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Jun 17, 2023

Die vielen Möglichkeiten, wie F1-Teams den 3D-Druck in den Motorsport integriert haben

Teilen Sie diesen Artikel In einem Sport, in dem Geschwindigkeit, Gewichtsreduzierung und Entwicklungszyklen entscheidend sind, ist es kein Wunder, dass 3D-Druck und Formel 1 wie ein brennendes Haus miteinander auskommen. Jedes Jahr nimmt der Einsatz des 3D-Drucks zu

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In einem Sport, in dem Geschwindigkeit, Gewichtsreduzierung und Entwicklungszyklen von entscheidender Bedeutung sind, ist es kein Wunder, dass 3D-Druck und Formel 1 wie ein Haus in Flammen miteinander auskommen. Jedes Jahr wird der Einsatz des 3D-Drucks in der Formel 1 ausgeweitet und Teams nutzen die Technologie, um ihre Entwicklungsprozesse schneller als je zuvor voranzutreiben. In diesem Artikel werden einige dieser 3D-Druck-Bemühungen untersucht und wie die Teams und Hersteller die Technologie in den Sport integrieren. Es gab so viele Beispiele zur Auswahl, aber am Ende haben wir sechs unserer Lieblingsprojekte hervorgehoben, die bisher in der Formel 1 stattgefunden haben.

Verbundwerkstoff-Layup-Werkzeug für eine McLaren MCL32-Heckflügelklappe, hergestellt auf einem Stratasys Fortus 900mc 3D-Drucker aus ULTEM 1010-Material.

Im Jahr 2017 gab McLaren bekannt, dass es seine Produktionsbeziehung mit dem 3D-Druckunternehmen Stratasys durch den Kauf weiterer 3D-Drucker ausbauen werde. Das Team nutzte die Fused Deposition Modeling (FDM)-Drucker des Unternehmens, um Teile zu drucken, die Fahrzeugentwicklung zu beschleunigen und wärmeempfindliche Komponenten herzustellen, wollte aber seine Fähigkeit dazu erweitern.

Eine der vielen 3D-gedruckten Verbesserungen, die McLaren vorstellte, war die Heckflügelklappe. Während die Rennflügelklappe selbst nicht 3D-gedruckt wurde, war das Lay-up-Werkzeug, das zum Formen der kohlenstofffaserverstärkten Verbundwerkstoffe verwendet wurde, schon vorhanden. Das Werkzeug wurde auf dem Fortus 900mc Production 3D-Drucker mit ULTEM 1010-Material hergestellt und der Druck dauerte drei Tage. Die in unserer Infografik gezeigte Hochtemperatur-Verbundstruktur wurde entwickelt, um den Abtrieb des Heckflügels zu erhöhen und dem Auto zu helfen, ein paar Zehntel pro Runde zu verlieren. Mit dieser Technologie war McLaren in der Lage, die streckenspezifischen Abtriebsanforderungen schnell zu ändern und sicherzustellen, dass sein Auto auf maximale Leistung ausgelegt war.

McLaren setzt auch in der Saison 2023 weiterhin 3D-Drucker von Stratasys ein und könnte einer der Gründe dafür sein, dass sie mit dem zweitschnellsten Auto in die Sommerpause der Formel 1 starten.

Der obere Abschnitt eines 3D-gedruckten Kolbens. (Bild mit freundlicher Genehmigung von Porsche.)

Einige F1-Fans werden überrascht sein, dass es sich bei einem 3D-gedruckten Autobauteil um einen echten Motorkolben handelt! Ja, Ferrari hat öffentlich über seine Erforschung des Metall-3D-Drucks gesprochen und darüber, wie das Unternehmen es möglicherweise zur Herstellung seiner Motorkolben nutzen könnte. Das Unternehmen glaubt, dass die Technologie nicht nur dazu beitragen könnte, Gewicht bei einem Auto zu sparen, sondern auch die Zuverlässigkeit seines Motors zu erhöhen.

Insbesondere Ferrari hat verschiedene Stahllegierungspulver erforscht, die zur Herstellung von 3D-gedruckten Kolben verwendet werden könnten. Das Unternehmen wollte sich von häufig verwendeten Aluminiumlegierungspulvern verabschieden und sich stattdessen auf eine Stahllegierung verlassen, die Verformungen besser widerstehen kann, ohne bei extremen Temperaturen zu brechen. Während die Stahllegierung möglicherweise schwerer ist, kann Ferrari gewichtssparende Gitterdesigns wie ein Wabenmuster einbauen, um Gewicht zu sparen und gleichzeitig die Festigkeit des Teils beizubehalten.

Ferrari ist nicht der Einzige, der den 3D-Druck für Motorenkonstruktionen erforscht, aber er ist einer der lautstärksten Hersteller.

Das 3D-gedruckte Rollreifenkonzept, entwickelt von 3T AM, ehemals 3T RPD. (Bild mit freundlicher Genehmigung von 3T AM.)

Die Beziehung zwischen 3D-Druck und Formel 1 hat sich in den letzten Jahren zwar ausgeweitet, doch bevor die Technologie zu einer tragenden Säule wurde, mussten die Teams wissen, dass der 3D-Druck die angepriesenen Vorteile bieten kann. Im Jahr 2012 unterstützte 3T AM, ehemals 3T RPD, diese Bemühungen und demonstrierte der Formel 1 die Vorteile des Metall-3D-Drucks, indem es sein eigenes Konzept eines 3D-gedruckten Rollreifens entwickelte.

Der Titan-Rollreifen nutzte die Titanlegierung Ti6Al4V und ein maßgeschneidertes Gitterdesign von Within Technologies, um 2 kg Gewicht einzusparen. Das Design wurde mithilfe der Within Enhanced-Software optimiert, einschließlich der Einbeziehung dünner Wände mit einer internen Gitterstruktur, um die strukturelle Festigkeit zu schaffen, die zum Schutz des Kopfes eines Fahrers während eines Überschlags des Fahrzeugs erforderlich ist.

Die F1-Teams erhielten positives Feedback für den Überrollbügel und wurden seitdem in einige der F1-Autos integriert.

Ein Konzeptbild des 3D-gedruckten Bremspedals von EOS. (Bild mit freundlicher Genehmigung von EOS.)

Wenn jedes Gramm zählt, werden F1-Teams versuchen, überall Gewicht einzusparen. Dazu gehören jetzt sogar Bremspedale!

EOS, der führende Hersteller von 3D-Druckern mit Metall-Laser-Pulverbett-Fusion (LPBF), demonstrierte seine Fähigkeit, das Gewicht des Pedals nicht nur zu verringern, sondern es dabei auch zu versteifen. Das Unternehmen forderte seine Ingenieure auf, einen Weg zu finden, seine Software zur Topologieoptimierung und die LPBF-Drucktechnologie zu nutzen, um das Bremspedal herzustellen und dabei sein Gewicht zu reduzieren. Das Ergebnis war ein Pedal mit einem Gewicht von nur 178 Gramm und einem spinnennetzähnlichen Design, das für strukturelle Stabilität sorgt. Laut EOS kann das Gewicht um weitere 80 Gramm reduziert werden, sodass ein Funktionsteil entsteht, das nur 98 Gramm wiegt.

Ab 2021 waren die Pedale nur noch Demo-Pedale und nicht für den Rennsport konzipiert. Wenn die F1-Teams dies wollten, könnten sie sie jedoch herstellen und testen, um sicherzustellen, dass sie den FIA-Sicherheitsstandards entsprechen.

Ein 3D-gedruckter Bremseinlass für Sauber Alfa Romeo.

Als Sauber Alfa Romeo seine Bremseinlasskonstruktionen testen musste, wandte es sich an Polymer-LPBF. Das Unternehmen hat die Technologie genutzt, um mehrere Ideen für Bremseinlässe schneller umzusetzen, als dies mit herkömmlichen Herstellungsverfahren möglich wäre. Das Team sagt, dass es die Flexibilität und Geschwindigkeit, die LPBF bietet, genießt und es ihm gleichzeitig ermöglicht, Designs zu entdecken, die sicherstellen, dass ein Auto die beste Leistung erbringt.

Aufgrund der leichten und steifen Eigenschaften des Materials druckt das Entwicklungsteam mit seinem proprietären HiPAC-Pulver, einem kohlenstoffverstärkten Polyamid. Sauber liebt die Kosteneinsparungen, die der 3D-Druck ermöglicht, und die Zeitersparnis, die durch die parallele Erforschung mehrerer Entwicklungswege entsteht. Sauber beabsichtigt, die Technologie weiterhin zu nutzen, da sie dem Team geholfen hat, Fahrzeuge schneller zu entwickeln und im hart umkämpften Entwicklungsrennen der Formel 1 agil zu bleiben.

Williams' F1-Auto. (Bild mit freundlicher Genehmigung von Williams Racing.)

Eines der traditionsreichsten F1-Teams, Williams Racing, hat 3D-Druck verwendet, um bei Windkanaltests die Entwicklung seiner Frontflügel und anderer Komponenten zu unterstützen.

Williams, das zuvor mit dem deutschen Hersteller EOS zusammengearbeitet hatte, kündigte 2021 eine neue Partnerschaft mit Nexa3D an, um seine Kapazitäten im Bereich der additiven Fertigung zu erweitern. Das Team plant, NXE400-Drucker für fotohärtendes Harz und die NexaX-Software zu verwenden, um die Druckproduktion und die Teileleistung für ihr Auto zu optimieren.

Mit der Technologie von Nexa3D wird das Team nun in der Lage sein, aerodynamische Ideen schneller umzusetzen und zu versuchen, die Lücke zum Mittelfeld zu schließen.

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