Stratasys Faz Parceria com Champion Motorsport para Validar Tecnologia de Núcleo Impresso 3D no Desempenho de Pikes Peak

Em 27 de junho, um carro Porsche 911 GT2 RS Clubsport modificado da Champion Motorsport (Pompano Beach, Flórida, EUA) terminou em primeiro na divisão Time Attack 1 da 99ª Pikes Peak International Hill Climb em Colorado Springs, Colorado, EUA.

Um dos segredos do sucesso da equipe foram as estruturas aerodinâmicas do carro – as asas, strakes de subcorpo, difusor e outros componentes no veículo que movem o ar mais eficientemente ao redor do veículo enquanto dirige. Muitos desses componentes foram impressos em 3D pelo parceiro Stratasys (Rehovot, Israel e Eden Prairie, Minnesota, EUA), incluindo a primeira aplicação bem-sucedida de uma nova tecnologia de núcleo sanduíche enrolado em fibra de carbono sem ferramentas.

Comprovando tecnologias de ferramentas e núcleos impressos em 3D

A Champion Motorsport tem sido cliente da Stratasys por vários anos, "mas a parceria se transformou em mais do que a típica relação fornecedor/cliente", diz Allen Kreemer, engenheiro sênior de aplicações estratégicas da Stratasys. Por exemplo, Stratasys e Champion trabalharam anteriormente juntos para testar uma nova técnica que a Stratasys desenvolveu para impressão 3D de ferramentas solúveis. Com esta tecnologia, um núcleo plástico solúvel moldado para um duto ou outra peça tubular é impresso e depois enrolado com pré-impregnado de fibra de carbono. Usando um tanque de remoção de suporte solúvel, a ferramenta impressa se dissolve, deixando um duto compósito oco, acabado e sem costura.

"Foi realmente o início de nossa parceria com a Champion Motorsport, onde trabalhamos juntos para criar este duto de fibra de carbono muito complexo, sem costura, de forma não tradicional, sem fronteiras como na usinagem CNC ou moldagem", diz Patrick Carey, VP sênior – Américas, produtos e soluções na Stratasys.

Em 2019, as empresas decidiram fazer parceria em um projeto para testar uma nova iteração da mesma tecnologia: núcleo enrolado em fibra de carbono impresso em 3D que não se dissolve em água, que é, em vez disso, um núcleo estrutural para a peça ou protótipo final.

Kreemer explica que para componentes sanduíche, trabalhar com e moldar materiais de núcleo – seja favo de mel de alumínio flexível, espuma estrutural rígida ou outra coisa – pode ser difícil e caro, requerendo moldagem ou usinagem e depois moldagem com peles de compósito de fibra de carbono em um molde dedicado. A Stratasys imprime um núcleo de favo de mel rígido usando plástico de alta temperatura Ultem 1010 da SABIC (Riade, Arábia Saudita). "Imprimimos a forma exata para caber no carro, então simplesmente enrolamos com fibra de carbono, embolsamos e curamos, sem usar um molde", diz Kreemer. "Começamos com os núcleos solúveis, que nossos clientes ainda usam, e agora avançamos para estes núcleos sanduíche, que terão amplas aplicações em aeroespacial e automotivo."

"Chamamos de 'sem ferramentas', e essa é realmente a chave", adiciona Carey. "Criamos esta aplicação para pular todo o processo de construção do molde e depois laminar no molde." Ele observa que a eliminação de ferramentas também permite que a forma seja facilmente alterada conforme necessário.

Estruturas aerodinâmicas impressas em 3D, premiadas

Para o projeto Champion Motorsport, três tecnologias diferentes entraram nas 16 peças aerodinâmicas totais que a Stratasys construiu para prototipagem ou instalação final no veículo de corrida, explica Carey. "Imprimimos os núcleos Ultem 1010 [enrolados em fibra de carbono], imprimimos em 3D algumas peças usando nylon 12 com fibra de carbono, e imprimimos peças usando nylon 6 quando flexibilidade e resistência a impacto eram necessárias."

A maior peça foi um protótipo de difusor traseiro de 7 pés de comprimento, 5 pés de largura, construído para testar o design da peça final. Foi impresso em sete peças em uma impressora F900 de modelagem por deposição fundida (FDM) da Stratasys usando polímero Ultem 1010 poliéterimida (PEI), unidas, enroladas em pré-impregnado de fibra de carbono, embolsadas e curadas em forno. O tempo de resposta para a peça foi de cerca de cinco dias para impressão e pouco mais de 24 horas para laminação e cura: "Foi extremamente rápido, e o que precisávamos na época", nota Chris Lyew, engenheiro mecânico na Champion Motorsport.

Causado pela incerteza de se eventos presenciais poderiam ser realizados este verão devido à COVID-19, "o projeto surgiu em cima da hora, e muitos sistemas precisavam ser abordados ao mesmo tempo", explica Lyew. "Aerodinâmica é um deles, e normalmente é um processo muito demorado" de design, teste e iteração dos componentes, diz ele. Métodos convencionais exigiriam criação de ferramentas, hand layup no molde e corte e ajuste do núcleo. "Sem este processo, não poderíamos ter cumprido nossas datas-alvo para testar o carro na pista", diz Lyew.

O divisor frontal do carro também foi prototipado e testado de forma similar. Para as peças que eram protótipos, as peças de produção final foram feitas com ferramentas tradicionais, mas a peça protótipo foi usada como padrão para testar diferentes iterações. Carey nota, "Com um processo sem ferramentas podemos iterar mais rápido, testar, então iterar mais rápido, testar. Com ferramentas tradicionais, você nunca conseguiria iterar, apenas faz uma e fica preso com ela. Aqui, somos capazes de fazer uma peça real, testar e aprender com ela."

Várias peças de produção menores também foram produzidas pela Stratasys. Por exemplo, winglets em ambos os lados do para-choque frontal do carro foram impressos de nylon 12 com 35% de fibra de carbono, as saias laterais do veículo também foram impressas em Ultem 1010 com preenchimento interno de favo de mel e depois enroladas em fibra de carbono.

Muitos dos "strake" aerodinâmicos do carro – pequenas peças semelhantes a aletas que parafusam ao exterior do veículo em pontos estratégicos para ajudar a controlar o fluxo de ar ao redor do veículo – também foram impressos de nylon 12 com fibra de carbono ou nylon 6 não reforçado. Estas peças são projetadas para serem facilmente redesenhadas ou substituídas conforme necessário devido a danos ou desgaste. "Em Pikes Peak, há várias características de terreno acidentado que poderiam potencialmente causar danos, então a capacidade de substituir [os strakes] facilmente foi chave para nós", adiciona Lyew. Vários conjuntos de reposição também foram impressos e entregues para substituição fácil durante a corrida conforme necessário.

Além de Pikes Peak

Pikes Peak acabou sendo uma corrida ideal para testar esta tecnologia, diz Kreemer, por causa do ambiente único específico a este evento, que é realizado a 14.000 pés de altitude no ponto mais alto. "Todos os carros de corrida usam downforce para empurrar o carro para a pista para ganhar tração, mas estes carros particulares em Pikes Peak são diferentes de qualquer outra forma de automobilismo no mundo, porque eles precisam de efeitos aerodinâmicos realmente exagerados para segurar os carros na pista [naquela altitude]. O resultado é asas maiores e outros componentes aerodinâmicos do que seriam usados em qualquer outro tipo de carro de corrida."

Daqui para frente, a Stratasys planeja introduzir sua tecnologia de núcleo impresso sem ferramentas para outras empresas de corrida para peças aerodinâmicas similares. Carey diz que há muitas outras aplicações potenciais em automotivo de baixo volume, marítimo recreativo ou até peças internas aeroespaciais no futuro também. "Qualquer aplicação que exija iteração ou design personalizado, acreditamos que podemos agregar valor lá", diz ele.