Stratasys、Champion Motorsportと提携しパイクスピークで3Dプリントコア技術を実証

6月27日、Champion Motorsport（米国フロリダ州ポンパノビーチ）の改造911ポルシェGT2 RS Clubsportが、米国コロラド州コロラドスプリングスで開催された第99回パイクスピークインターナショナルヒルクライムのTime Attack 1部門で優勝しました。

チームの成功の秘訣の一つは、車両の空力構造物（ウィング、アンダーボディストレーキ、ディフューザー、車両周りの空気をより効率的に動かすその他のコンポーネント）でした。これらの多くは、パートナーのStratasys（イスラエル、レホベットおよび米国ミネソタ州エデンプレーリー）によって3Dプリントされ、新しいツールレス・カーボンファイバー巻きサンドイッチコア技術の初の成功事例を含んでいました。

3Dプリントツーリングとコア技術の実証

Champion Motorsportは数年間Stratasysの顧客でしたが、「パートナーシップは典型的なベンダー/顧客関係を超えたものになりました」と、Stratasysシニアストラテジックアプリケーションエンジニアのアレン・クリーマー氏は言います。例えば、StratasysとChampionは以前、溶解性ツーリングの3Dプリント新技術をテストするために協力しました。この技術では、ダクトやその他のチューブ形状部品に成形された溶解性プラスチックコアをプリントし、カーボンファイバープリプレグで巻きます。溶解性サポート除去タンクを使用すると、プリントされたツーリングが溶解し、シームレスな完成中空複合ダクトが残ります。

「それがChampion Motorsportとのパートナーシップの真の始まりでした。CNC加工や成形のような境界なしに、非伝統的な方法で非常に複雑なシームレスカーボンファイバーダクトを作成するために協力しました」と、Stratasysアメリカ担当シニアVP製品・ソリューションのパトリック・ケアリー氏は述べています。

2019年、両社は同じ技術の新しいイテレーションをテストするプロジェクトで提携することを決めました。水に溶解しない3Dプリント・カーボンファイバー巻きコア、つまり完成部品やプロトタイプの構造コアです。

クリーマー氏は、サンドイッチコンポーネントでは、フレキシブルアルミニウムハニカム、リジッド構造フォームなどのコア材料の加工と成形が難しく高価で、成形や機械加工が必要で、専用金型でカーボンファイバー複合スキンと成形する必要があると説明します。Stratasysは、SABIC（サウジアラビア、リヤド）Ultem 1010高温プラスチックを使用してリジッドハニカムコアをプリントします。「車両に適合する正確な形状をプリントし、カーボンファイバーで巻き、バッグして硬化するだけで、金型を使用しません」とクリーマー氏は言います。「溶解性コアから始まり、お客様は今もそれを使用しています。そして今、航空宇宙と自動車で広範な用途を持つこれらのサンドイッチコアに進出しました。」

「これを『ツールレス』と呼んでいますが、それがまさに鍵です」とケアリー氏は付け加えます。「金型製作と金型での積層というプロセス全体をスキップするアプリケーションを作りました。」ツーリングの排除により、必要に応じて形状を容易に変更できると指摘しています。

3Dプリント受賞空力パーツ

Champion Motorsportプロジェクトでは、Stratasysがレース車両のプロトタイピングまたは最終搭載用に製作した合計16個の空力パーツに、3つの異なる技術が使用されたとケアリー氏は説明します。「Ultem 1010（カーボンファイバー巻き）コアをプリントし、カーボンファイバー充填ナイロン12で一部を3Dプリントし、柔軟性と衝撃強度が必要な場合はナイロン6でプリントしました。」

最大のパーツは、最終部品設計をテストするために製作された全長7フィート、幅5フィートのリアディフューザープロトタイプパーツでした。F900溶解積層造形（FDM）StratasysプリンターでUltem 1010ポリエーテルイミド（PEI）ポリマーを使用し、7ピースでプリント、接着、カーボンファイバープリプレグで巻き、バッグしてオーブン硬化。パーツのターンアラウンドタイムは、プリント約5日、積層と硬化で24時間強。「非常に速く、当時必要としていたものでした」と、Champion Motorsport機械エンジニアのクリス・リュー氏は述べています。

COVID-19で今夏の対面イベント開催が不透明だったため、「プロジェクトは直前になって始動し、多くのシステムを同時に対処する必要がありました」とリュー氏は説明します。「空力はその一つで、通常は設計、テスト、コンポーネント反復の非常に時間のかかるプロセスです」従来の方法では、ツーリング作成、金型への手積み、コアの切削・フィッティングが必要です。「このプロセスなしでは、トラックテストの目標期限に間に合いませんでした」とリュー氏は言います。

車両のフロントスプリッターも同様にプロトタイピング・テストされました。プロトタイプだったパーツの最終生産品は従来のツーリングで製造されましたが、プロトタイプパーツをパターンとして使用し、異なるイテレーションをテストしました。ケアリー氏は、「ツールレスプロセスなら、より速く反復し、テストし、また速く反復し、テストできます。従来のツールでは、一度作って終わりです。ここでは、実際の部品を作り、テストし、学ぶことができます。」

多数の小型生産パーツもStratasysで製造されました。例えば、車両フロントバンパー両側のウィングレットは35%カーボンファイバー充填ナイロン12でプリント、車両サイドスカートはUltem 1010でハニカム内部充填プリント後、カーボンファイバーでオーバーラップされました。

車両の空力「ストレーキ」の多く（車両外部の戦略的ポイントにボルト留めされ、車両周りの気流を制御する小さなフィン状ピース）も、カーボンファイバー充填ナイロン12または無補強ナイロン6でプリントされました。これらのパーツは、損傷や摩耗による必要に応じて容易に再設計、交換可能です。「パイクスピークでは、かなり荒れた地形特徴があり、潜在的に損傷を引き起こす可能性があるため、ストレーキを容易に交換できることは我々にとって鍵でした」とリュー氏は付け加えます。予備セットも複数プリントされ、レース中の必要に応じた交換用として納入されました。

パイクスピークを超えて

クリーマー氏によると、パイクスピークはこの技術をテストする理想的なレースでした。最高地点で標高14,000フィートという独特の環境があるためです。「すべてのレースカーはダウンフォースを使って車をトラックに押し付けトラクションを得ますが、パイクスピークのこれらの車は、世界の他のどのモータースポーツとも異なり、その標高で車をトラックに押し付けるために、本当に誇張された空力効果が必要です。」結果として、他のどのタイプのレースカーよりも大きなウィングやその他の空力コンポーネントが必要になります。

今後、Stratasysはツールレスプリントコア技術を他のレーシングカンパニーに導入し、同様の空力パーツに展開する計画です。ケアリー氏は、低量生産自動車、レクリエーションマリン、将来的にはインテリア航空宇宙部品など、多くの他の潜在的用途があると述べています。「反復やカスタム設計を必要とするあらゆる用途で、我々は価値を加えられると信じています。」