Stratasys colabora con Champion Motorsport para validar tecnología de núcleo impreso en 3D en rendimiento Pikes Peak

El 27 de junio, un Porsche 911 GT2 RS Clubsport modificado de Champion Motorsport (Pompano Beach, Florida, EE. UU.) terminó primero en la división Time Attack 1 de la 99ª Subida Internacional de Pikes Peak en Colorado Springs, Colorado, EE. UU.

Uno de los secretos del éxito del equipo fueron las estructuras aerodinámicas del coche – los alerones, strakes inferiores, difusor y otros componentes en el vehículo que mueven el aire más eficientemente alrededor del vehículo mientras conduce. Muchos de estos componentes fueron impresos en 3D por el socio Stratasys (Rehovot, Israel y Eden Prairie, Minnesota, EE. UU.), incluyendo la primera aplicación exitosa para una nueva tecnología de núcleo sándwich envuelto en fibra de carbono sin utillaje.

Validando tecnologías de utillaje y núcleo impresos en 3D

Champion Motorsport ha sido cliente de Stratasys durante varios años, "pero la colaboración se ha convertido en algo más que la típica relación proveedor/cliente", dice Allen Kreemer, ingeniero senior de aplicaciones estratégicas en Stratasys. Por ejemplo, Stratasys y Champion trabajaron juntos previamente para probar una nueva técnica que Stratasys había desarrollado para impresión 3D de utillaje soluble. Con esta tecnología, un núcleo plástico soluble formado para un conducto u otra pieza tubular se imprime y luego se envuelve con prepreg de fibra de carbono. Usando un tanque de eliminación de soporte soluble, el utillaje impreso se disuelve, dejando un conducto compuesto hueco, sin costuras y terminado.

"Eso fue realmente el comienzo de nuestra colaboración con Champion Motorsport, donde trabajamos juntos para crear este conducto de fibra de carbono muy complicado, sin costuras, de forma no tradicional, sin límites como en mecanizado CNC o moldeo", dice Patrick Carey, VP senior – Américas, productos y soluciones en Stratasys.

En 2019, las empresas decidieron colaborar en un proyecto para probar una nueva iteración de la misma tecnología: núcleo envuelto en fibra de carbono impreso en 3D que no se disuelve en agua, que es en su lugar un núcleo estructural para la pieza o prototipo terminado.

Kreemer explica que para componentes sándwich, trabajar con y dar forma a materiales de núcleo – ya sea panal de aluminio flexible, espuma estructural rígida u otra cosa – puede ser difícil y costoso, requiriendo conformado o mecanizado y luego moldeo con las pieles de compuesto de fibra de carbono en un molde dedicado. Stratasys imprime un núcleo de panal rígido usando plástico de alta temperatura Ultem 1010 de SABIC (Riyadh, Arabia Saudita). "Imprimimos la forma exacta para encajar en el coche, luego simplemente envolvemos con fibra de carbono, embolsamos y curamos, sin usar un molde", dice Kreemer. "Empezamos con los núcleos solubles, que nuestros clientes aún usan, y ahora nos hemos movido a estos núcleos sándwich, que tendrán amplias aplicaciones en aeroespacial y automotriz."

"Lo llamamos 'sin utillaje', y esa es realmente la clave", añade Carey. "Hemos creado esta aplicación para saltarse todo el proceso de construir el molde y luego estratificar en el molde." Señala que la eliminación del utillaje también permite que la forma se cambie fácilmente según sea necesario.

Aerodinámica impresa en 3D, galardonada

Para el proyecto Champion Motorsport, tres tecnologías diferentes entraron en las 16 piezas aerodinámicas totales que Stratasys construyó para prototipado o instalación final en el vehículo de carrera, explica Carey. "Imprimimos los núcleos [envueltos en fibra de carbono] de Ultem 1010, imprimimos en 3D algunas piezas usando nailon 12 relleno de fibra de carbono, e imprimimos piezas usando nailon 6 cuando se requería flexibilidad y resistencia al impacto."

La pieza más grande fue una pieza prototipo de difusor trasero de 7 pies de largo por 5 pies de ancho construida para probar el diseño final de la pieza. Se imprimió en siete piezas en una impresora F900 de modelado por deposición fundida (FDM) de Stratasys usando polímero Ultem 1010 poliéterimida (PEI), unidas, envueltas en prepreg de fibra de carbono, embolsadas y curadas en horno. El tiempo de respuesta para la pieza fue de unos cinco días para impresión y poco más de 24 horas para estratificado y curado: "Fue extremadamente rápido, y lo que necesitábamos en ese momento", señala Chris Lyew, ingeniero mecánico en Champion Motorsport.

Causado por la incertidumbre de si los eventos presenciales podrían celebrarse este verano debido a COVID-19, "el proyecto surgió en el último minuto, y muchos sistemas necesitaban ser abordados al mismo tiempo", explica Lyew. "La aerodinámica es uno de ellos, y normalmente es un proceso muy lento" de diseño, prueba e iteración de componentes, dice. Los métodos convencionales requerirían la creación de utillaje, estratificado manual en el molde y corte y ajuste del núcleo. "Sin este proceso, no habríamos podido cumplir nuestras fechas objetivo para probar el coche en la pista", dice Lyew.

El divisor frontal del coche también se prototipó y probó de forma similar. Para las piezas que eran prototipos, las piezas de producción final se hicieron con utillaje tradicional, pero la pieza prototipo se usó como patrón para probar diferentes iteraciones. Carey señala: "Con un proceso sin utillaje podemos iterar más rápido, probarlo, luego iterar más rápido, probarlo. Con herramientas tradicionales, nunca podrías iterar, solo haces una y te quedas con ella. Aquí, podemos hacer una pieza real, probarla y aprender de ella."

Un número de piezas de producción más pequeñas también fueron producidas por Stratasys. Por ejemplo, los alerones a cada lado del parachoques delantero del coche se imprimieron de nailon 12 relleno al 35% de fibra de carbono, los faldones laterales del vehículo también se imprimieron en Ultem 1010 con relleno interno de panal y luego envueltos en fibra de carbono.

Muchos de los "strake" aerodinámicos del coche – pequeñas piezas tipo aleta que se atornillan al exterior del vehículo en puntos estratégicos para ayudar a controlar el flujo de aire alrededor del vehículo – también se imprimieron de nailon 12 relleno de fibra de carbono o nailon 6 sin refuerzo. Estas piezas están diseñadas para ser fácilmente rediseñadas o reemplazadas según sea necesario por daño o desgaste. "En Pikes Peak, hay bastantes características de terreno áspero que podrían causar daño potencial, así que la capacidad de reemplazar [los strakes] fácilmente fue clave para nosotros", añade Lyew. Varios juegos de repuesto también se imprimieron y entregaron para fácil reemplazo durante la carrera según necesidad.

Más allá de Pikes Peak

Pikes Peak resultó ser una carrera ideal para probar esta tecnología, dice Kreemer, debido al entorno único específico de este evento, que se celebra a 14.000 pies de altitud en el punto más alto. "Todos los coches de carrera usan carga aerodinámica para pegar el coche a la pista para ganar tracción, pero estos coches en particular en Pikes Peak son diferentes a cualquier otra forma de automovilismo en el mundo, porque necesitan efectos aerodinámicos realmente exagerados para mantener los coches pegados a la pista [a esa altitud]. El resultado son alerones y otros componentes aerodinámicos más grandes que los que se usarían en cualquier otro tipo de coche de carrera."

De cara al futuro, Stratasys planea introducir su tecnología de núcleo impreso sin utillaje a otras empresas de carreras para piezas aerodinámicas similares. Carey dice que hay muchas otras aplicaciones potenciales en automoción de bajo volumen, marina recreativa o incluso piezas interiores aeroespaciales en el futuro. "Cualquier aplicación que requiera iteración o diseño personalizado, creemos que podemos añadir valor allí", dice.