Stratasys партнерится с Champion Motorsport для валидации 3D-печати сердечников на Pikes Peak

27 июня модифицированный 911 Porsche GT2 RS Clubsport от Champion Motorsport (Помпано-Бич, штат Флорида, США) финишировал первым в дивизионе Time Attack 1 99-го Pikes Peak International Hill Climb в Колорадо-Спрингс, штат Колорадо, США.

Один из секретов успеха команды были аэродинамические структуры машины — крылья, подкапотные стрэйки, диффузор и другие компоненты на транспортном средстве, которые эффективнее движут воздух вокруг транспортного средства при вождении. Многие из этих компонентов были 3D-печатаны партнером Stratasys (Реховет, Израиль и Эден-Прейри, штат Миннесота, США), включая успешное первое применение новой безинструментальной, углеродно-волокнисто-обернутой технологии сердечника сэндвича.

Доказательство 3D-печати инструментов и технологий сердечника

Champion Motorsport был клиентом Stratasys несколько лет, «но партнерство превратилось в большее, чем типичные отношения вендор/клиент», — говорит Аллен Кремер, старший стратегический инженер по применениям в Stratasys. Например, Stratasys и Champion ранее работали вместе, чтобы протестировать новую технику, разработанную Stratasys для 3D-печати растворимых инструментов. С этой технологией растворимый пластиковый сердечник, сформированный для воздуховода или другой трубчатой детали, печатается, а затем оборачивается углеродно-волокнистым препрегом. Используя бак для удаления растворимой опоры, напечатанное инструментирование растворяется, оставляя бесшовную, готовую, полую композитную трубу.

«Это было действительно началом нашего партнерства с Champion Motorsport, где мы работали вместе, чтобы создать эту очень сложную, бесшовную углеродно-волокнистую трубу нетрадиционным способом, без границ, как в ЧПУ обработке или формовке», — говорит Патрик Кэри, старший вице-президент — Америки, продукты и решения в Stratasys.

В 2019 году компании решили партнериться на проекте для тестирования новой итерации той же технологии: 3D-печати, углеродно-волокнисто-обернутого сердечника, который не растворяется в воде, а вместо этого является структурным сердечником для готовой детали или прототипа.

Кремер объясняет, что для сэндвич-компонентов работа с и формирование материалов сердечника — будь то гибкий алюминиевый сотовый, жесткая структурная пена или что-то еще — может быть трудной и дорогой, требующей формирования или механической обработки и затем формовки с композитными кожами в выделенной форме. Stratasys печатает жесткий сотовый сердечник из высокотемпературного пластика SABIC (Эр-Рияд, Саудовская Аравия) Ultem 1010. «Мы печатаем точную форму, чтобы подойти на машину, затем просто оборачиваем углеродным волокном, мешаем и отверждаем в печи, не используя форму», — говорит Кремер. «Мы начали с растворимых сердечников, которые наши клиенты все еще используют, и теперь мы перешли к этим сэндвич-сердечникам, которые будут иметь широкие применения в авиации и автопроме».

«Мы называем это «безинструментальным», и это действительно ключ», — добавляет Кэри. «Мы создали это применение, чтобы пропустить весь процесс построения формы и затем укладки в форме». Он отмечает, что устранение инструментирования также позволяет легко менять форму по мере необходимости.

3D-печатанные, награжденные аэродинамические элементы

Для проекта Champion Motorsport три разные технологии вошли в 16 общих аэродинамических деталей, которые Stratasys построил либо для прототипирования, либо для окончательной установки на гоночный автомобиль, объясняет Кэри. «Мы печатали сердечники Ultem 1010 [обернутые углеродным волокном], мы 3D-печатали некоторые детали с использованием углеродно-наполненного нейлона 12, и мы печатали детали с использованием нейлона 6, когда требовались гибкость и ударная прочность».

Самая большая деталь — прототип заднего диффузора длиной 7 футов, шириной 5 футов — был построен для тестирования финального дизайна детали. Он был напечатан в семи частях на принтере F900 методом FDM от Stratasys с использованием полимера Ultem 1010 полиэтерИмида (PEI), склеен вместе, обернут в углеродно-волокнистый препрег, замешон и отвержден в печи. Время оборота для детали составило около пяти дней для печати и чуть более 24 часов для укладки и отверждения: «Это было экстремально быстро, и это было то, что нам нужно в то время», — отмечает Крис Лью, механический инженер в Champion Motorsport.

Вызываемая неопределенностью того, могут ли очные мероприятия проводиться этим летом из-за COVID-19, «проект запустился в последнюю минуту, и много систем требовало одновременного решения», — объясняет Лью. «Аэродинамика — одна из них, и это обычно очень трудоемкий процесс» проектирования, тестирования и итерации компонентов, говорит он. Традиционные методы потребовали бы создания инструментирования, ручной укладки на форме и резки и подгонки сердечника. «Без этого процесса мы не смогли бы выполнить наши целевые даты для тестирования машины на трассе», — говорит Лью.

Передний сплиттер автомобиля также был прототипирован и протестирован похожим образом. Для деталей, которые были прототипами, финальные производственные детали были сделаны с традиционным инструментированием, но прототипная деталь использовалась как шаблон для тестирования разных итераций. Кэри отмечает: «С безинструментальным процессом мы можем итерировать быстрее, тестировать, затем итерировать быстрее, тестировать. С традиционными инструментами вы никогда не могли бы итерировать, вы просто делаете один и застреваете с ним. Здесь мы можем сделать реальную деталь, протестировать ее и научиться от нее».

Ряд более мелких производственных деталей также был произведен Stratasys. Например, крыльчатки по обеим сторонам переднего бампера автомобиля были напечатаны из 35% углеродно-наполненного нейлона 12, боковые юбки автомобиля также были напечатаны в Ultem 1010 с сотовой внутренней заполненостью и затем переобернуты в углеродное волокно.

Многие аэродинамические «стрэйки» автомобиля — маленькие плавниковые кусочки, которые крепятся к внешней части транспортного средства в стратегических точках для помощи в контроле воздушного потока вокруг транспортного средства — также были напечатаны либо из углеродно-наполненного нейлона 12, либо из неоснащенного нейлона 6. Эти детали спроектированы для легкого редизайна или замены по мере необходимости из-за повреждений или износа. «На Pikes Peak есть довольно много шероховатых особенностей ландшафта, которые могут потенциально вызвать повреждение, поэтому способность легко заменять [стрэйки] была ключевой для нас», — добавляет Лью. Несколько запасных комплектов также были напечатаны и доставлены для легкой замены во время гонки по мере необходимости.

За пределами Pikes Peak

Pikes Peak в итоге стал идеальной гонкой для тестирования этой технологии, говорит Кремер, из-за уникальной среды, специфичной для этого мероприятия, которое проводится на высоте 14 000 футов в самой высокой точке. «Все гоночные машины используют даунфорс, чтобы прижать машину к тракции для получения сцепления, но эти конкретные машины на Pikes Peak не похожи на никакую другую форму моторспорта в мире, потому что им нужны действительно преувеличенные аэродинамические эффекты, чтобы удерживать машины на тракции [на этой высоте]». Результат — более крупные крылья и другие аэродинамические компоненты, чем использовались бы на любом другом типе гоночной машины.

В будущем Stratasys планирует представить свою безинструментальную технологию печати сердечников другим гоночным компаниям для похожих аэродинамических деталей. Кэри говорит, что есть многие другие потенциальные применения в малой серии автопрома, рекреационном морском или даже внутренних авиационных деталях в будущем. «Любое применение, требующее итераций или кастомного дизайна, мы верим, что можем добавить ценность там», — говорит он.