Stratasys s'associe à Champion Motorsport pour valider la technologie de noyau imprimé 3D à Pikes Peak

Le 27 juin, une Porsche 911 GT2 RS Clubsport modifiée de Champion Motorsport (Pompano Beach, Floride, États-Unis) a terminé première dans la division Time Attack 1 du 99e Pikes Peak International Hill Climb à Colorado Springs, Colorado, États-Unis.

Un des secrets du succès de l'équipe était les structures aérodynamiques de la voiture – les ailes, strakes de soubassement, diffuseur et autres composants sur le véhicule qui déplacent l'air plus efficacement autour du véhicule pendant qu'il roule. Beaucoup de ces composants ont été imprimés en 3D par partenaire Stratasys (Rehovot, Israël et Eden Prairie, Minnesota, États-Unis), incluant la première application réussie pour une nouvelle technologie de noyau sandwich enveloppé fibres de carbone sans outillage.

Validation des technologies d'outillage et noyau imprimés 3D

Champion Motorsport est client de Stratasys depuis plusieurs années, « mais le partenariat s'est transformé en plus que la relation vendeur/client typique », dit Allen Kreemer, ingénieur applications stratégiques senior chez Stratasys. Par exemple, Stratasys et Champion ont précédemment travaillé ensemble pour tester une nouvelle technique que Stratasys avait développée pour l'impression 3D d'outillage soluble. Avec cette technologie, un noyau en plastique soluble formé pour un conduit ou autre pièce tubulaire est imprimé puis enveloppé de préimprégné fibres de carbone. En utilisant un bac de retrait de support soluble, l'outillage imprimé se dissout, laissant un conduit composite creux, sans couture, fini.

« C'était vraiment le début de notre partenariat avec Champion Motorsport, où nous avons travaillé ensemble pour créer ce conduit fibres de carbone très complexe, sans couture, d'une manière non traditionnelle, sans frontières comme en usinage CNC ou moulage », dit Patrick Carey, VP senior – Amériques, produits et solutions chez Stratasys.

En 2019, les entreprises ont décidé de s'associer sur un projet pour tester une nouvelle itération de la même technologie : noyau enveloppé fibres de carbone imprimé 3D qui ne se dissout pas dans l'eau, qui est au contraire un noyau structurel pour la pièce finie ou prototype.

Kreemer explique que pour composants sandwich, travailler avec et former des matériaux de noyau – que ce soit nid d'abeille aluminium flexible, mousse structurelle rigide ou autre – peut être difficile et coûteux, nécessitant formage ou usinage puis moulage avec les peaux composites fibres de carbone dans un moule dédié. Stratasys imprime un noyau nid d'abeille rigide en utilisant le plastique haute température SABIC (Riyad, Arabie Saoudite) Ultem 1010. « Nous imprimons la forme exacte pour s'adapter sur la voiture, puis simplement enveloppons de fibres de carbone, ensachons et polymérisons, sans utiliser de moule », dit Kreemer. « Nous avons commencé avec les noyaux solubles, que nos clients utilisent encore, et maintenant nous sommes passés à ces noyaux sandwich, qui auront de larges applications en aérospatial et automobile. »

« Nous l'appelons "sans outillage", et c'est vraiment la clé », ajoute Carey. « Nous avons créé cette application pour sauter tout le processus de construction du moule puis stratification dans le moule. » Il note que l'élimination de l'outillage permet aussi de changer facilement la forme selon les besoins.

Aérodynamique imprimée 3D, primée

Pour le projet Champion Motorsport, trois technologies différentes sont entrées dans les 16 pièces aérodynamiques totales que Stratasys a construites pour soit le prototypage, soit l'installation finale sur le véhicule de course, explique Carey. « Nous avons imprimé les noyaux Ultem 1010 [enveloppés fibres de carbone], nous avons imprimé 3D certaines pièces en nylon 12 chargé fibres de carbone, et nous avons imprimé des pièces en nylon 6 quand flexibilité et résistance à l'impact étaient requises. »

La plus grande pièce était un prototype de diffuseur arrière de 7 pieds de long (2,13 m), 5 pieds de large (1,52 m) construit pour tester le design final. Elle a été imprimée en sept pièces sur une imprimante F900 à dépôt de filament fondu (FDM) Stratasys utilisant le polymère Ultem 1010 polyétherimide (PEI), assemblées, enveloppées en préimprégné fibres de carbone, ensachées et polymérisées au four. Le délai pour la pièce était d'environ cinq jours pour l'impression et un peu plus de 24 heures pour la stratification et polymérisation : « C'était extrêmement rapide, et c'est ce dont nous avions besoin à ce moment », note Chris Lyew, ingénieur mécanique chez Champion Motorsport.

Causée par l'incertitude de savoir si des événements en présentiel pourraient avoir lieu cet été à cause du COVID-19, « le projet est arrivé au dernier moment, et beaucoup de systèmes devaient être adressés en même temps », explique Lyew. « L'aérodynamique en est un, et c'est normalement un processus très chronophage » de conception, test et itération des composants, dit-il. Les méthodes conventionnelles nécessiteraient la création d'outillage, stratification manuelle sur le moule et découpe et ajustement du noyau. « Sans ce processus, nous n'aurions pas pu respecter nos dates cibles pour tester la voiture sur piste », dit Lyew.

Le splitter avant de la voiture a aussi été prototypé et testé de manière similaire. Pour les pièces qui étaient des prototypes, les pièces de production finales ont été faites avec outillage traditionnel, mais la pièce prototype a été utilisée comme patron pour tester différentes itérations. Carey note : « Avec un processus sans outillage nous pouvons itérer plus vite, tester, puis itérer plus vite, tester. Avec outillages traditionnels, vous ne pourriez jamais itérer, vous en faites un et vous êtes coincé avec. Ici, nous sommes capables de faire une vraie pièce, la tester et en apprendre. »

Un certain nombre de pièces de production plus petites ont aussi été produites par Stratasys. Par exemple, les ailettes de chaque côté du pare-chocs avant ont été imprimées en nylon 12 chargé 35% fibres de carbone, les jupes latérales du véhicule ont aussi été imprimées en Ultem 1010 avec remplissage interne nid d'abeille puis sur-enveloppées en fibres de carbone.

Beaucoup des « strakes » aérodynamiques de la voiture – petites pièces en forme d'aileron qui se boulonnent à l'extérieur du véhicule en points stratégiques pour aider à contrôler l'écoulement d'air autour du véhicule – ont aussi été imprimées soit en nylon 12 chargé fibres de carbone, soit en nylon 6 non renforcé. Ces pièces sont conçues pour être facilement redessinées, ou remplacées au besoin suite à dommages ou usure. « À Pikes Peak, il y a pas mal de caractéristiques de terrain accidenté qui pourraient potentiellement causer des dommages, donc la capacité de remplacer [les strakes] facilement était clé pour nous », ajoute Lyew. Plusieurs jeux de rechange ont aussi été imprimés et livrés pour remplacement facile pendant la course au besoin.

Au-delà de Pikes Peak

Pikes Peak s'est avéré être une course idéale pour tester cette technologie, dit Kreemer, à cause de l'environnement unique spécifique à cet événement, qui se tient à 14 000 pieds d'altitude au point le plus haut. « Toutes les voitures de course utilisent l'appui pour plaquer la voiture sur la piste pour gagner de l'adhérence, mais ces voitures particulières à Pikes Peak sont différentes de toute autre forme de sport automobile dans le monde, parce qu'elles ont besoin d'effets aérodynamiques vraiment exagérés pour tenir les voitures sur la piste [à cette altitude]. » Le résultat est des ailes et autres composants aérodynamiques plus grands que ceux utilisés sur tout autre type de voiture de course.

Allant de l'avant, Stratasys prévoit d'introduire sa technologie de noyau imprimé sans outillage à d'autres entreprises de course pour pièces aérodynamiques similaires. Carey dit qu'il y a beaucoup d'autres applications potentielles dans l'automobile bas volume, le nautique récréatif ou même pièces intérieures aérospatiales dans le futur. « Toute application qui nécessite itération ou design personnalisé, nous croyons pouvoir y ajouter de la valeur », dit-il.