Impression 3D et Formule 1 :5 tendances dans le sport automobile

Dans un environnement dynamique comme la Formule 1, la vitesse est la clé, à la fois sur et en dehors de la piste. Étant donné que la différence entre une victoire ou une défaite peut n'être que de quelques secondes, perfectionner l'ingénierie d'une voiture de course est un impératif clé pour toute équipe de Formule 1.

Mais répondre rapidement à un monde de réglementations en constante évolution tout en conservant un avantage concurrentiel nécessite une culture de l'innovation. Les équipes de conception et d'ingénierie de Formule 1 doivent donc être en mesure de développer de nouvelles conceptions pour améliorer les performances des voitures.

Alors, où s'inscrit l'impression 3D ?

Idéale pour produire des itérations rapides et des solutions d'ingénierie complexes, l'impression 3D est un atout important pour les concepteurs et les ingénieurs cherchant à accélérer le cycle de développement de produits.

Du prototypage à la création de composants légers, nous verrons comment les équipes de Formule 1 utilisent l'impression 3D pour améliorer les performances et l'innovation.

1. Prototypage plus rapide

Deux objectifs clés lors du développement de nouvelles conceptions pour les composants de voitures de course sont :1) la réduction du temps de production et 2) la réduction des coûts .

Développement de prototypes d'ajustement et de fonction est donc crucial pour valider une pièce avant la production de la version finale. Ici, l'impression 3D prend tout son sens, en fournissant un moyen rentable de produire des prototypes avec des propriétés identiques ou similaires à celles de la pièce finale.

Les règlements et les spécifications techniques des équipes de Formule 1 sont fixés par l'instance dirigeante du sport automobile FIA ​​(Fédération Internationale de l'Automobile). Dans ce cadre, les ingénieurs conçoivent généralement une nouvelle voiture chaque année. À ce rythme de changement, il est important de mettre un prototype en production le plus rapidement possible dès qu'il est conçu.

L'impression 3D permet la fabrication de pièces beaucoup plus rapidement que la fabrication conventionnelle ne le permettrait. Grâce à cette technologie, les ingénieurs peuvent éliminer les étapes fastidieuses de conception et de production d'un modèle et d'un moule avant la fabrication de la pièce. En effet, l'impression 3D commence par le fichier CAO numérique, qui peut être envoyé en production en une fraction du temps.

À titre d'exemple, l'équipe de F1 de la base Williams F1 serait capable d'expédier plus de 2 000 pièces imprimées en 3D par mois – un nombre qui n'aurait pas été possible si les pièces avaient été produites avec des moyens de fabrication conventionnels.

2. Une plus grande flexibilité de conception

L'impression 3D offre la possibilité de modifier la conception des composants rapidement et à moindre coût . Pouvoir apporter des modifications rapides à la conception et les imprimer en 3D dans un court laps de temps signifie que les ingénieurs peuvent trouver des erreurs et modifier la conception dans un laps de temps plus court.

Ceci est particulièrement important pour la conception, qui est confrontée à un défi « d'emballage ». Pour un avantage aérodynamique maximal, les voitures de course sont conçues pour être élégantes, ne laissant pas beaucoup d'espace dans la voiture elle-même. Cependant, cette caractéristique rend également difficile l'emballage des composants de la voiture de manière à permettre un accès facile aux parties intérieures de la voiture lors des arrêts aux stands.

Avec l'impression 3D, les ingénieurs disposent d'une plus grande flexibilité pour essayer rapidement de nouvelles conceptions et développer les meilleurs composants et configurations d'ajustement.

3. Essais améliorés en soufflerie

L'impression 3D est devenue un outil indispensable pour produire des pièces durables et précises pour les tests en soufflerie , un moyen important d'évaluer les propriétés aérodynamiques d'une voiture de course. L'aérodynamisme est un élément important des sports mécaniques - en évaluant les forces potentielles sur un véhicule et comment cela affectera sa vitesse, cela pourrait faire la différence entre une victoire ou une défaite.

Pour les équipes de F1, les tests de voitures réelles sont généralement limités à quelques fois par an. Les modèles de soufflerie offrent donc un moyen beaucoup plus rapide et moins cher de tester des pièces automobiles.

Le test en soufflerie consiste à placer un modèle, à 60 pour cent de la taille d'une vraie voiture, sur un tapis roulant pour imiter les mêmes conditions (vitesses élevées, forces du vent, etc.) qu'une voiture atteindra pendant la course et faire tous les ajustements si nécessaire.

Actuellement, l'impression 3D est la plus largement utilisée pour créer des pièces à tester sur cette réplique de voiture de course . Par rapport à l'usinage et à la fabrication de modèles, l'impression 3D offre un moyen plus rapide, moins cher et plus efficace de produire des modèles pour les tests en soufflerie. Un autre avantage est, encore une fois, la rapidité :si une modification de conception est nécessaire, la fabrication additive permet de produire plus facilement et plus rapidement des composants pouvant être testés en soufflerie.

L'équipe Alfa Romeo Sauber F1 , par exemple, utilise largement l'impression 3D SLS et SLA pour produire des pièces, notamment des ailes avant, des conduits de frein et des couvercles de suspension, ainsi que des couvercles de moteur, des conduits internes et des déflecteurs de main pour les modèles de voitures à soufflerie. L'équipe aurait pu utiliser la technologie pour imprimer en 3D 200 à 300 pièces en plastique par jour de travail, déclarant qu'« il serait impossible de le faire autrement que par la fabrication additive de pièces ».

4. Production rapide d'outillage

L'impression 3D est également une technologie inestimable lorsqu'il s'agit de pproduire des équipements d'outillage , des gabarits et montages aux outils sacrificiels et composites. Grâce à cette technologie, les fabricants sont en mesure de produire des outils complexes et personnalisés sans les coûts élevés et les longs délais associés à la production d'outils traditionnels.

Par exemple, la technologie FDM peut être utilisée pour produire des outils de superposition plus rapidement et de manière plus rentable, en utilisant des matériaux hautes performances tels que l'ULTEM. L'équipe de Formule 1 McLaren a reconnu les avantages de la FA, ayant utilisé FDM pour imprimer en 3D un outil de superposition pour une grande extension de volet d'aile arrière. La pièce, conçue pour augmenter la force d'appui arrière, a été produite avec du matériau ULTEM 1010 en trois jours, ce qui réduit considérablement le délai d'exécution.

L'impression 3D offre également l'avantage supplémentaire de produire des outils à la demande, accélérant à la fois la production et l'assemblage. Certaines équipes utilisent déjà l'impression 3D sur la piste pour produire des outils d'aide aux modifications de dernière minute pendant les courses. Cela a l'avantage supplémentaire de supprimer le besoin de services de messagerie coûteux.

5. Performances des pièces améliorées

Lorsque les équipes cherchent à améliorer la vitesse, la fiabilité et l'efficacité des composants des voitures de course, l'impression 3D peut aider à améliorer les performances des pièces .

Étant donné que les voitures de course doivent être relativement légères, les métaux les plus couramment utilisés sont l'aluminium avec des pièces en fibre de carbone.

L'impression 3D est particulièrement adaptée à la production de composants thermoplastiques et métalliques légers et complexes qui peuvent créer un avantage de performance significatif. En théorie, les économies de poids offertes par les pièces imprimées en 3D peuvent faire la différence entre gagner et perdre.

L'équipe Alfa Romeo Sauber de Formule 1 , par exemple, produit des composants métalliques imprimés en 3D à utiliser sur les voitures finales, notamment des capots verticaux, des équipements de garage, des composants d'échappement et plusieurs ensembles uniques d'entrées et de sorties de refroidisseur intermédiaire et de radiateur par voiture.

Les défis de l'impression 3D dans le sport automobile

Malgré les utilisations actuelles de l'impression 3D au sein de la Formule 1 et du sport automobile dans son ensemble, plusieurs défis demeurent lorsqu'il s'agit de maximiser pleinement le potentiel de la technologie.

#1 Assurer la cohérence

Les pièces imprimées en 3D finies peuvent souvent varier en ce qui concerne le matériau final et les propriétés dimensionnelles. Étant donné que les équipes de sport automobile sous-traitent souvent une partie ou la majeure partie du processus de fabrication additive, cela signifie que vous n'obtiendrez peut-être pas exactement la même pièce à chaque fois.

Cependant, les avantages offerts par l'impression 3D incitent de nombreuses entreprises de sports mécaniques à apporter plus d'impression 3D en interne pour avoir plus de contrôle sur le processus de fabrication.

#2 Éducation

Pourtant, l'impression 3D en interne peut être source d'autres défis, dont le manque d'expertise technique. Alors que l'impression 3D existe depuis quelques décennies, l'adoption au sein de la fabrication en tant qu'outil de prototypage et de production a été progressive. Cela s'est également répercuté sur l'éducation, ce qui signifie que de nombreux concepteurs n'ont pas eu une vaste expérience ou une exposition à la fabrication additive.

Par conséquent, les sports mécaniques qui cherchent à tirer parti des avantages de l'impression 3D doivent également être prêts à investir dans des programmes de formation afin de constituer la base de savoir-faire et de compétences requises.

#3 Gestion de la production 24h/24

Au fur et à mesure que les capacités d'impression 3D internes des entreprises de sports motorisés augmentent, les volumes de pièces produites augmentent également. Certaines entreprises dans ce domaine utilisent plus de 10 machines et produisent des milliers de pièces et prototypes par semaine. Avec des volumes aussi élevés, les entreprises seront inévitablement confrontées au défi de gérer la production de pièces imprimées en 3D si aucun système de gestion de flux de travail n'est en place.

Certaines de ces inefficacités incluent la gestion manuelle du grand volume de demandes entrantes, reçues quotidiennement. Une grande partie de ces flux de travail manque également de visibilité et de traçabilité, d'autant plus que les entreprises travaillent sur plusieurs sites et sites. Cela signifie que les équipes ne sont pas en mesure de suivre efficacement les projets tout au long du processus de production.

L'un des moyens de surmonter ce défi consiste à automatiser autant que possible l'étape du flux de travail. Un logiciel d'automatisation de flux de travail dédié est un outil utile pour surmonter de nombreux goulots d'étranglement que les entreprises de sports motorisés peuvent rencontrer lors de la gestion de la production d'impression 3D. Certains des avantages incluent l'automatisation du processus de gestion des demandes, la planification des tâches et le suivi des pièces de la demande à la production et au-delà.

Cas d'utilisation actuels

Étant donné que l'impression 3D est encore la plus couramment utilisée pour le prototypage dans le secteur du sport automobile, il existe une idée fausse commune selon laquelle la technologie reste inadaptée à la production de pièces d'extrémité suffisamment résistantes et durables pour être utilisées dans des applications hautes performances telles que les voitures de course.

Cependant, l'impression 3D est déjà utilisée dans les plus hauts niveaux de l'ingénierie du sport automobile comme une alternative viable aux pièces automobiles usinées, qui peuvent être plus lourdes, moins rentables et plus longues à produire.

arceau de rouleau imprimé en 3D

Par exemple, un arceau de sécurité – une structure de sécurité essentielle qui protège le conducteur en cas de retournement – ​​est en cours d'impression 3D en métal par l'équipe Alfa Romeo Sauber F1.

Notamment, cette pièce est en Scalmalloy, un métal léger développé spécifiquement pour la fabrication additive. En utilisant ce matériau en conjonction avec le DMLS (frittage laser direct de métal), Sauber F1 peut produire un arceau de rouleau beaucoup plus léger avec des caractéristiques internes complexes pour l'intégrité structurelle. Il a également été en mesure de réduire les délais de production de 20 à 25 %. Selon l'entreprise, les arceaux conventionnels, qui étaient usinés à partir d'aluminium, avaient un délai d'exécution beaucoup plus long et une résistance moins constante que la pièce produite de manière additive.

Pièces automobiles structurelles

L'équipe McLaren F1 utilise également l'impression 3D pour produire des pièces de voiture structurelles - l'année dernière, la société a imprimé en 3D un support structurel pour une voiture de course 2017 à l'aide d'imprimantes 3D Stratasys. Fabriqué avec du nylon renforcé de fibres de carbone sur une imprimante 3D FDM, le support a été imprimé en 3D en seulement quatre heures par rapport aux deux semaines estimées nécessaires pour créer un tel composant à l'aide de méthodes de fabrication traditionnelles.

Impression 3D pour les sports mécaniques :un avantage concurrentiel

Alors que les entreprises de sport automobile s'efforcent continuellement d'améliorer les performances de leurs voitures tout en se conformant aux réglementations de course en constante évolution, l'impression 3D présente une pléthore d'avantages pour le secteur.

La technologie peut aider à réduire le temps de développement de nouvelles conceptions ainsi qu'à produire des pièces d'utilisation finale qui pourraient offrir un avantage significatif en termes de performances. Au fur et à mesure que la technologie est de plus en plus adoptée, nous verrons des applications encore plus innovantes prendre vie, propulsant les équipes vers la victoire.