Umfassende Neuentwicklungen am Fahrzeug vorzunehmen, in den oft sehr engen Zeitfenstern zwischen den Rennen, kann ein kostspieliges Unterfangen sein. Zusätzlich benötigen konventionelle Fertigungsmethoden häufig noch Werkzeuge, die lange Vorlaufzeiten erfordern und Zeit ist ein Luxus, den die meisten Rennteams nicht haben. Um ihre Entwicklungen zu beschleunigen, setzen Motorsportteams von daher auch auf die additive Fertigung. Der 3D-Druck ermöglicht eine schnelle Iteration bei den Teiledesigns und trägt so dazu bei die Leistung, bei gleichzeitig geringeren Kosten, zu verbessern.
Verbesserungen an der Aerodynamik können die Leistung eines Rennwagens signifikant steigern. So kann das Verhalten des Fahrzeugs durch die Optimierung von Abtrieb, Luftwiderstand und Kühlung angepasst und verbessert werden. Eine Verringerung des Luftwiderstands um nur fünf Prozent kann die Leistung um 25 Prozent erhöhen. Um dieses Ziel zu erreichen, müssen schon mal bis zu 600 Bauteile pro Woche entwickelt und produziert werden. Die Leistung und Wirksamkeit jedes neuen Bauteils muss mit Tests in einem Windkanal bewertet werden. Der Zugang zu einem Windkanal ist jedoch oft begrenzt. Dies bedeutet, dass die Teams das Beste aus der ihnen zur Verfügung stehenden Zeit machen müssen, indem sie ihre Entwürfe schnell iterieren und auf neue Modelle anwenden.
Mit der additiven Fertigung können die Ingenieure innerhalb von Stunden mehrere Versionen der Bauteile aus Nanokompositwerkstoffen präzise drucken. Die fertigen Bauteile können dann dazu beitragen, den Luftwiderstand und den Auftrieb zu minimieren, die Stabilität zu erhalten und die Leistung zu steigern. Darüber hinaus können mit additiv gefertigte Prototypkomponenten das Design und die Oberflächeneigenschaften der fertigen Teile vorab getestet werden.
Die Sauber Motorsport AG zum Beispiel hat für ihre anspruchsvollen Windkanaltests eine eigene Fabrik gebaut. Der darinstehende Maschinenpark für die additive Fertigung gehört zu den größten in Europa und ermöglicht Sauber das hohe eigene Innovationstempo aufrechtzuerhalten. Sauber Engineering produziert täglich durchschnittlich 100 bis 150 3D-gedruckte Teile, von denen 80 bis 90 Prozent für Windkanaltests vorgesehen sind.
Leichtbau bringt viele Vorteile
Rennteams müssen Autos konstruieren, die unter extremen Bedingungen wie sehr hohe Temperaturen und enormen Kräften wie Abtrieb, Rotation und Reibung arbeiten können. Nirgendwo im Auto wird das deutlicher als bei den Strukturkomponenten. Die additive Fertigung erlaubt es den Ingenieuren bei der Konstruktion ein optimales Verhältnis zwischen Festigkeit und Gewicht der Metallteile zu erreichen.
Das liegt daran, dass die additive Fertigung eine größere Designfreiheit erlaubt, sodass Teile erstellt werden können, die mit herkömmlichen Methoden nicht möglich wären. Neben der größeren Designfreiheit bietet die additive Fertigung auch die Möglichkeit, die Anzahl der Teile zu reduzieren, das heißt mehrteilige Baugruppen können oft als monolithische Teile hergestellt werden. Das hat den Vorteil, dass auf etwaige spätere Schwachstellen, wie etwa Schweißnähte verzichten werden kann. Mit dem speziellen Design for Additive Manufacturing können langlebige Teile erstellt werden die weniger Einzelteile enthalten und somit zusätzlich kostspielige Montagezeiten überflüssig machen.
Das Rennteam English Racing hatte zum Beispiel in Oregon mit seinem Mitsubishi Evo das Problem, dass der Öldruck nach der Abstimmung zu hoch anstieg und einen Motorschaden verursachte. English Racing wollte dem mit einer neuen Riemenscheibe mit einem größeren Durchmesser entgegentreten. Deren Produktion war jedoch eine große Herausforderung. Die originale Riemenscheibe war ein Gussteil, für das normalerweise eine Form, Werkzeuge zur Herstellung dieser Form, eine beträchtliche Vorlaufzeit und ein völlig überhöhter Geldaufwand erforderlich gewesen wären. English Racing versuchte zwei Jahre lang, dieses Teil zu produzieren, konnte jedoch keine entscheidenden Fortschritte machen.
Erst mit dem Kontakt zu Metal Technologies Inc (MTI) und deren 3D-Druck-Lösung in Metall konnte das Problem gelöst werden. Durch die Zusammenarbeit der beiden Unternehmen konnten die Konstruktionsdaten schnell für den 3D-Druck vorbereitet und ein funktionierender Prototyp in nur fünf Stunden hergestellt werden. Innerhalb von drei Tagen wurde das Teil in den Mitsubishi Evo eingebaut und auf der Rennstrecke eingesetzt. Das Teil funktionierte, reduzierte den Öldruck auf ein sicheres Niveau und ermöglichte es dem Fahrzeug, Geschwindigkeitsrekorde in seiner Klasse aufzustellen.
Verbesserte Strömungsdynamik
Auch unter der Motorhaube gibt es zahlreiche Anwendungen für die additive Fertigung: Luftkanäle, Behälter, Schläuche, Schutzabdeckungen und Kupplungen erfordern oft ein hohes Maß an Flexibilität und/oder Haltbarkeit. Mit der additiven Fertigung können die mechanischen Eigenschaften der Bauteile verbessert werden, um schließlich ein besseres Luft- und Flüssigkeitsmanagement zu ermöglichen. Dies ist hauptsächlich den Werkstoffen zu verdanken, die zur Herstellung dieser Teile verwendet werden. In den letzten eineinhalb Jahren wurden enorme Fortschritte bei der Innovation von 3D-Druckmaterialien gemacht, um die Herstellung von Teilen aus Hochleistungskunststoffen zu ermöglichen. Diese langlebigen, hitzebeständigen Materialien sind wichtig für Anwendungen unter der Motorhaube.
Damit ist es nun möglich, langlebige Teile mit komplexen Geometrien zu erstellen, wie zum Beispiel 3D-gedruckte Ansaugkrümmer, um die interne Systemkühlung zu verbessern, einen besseren Komponentenschutz zu bieten, die Montage zu reduzieren und Flüssigkeitslecks zu vermeiden.
Das Alpine F1 Team hat sich diese Vorteile der additiven Fertigung zunutze gemacht, um auf die neuen Herausforderungen aufgrund immer neuer Rennumgebungen zu reagieren. Mithilfe der Stereolithografie und selektivem Lasersintern kann das Team nun innerhalb von Stunden anstatt von Wochen komplexe Vorrichtungen und Halterungen, Strömungsprüfstände und Fahrzeugkomponenten produzieren. Zudem konnte das Team mit der additiven Fertigung leichtere Teile entwickeln, die die Geschwindigkeit und die Kraftstoffeffizienz gesteigert haben, sowie genaue und aussagekräftige Strömungstests für eine bessere Motorleistung und geringeren Verschleiß durchführen.
Führende Motorsportteams haben sich die additive Fertigung zu eigen gemacht, um ihre Ideen zum Leben zu erwecken – und damit die Leistung ihrer Autos zu verbessern. Durch den Einsatz der 3D-Druck Lösungen, die neben Materialien, 3D-Drucktechnologie und Software auch fachliches Know-how voraussetzen, können präzise Teile produziert werden, die den Bedingungen auf der Strecke standhalten. (fr)
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