell auszuprobieren und die am besten passenden Komponenten und Konfigurationen zu entwickeln.

3. Verbesserte Windkanaltests

Der 3D-Druck ist zu einem unverzichtbaren Werkzeug für die Herstellung von haltbaren und genauen Teilen für Windkanaltests geworden , ein wichtiges Mittel zur Beurteilung der aerodynamischen Eigenschaften eines Rennwagens. Aerodynamik ist ein wichtiges Element des Motorsports – durch die Bewertung der potenziellen Kräfte auf ein Fahrzeug und wie sich diese auf seine Geschwindigkeit auswirken, kann es über Sieg oder Niederlage entscheiden.

Für F1-Teams ist das Testen von echten Autos in der Regel auf nur wenige Male pro Jahr beschränkt. Windkanalmodelle bieten daher eine viel schnellere und kostengünstigere Möglichkeit, Autoteile zu testen.

Beim Windkanaltest wird ein Modell mit 60 Prozent der Größe eines echten Autos auf ein Laufband gestellt, um die gleichen Bedingungen (hohe Geschwindigkeiten, Windstärken usw.) Falls benötigt.

Derzeit wird der 3D-Druck am häufigsten verwendet, um Teile zu erstellen, die an diesem Replikat-Rennwagen getestet werden sollen . Im Vergleich zur Zerspanung und zum Modellbau bietet der 3D-Druck eine schnellere, kostengünstigere und effizientere Möglichkeit, Modelle für Windkanaltests herzustellen. Ein weiterer Vorteil ist die Schnelligkeit:Wenn eine Designänderung notwendig ist, erleichtert die additive Fertigung die Herstellung von Bauteilen, die im Windkanal getestet werden können, viel schneller.

DasAlfa Romeo Sauber F1 Team , beispielsweise verwendet SLS- und SLA-3D-Druck umfassend, um Teile wie Frontkotflügel, Bremskanäle und Aufhängungsabdeckungen sowie Motorabdeckungen, Innenkanäle und Handabweiser für Windkanal-Automodelle herzustellen. Berichten zufolge konnte das Team mit der Technologie 200 bis 300 Kunststoffteile pro Arbeitstag in 3D drucken und erklärte, dass „es unmöglich anders wäre als die additive Fertigung von Teilen“.

4. Schnelle Werkzeugherstellung

Der 3D-Druck ist auch eine unschätzbare Technologie, wenn es um die Herstellung von Werkzeugausrüstungen geht , von Vorrichtungen und Vorrichtungen bis hin zu Opfer- und Verbundwerkzeugen. Mit der Technologie sind Hersteller in der Lage, komplexe, kundenspezifische Werkzeuge ohne die hohen Kosten und langen Vorlaufzeiten der traditionellen Werkzeugfertigung herzustellen.

Mit der FDM-Technologie lassen sich beispielsweise Legewerkzeuge mit Hochleistungswerkstoffen wie ULTEM schneller und kostengünstiger herstellen. Das McLaren Formel-1-Team hat die Vorteile von AM erkannt, indem er FDM zum 3D-Drucken eines Lay-up-Tools für eine große Heckflügel-Flap-Erweiterung verwendet hat. Das Teil, das den Abtrieb am Heck erhöhen soll, wurde in drei Tagen aus ULTEM 1010-Material hergestellt, was die Vorlaufzeit erheblich verkürzt.

Der 3D-Druck bietet außerdem den zusätzlichen Vorteil, Werkzeuge nach Bedarf zu produzieren, was sowohl die Produktion als auch die Montage beschleunigt. Einige Teams verwenden bereits 3D-Druck auf der Strecke, um Werkzeuge herzustellen, die bei den letzten Änderungen während der Rennen helfen. Dies hat den zusätzlichen Vorteil, dass keine teuren Kurierdienste erforderlich sind.

5. Verbesserte Teileleistung

Wenn Teams Geschwindigkeit, Zuverlässigkeit und Effizienz von Rennwagenkomponenten verbessern möchten, kann der 3D-Druck dabei helfen, die Teileleistung zu verbessern .

Da Rennwagen relativ leicht sein müssen, sind die am häufigsten verwendeten Metalle Aluminium mit Teilen aus Kohlefaser.

Der 3D-Druck eignet sich besonders für die Herstellung leichter, komplexer Thermoplast- und Metallkomponenten, die einen erheblichen Leistungsvorteil schaffen können. Theoretisch können Gewichtseinsparungen durch 3D-gedruckte Teile den Unterschied zwischen Sieg und Niederlage ausmachen.

Das Alfa Romeo Sauber Formel-1-Team , zum Beispiel, produziert 3D-gedruckte Metallkomponenten für die endgültigen Autos, einschließlich aufrechter Abdeckungen, Garagenausrüstung, Auspuffkomponenten und mehreren einzigartigen Sätzen von Ladeluftkühler- und Kühlereinlässen und -auslässen pro Auto.

Die Herausforderungen des 3D-Drucks im Motorsport

Trotz der aktuellen Verwendung des 3D-Drucks in der Formel 1 und im Motorsport insgesamt bleiben einige Herausforderungen bestehen, wenn es darum geht, das Potenzial der Technologie voll auszuschöpfen.

#1 Konsistenz sicherstellen

Fertige 3D-gedruckte Teile können in Bezug auf die endgültigen Material- und Dimensionseigenschaften oft variieren. Da Motorsportteams oft Teile oder den größten Teil des additiven Fertigungsprozesses auslagern, bedeutet dies, dass Sie möglicherweise nicht jedes Mal genau das gleiche Teil erhalten.

Die Vorteile des 3D-Drucks ermutigen jedoch viele Motorsportunternehmen, mehr 3D-Druck ins Haus zu bringen, um mehr Kontrolle über den Herstellungsprozess zu haben.

#2 Bildung

Der interne 3D-Druck kann jedoch andere Herausforderungen mit sich bringen, darunter mangelndes technisches Know-how. Während es den 3D-Druck schon seit einigen Jahrzehnten gibt, hat sich die Akzeptanz in der Fertigung sowohl als Prototyping- als auch als Produktionswerkzeug allmählich vollzogen. Dies hat sich auch in der Ausbildung niedergeschlagen – was bedeutet, dass viele Designer keine umfassende Erfahrung oder Erfahrung mit der additiven Fertigung hatten.

Daher müssen Motorsportler, die die Vorteile des 3D-Drucks nutzen möchten, auch bereit sein, in Trainingsprogramme zu investieren, um das erforderliche Know-how und die erforderliche Kompetenzbasis aufzubauen.

#3 Verwaltung der 24-Stunden-Produktion

Mit den hausinternen 3D-Druckkapazitäten der Motorsportunternehmen wächst auch die Menge der produzierten Teile. Einige Unternehmen in diesem Bereich verwenden mehr als 10 Maschinen und produzieren pro Woche Tausende von Teilen und Prototypen. Bei solch hohen Stückzahlen stehen Unternehmen unweigerlich vor der Herausforderung, die Produktion von 3D-gedruckten Teilen zu verwalten, wenn kein Workflow-Management-System vorhanden ist.

Einige dieser Ineffizienzen umfassen die manuelle Verwaltung der großen Menge eingehender Anfragen, die täglich eingehen. Bei einem großen Teil dieser Arbeitsabläufe mangelt es auch an Transparenz und Rückverfolgbarkeit, insbesondere da Unternehmen standort- und standortübergreifend arbeiten. Dies bedeutet, dass Teams nicht in der Lage sind, Projekte während des gesamten Produktionsprozesses effizient zu verfolgen.

Eine Möglichkeit, diese Herausforderung zu meistern, besteht darin, den Workflow so weit wie möglich zu automatisieren. Eine dedizierte Workflow-Automatisierungssoftware ist ein nützliches Werkzeug, um viele der Engpässe zu überwinden, auf die Motorsportunternehmen bei der Verwaltung der 3D-Druckproduktion stoßen können. Zu den Vorteilen zählen die Automatisierung des Anforderungsmanagementprozesses, die Auftragsplanung und die Nachverfolgung von Teilen von der Anforderung bis zur Produktion und darüber hinaus.

Aktuelle Anwendungsfälle

Da der 3D-Druck immer noch am häufigsten für den Prototypenbau im Motorsport verwendet wird, herrscht ein weit verbreiteter Irrglaube, dass die Technologie nach wie vor ungeeignet ist, um Endteile mit ausreichender Festigkeit und Haltbarkeit für den Einsatz in Hochleistungsanwendungen wie Rennwagen herzustellen.

Der 3D-Druck wird jedoch bereits auf den höchsten Ebenen der Motorsporttechnik als praktikable Alternative zu bearbeiteten Autoteilen eingesetzt, die schwerer, weniger kosteneffizient und zeitaufwändig in der Herstellung sein können.

3D-gedruckter Rollrahmen

So wird beispielsweise ein Überrollbügel – eine kritische Sicherheitsstruktur, die den Fahrer bei einem Überschlag schützt – vom Alfa Romeo Sauber F1-Team in Metall 3D gedruckt.

Dieses Teil besteht insbesondere aus Scalmalloy, einem Leichtmetall, das speziell für die additive Fertigung entwickelt wurde. Durch die Verwendung dieses Materials in Verbindung mit DMLS (Direct Metal Laser Sintering) kann Sauber F1 einen viel leichteren Rollreifen mit komplexen internen Merkmalen für strukturelle Integrität herstellen. Es konnte auch die Produktionsvorlaufzeiten um 20-25% reduzieren. Die konventionellen Rollreifen, die aus Aluminium gefertigt wurden, hatten nach Angaben des Unternehmens eine viel längere Vorlaufzeit und waren im Vergleich zum additiv gefertigten Teil in der Festigkeit weniger konstant.

Strukturelle Autoteile

Das McLaren F1-Team verwendet 3D-Druck auch, um strukturelle Autoteile herzustellen – erst letztes Jahr hat das Unternehmen mit Stratasys 3D-Druckern eine strukturelle Halterung für einen 2017er Rennwagen in 3D gedruckt. Hergestellt aus kohlenstofffaserverstärktem Nylon auf einem FDM-3D-Drucker, wurde die Halterung in nur vier Stunden in 3D gedruckt, verglichen mit den geschätzten zwei Wochen, die für die Herstellung eines solchen Bauteils mit herkömmlichen Herstellungsverfahren benötigt wurden.

3D-Druck für den Motorsport:ein Wettbewerbsvorteil

Da Motorsportunternehmen ständig bestrebt sind, die Leistung ihrer Autos zu verbessern und gleichzeitig die sich ständig ändernden Rennvorschriften einzuhalten, bietet der 3D-Druck eine Vielzahl von Vorteilen für die Branche.

Die Technologie kann dazu beitragen, die Entwicklungszeit für neue Designs zu verkürzen und Endverbraucherteile herzustellen, die einen erheblichen Leistungsvorteil bieten könnten. Da die Technologie zunehmend übernommen wird, werden noch mehr innovative Anwendungen zum Leben erweckt, die Teams zum Sieg führen.