Stratasys partners met Champion Motorsport om 3D-geprinte kerntechnologie te valideren in Pikes Peak prestaties

Op 27 juni behaalde een gemodificeerde 911 Porsche GT2 RS Clubsport wagen van Champion Motorsport (Pompano Beach, Florida, VS) de eerste plaats in de Time Attack 1 Division van de 99ste Pikes Peak International Hill Climb in Colorado Springs, Colorado, VS.

Een van de geheimen van het succes van het team was de aerodynamische structuren van de wagen – de vleugels, onderbodestrakes, diffuser en andere componenten die de lucht efficiënter rond het voertuig laten stromen tijdens het rijden. Veel van deze componenten werden 3D-geprint door partner Stratasys (Rehovot, Israël en Eden Prairie, Minnesota, VS), inclusief de succesvolle eerste toepassing voor een nieuwe toellose, koolstofvezel-omwikkelde sandwich kerntechnologie.

3D-geprinte tooling en kerntechnologie bewijzen

Champion Motorsport is al enkele jaren klant van Stratasys, "maar het partnership is uitgegroeid tot meer dan de typische leverancier/klant relatie," zegt Allen Kreemer, senior strategic applications engineer bij Stratasys. Bijvoorbeeld, Stratasys en Champion werkten eerder samen om een nieuwe techniek te testen die Stratasys had ontwikkeld voor 3D-printen van oplosbare tooling. Met deze technologie wordt een oplosbaar plastic kern gevormd voor een kanaal of ander buisvormig onderdeel geprint en vervolgens omwikkeld met koolstofvezel prepreg. Met behulp van een oplosbaar support verwijderingstank lost de geprintte tooling op, wat een naadloze, afgewerkte, holle composiet kanaal achterlaat.

"Dat was echt het begin van ons partnership met Champion Motorsport, waar we samen werkten om deze zeer ingewikkelde, naadloze koolstofvezel kanaal op een niet-traditionele manier te creëren, zonder grenzen als in CNC-bewerking of vormgeving," zegt Patrick Carey, senior VP – Americas, producten en oplossingen bij Stratasys.

In 2019 besloten de bedrijven samen te werken aan een project om een nieuwe iteratie van dezelfde technologie te testen: 3D-geprinte, koolstofvezel-omwikkelde kern die niet in water oploost, maar in plaats daarvan een structurele kern is voor het afgeronde onderdeel of prototype.

Kreemer legt uit dat voor sandwich componenten, werken met en vormgeven van kernmaterialen – of het nu flexibele aluminium honingraat, rigide structurele schuim of iets anders – moeilijk en duur kan zijn, met vormgeving of bewerking en daarna vormgeving met de koolstofvezel composiet huiden in een speciale vorm. Stratasys print een rigide honingraat kern met SABIC (Riyad, Saoedi-Arabië) Ultem 1010 hoogtemperatuurkunststof. "We printen de exacte vorm die past op de wacht, wikkelen dan met koolstofvezel, baggen en harden, zonder een vorm te gebruiken," zegt Kreemer. "We begonnen met de oplosbare kernen, die onze klanten nog steeds gebruiken, en nu zijn we overgegaan op deze sandwich kernen, die brede toepassingen in luchtvaart en automotive zullen hebben."

"We noemen het 'toelloos', en dat is echt de sleutel," voegt Carey toe. "We hebben deze applicatie gecreërd om het hele proces van het bouwen van de vorm en daarna afleggen in de vorm over te slaan." Hij merkt op dat de eliminatie van tooling ook toelaat dat de vorm gemakkelijk gewijzigd kan worden zoals nodig.

3D-geprinte, prijswinnende aerodynamica

Voor het Champion Motorsport-project gingen drie verschillende technologieën in de 16 totale aerodynamische onderdelen die Stratasys bouwde voor hetzij prototyping of finale installatie op het racevoertuig, legt Carey uit. "We printten de Ultem 1010 [koolstofvezel-omwikkelde] kernen, we 3D-printten enkele onderdelen met koolstofvezel-gevulde nylon 12, en we printten onderdelen met nylon 6 wanneer flexibiliteit en impactssterkte vereist was."

Het grootste onderdeel was een 7-voet-lange, 5-voet-brede achterste diffuser prototype onderdeel dat gebouwd werd voor het testen van het eindontwerp. Het werd in zeven stukken geprint op een F900 fused deposition modeling (FDM) Stratasys printer met Ultem 1010 polyetherimide (PEI) polymere, samen gelijmd, omwikkeld in koolstofvezel prepreg, gebagd en oven gehard. De doorlooptijd voor het onderdeel was ongeveer vijf dagen voor printen en net meer dan 24 uur voor afleggen en harden: "Het was extreem snel, en wat we op dat moment nodig hadden," merkt Chris Lyew, mechanical engineer bij Champion Motorsport.

Oorzaak was de onzekerheid of in-persoon evenementen deze zomer gehouden konden worden door COVID-19, "het project kwam laat online, en veel systemen moesten tegelijkertijd worden aangepakt," legt Lyew uit. "Aerodynamica is er een van, en het is normaal een zeer tijdrovend proces" van ontwerpen, testen en itereren van de componenten, zegt hij. Conventionele methoden zouden de creatie van tooling, hand afleggen op de vorm en snijden en passen van de kern vereisen. "Zonder dit proces hadden we onze doeldatums voor het testen van de wacht op de baan niet kunnen halen," zegt Lyew.

De voorste splitter van de wacht werd ook op een vergelijkbare manier geprototypet en getest. Voor de onderdelen die prototypes waren, werden de finale productieonderdelen gemaakt met traditionele tooling, maar het prototype onderdeel werd gebruikt als patroon voor het testen van verschillende iteraties. Carey merkt op, "Met een toelloos proces kunnen we sneller itereren, testen, dan sneller itereren, testen. Met traditionele tools zou je nooit kunnen itereren, je maakt er één en je zit ermee. Hier zijn we in staat om een echt onderdeel te maken, het te testen en ervan te leren."

Een aantal kleinere productieonderdelen werden ook geproduceerd door Stratasys. Bijvoorbeeld, vleugelletjes aan weerskanten van de voorste bumper van de wacht werden geprint van 35% koolstofvezel-gevulde nylon 12, de wagen zijkanten werden ook geprint in Ultem 1010 met een honingraat interne vulling en daarna omwikkeld in koolstofvezel.

Veel van de aerodynamische "strakes" van de wacht – kleine vin-achtige stukken die aan het exterieur van het voertuig op strategische punten bevestigd worden om de luchtstroom rond het voertuig te controleren – werden ook geprint van ofwel koolstofvezel-gevulde nylon 12 of onversterkte nylon 6. Deze onderdelen zijn ontworpen om gemakkelijk herontworpen of vervangen te worden naar behoefte door schade of slijtage. "Op Pikes Peak zijn er vrijwel wat ruwe terreinfeatures die potentiële schade kunnen veroorzaken, dus de mogelijkheid om [de strakes] gemakkelijk te vervangen was cruciaal voor ons," voegt Lyew toe. Verschillende reservesets werden ook geprint en geleverd voor gemakkelijke vervanging tijdens de race naar behoefte.

Na Pikes Peak

Pikes Peak bleek een ideale race om deze technologie te testen, zegt Kreemer, vanwege de unieke omgeving specifiek voor dit evenement, dat plaatsvindt op 14.000 voeten hoogte op het hoogste punt. "Alle racewagens gebruiken downforce om de wacht op de baan te duwen om traction te krijgen, maar deze specifieke wagens op Pikes Peak zijn anders dan elke andere vorm van motorsport in de wereld, omdat ze echt geëxaggererde aerodynamische effecten nodig hebben om de wagens op de baan te houden [op die hoogte]." Het resultaat is grotere vleugels en andere aerodynamische componenten dan die op enig ander type racewacht gebruikt zouden worden.

Voor de toekomst plannet Stratasys zijn toelloze geprintte kerntechnologie te introduceren bij andere racebedrijven voor vergelijkbare aerodynamische onderdelen. Carey zegt dat er veel andere potentiële toepassingen zijn in low-volume automotive, recreatieve marine of zelfs interieure luchtvaartonderdelen in de toekomst. "Elke applicatie die iteratie of een aangepast ontwerp vereist, geloven we dat we daar waarde kunnen toevoegen," zegt hij.