3D 打印和一级方程式：赛车运动的 5 大趋势

在一级方程式这样的动态环境中，速度是关键——无论是在赛道上还是赛道外。由于胜负之间的差异可能只是几秒钟的差距，因此完善赛车的工程设计是任何一级方程式车队的一项关键任务。

但是，在保持竞争优势的同时快速应对不断变化的法规世界需要创新文化。因此，一级方程式设计和工程团队必须能够开发新设计以提高汽车性能。

那么 3D 打印适用于何处？

3D 打印是生成快速迭代和复杂工程解决方案的理想选择，是希望加快产品开发周期的设计师和工程师的重要资产。

从原型设计到创建轻量级组件，我们将研究一级方程式车队如何使用 3D 打印来提高性能和创新。

1.更快的原型制作

为赛车部件开发新设计的两个关键目标是：1) 缩短生产时间和 2) 降低成本 .

开发适合和功能原型 因此，对于在生产最终版本之前验证零件至关重要。在这里，3D 打印应运而生，它提供了一种经济高效的方法来生产与最终部件具有相同或相似特性的原型。

一级方程式车队的规则和技术规范由赛车运动管理机构 FIA（国际汽车联合会）制定。在这个框架内，工程师通常每年都会设计一辆新车。在这种变化的速度下，重要的是要在构思出原型后尽快将其投入生产。

3D 打印使零件制造速度更快 比传统制造允许。借助该技术，工程师可以在制造零件之前消除设计和生产图案和模具的耗时步骤。这是因为 3D 打印从数字 CAD 文件开始，可以在很短的时间内将其发送到生产阶段。

例如，位于威廉姆斯 F1 基地的 F1 团队 据说每月能够运送超过 2,000 个 3D 打印部件——如果这些部件是用传统制造方法生产的，这是不可能实现的。

2.更大的设计灵活性

3D 打印提供了快速且经济高效地修改组件设计的能力 .能够对设计进行快速更改并在短时间内进行 3D 打印意味着工程师可以在更短的时间内发现错误并修改设计。

这对于面临“打包”挑战的设计尤为重要。为了获得最大的空气动力学优势，赛车设计得非常时尚，与汽车本身没有太大的空间。但是，此功能也使汽车部件的包装变得困难，无法在进站期间轻松接触汽车内部部件。

借助 3D 打印，工程师在快速尝试新设计和开发最合适的组件和配置方面具有更大的灵活性。

3.增强型风洞测试

3D 打印已成为生产用于风洞测试的耐用且精确的部件不可或缺的工具 ，一种评估赛车空气动力学特性的重要手段。空气动力学是赛车运动的一个重要元素——通过评估车辆上的潜在力以及这将如何影响其速度可以决定胜负。

对于 F1 车队来说，测试真实汽车通常仅限于每年几次。因此，风洞模型为测试汽车零件提供了一种更快、更便宜的方法。

风洞测试包括在跑步机上放置一个模型，其大小为真车的 60%，以模拟赛车在比赛中将达到的相同条件（高速、风力等）并进行任何调整如有必要。

目前，3D 打印最广泛地用于制造要在这辆复制赛车上进行测试的零件 .与机械加工和模型制作相比，3D 打印提供了一种更快、更便宜和更有效的方法来生产用于风洞测试的模型。另一个优势是速度：如果需要更改设计，增材制造可以更轻松地生产可在风洞中进行测试的组件，速度要快得多。

阿尔法罗密欧索伯 F1 车队 例如，广泛使用 SLS 和 SLA 3D 打印来生产零件，包括前翼、刹车导管和悬架罩，以及风洞汽车模型的发动机罩、内部导管和导流板。据报道，该团队已经能够使用该技术在每个工作日 3D 打印 200 到 300 个塑料零件，并表示“除了增材制造零件生产之外，不可能以任何其他方式做到这一点”。

4.快速模具生产

3D 打印在制造模具设备方面也是一项非常宝贵的技术制造工具 ，从夹具和固定装置到牺牲和复合工具。借助该技术，制造商能够生产复杂的定制工具，而无需与传统工具生产相关的高成本和长交付周期。

例如，FDM 技术可用于使用高性能材料（如 ULTEM）更快、更具成本效益地生产叠层工具。 迈凯轮一级方程式车队 已经认识到 AM 的好处，已经使用 FDM 3D 打印了一个用于大型尾翼襟翼延伸的叠层工具。该零件旨在增加后部下压力，在三天内使用 ULTEM 1010 材料生产，显着缩短了交货时间。

3D 打印还提供了按需生产工具的额外好处，从而加快了生产和组装速度。一些车队已经在赛道上使用 3D 打印来生产工具，以帮助在比赛期间进行最后一刻的修改。这具有消除对昂贵快递服务的需求的额外好处。

5.增强部件性能

当团队希望提高赛车部件的速度、可靠性和效率时，3D 打印可以帮助提高零件性能 .

由于赛车需要相对较轻，因此最常用的金属是铝和碳纤维制成的零件。

3D 打印特别适用于生产轻质、复杂的热塑性塑料和金属部件，这可以创造显着的性能优势。从理论上讲，3D 打印部件所提供的重量减轻可以决定输赢。

阿尔法罗密欧索伯一级方程式车队 例如，生产用于最终汽车的 3D 打印金属部件，包括立式盖板、车库设备、排气部件，以及每辆车多组独特的中冷器和散热器入口和出口。

赛车运动中 3D 打印的挑战

尽管目前在一级方程式赛车和整个赛车运动中使用了 3D 打印，但在充分发挥该技术的潜力方面仍然存在一些挑战。

#1 确保一致性

成品 3D 打印部件在最终材料和尺寸特性方面通常会有所不同。由于赛车队经常将部分或大部分增材制造过程外包，这意味着您可能不会每次都获得完全相同的零件。

然而，3D 打印提供的优势鼓励许多赛车运动公司在内部引入更多 3D 打印，以更好地控制制造过程。

#2 教育

然而，内部 3D 打印可能是其他挑战的来源，其中之一是缺乏技术专长。虽然 3D 打印已经存在了几十年，但在制造业中作为原型制作和生产工具的采用一直是渐进的。这也影响到了教育——这意味着许多设计师没有丰富的经验或没有接触过增材制造。

因此，想要利用 3D 打印优势的赛车运动也必须准备好投资培训计划，以建立所需的专业知识和技能基础。

#3 管理 24 小时生产

随着赛车公司内部 3D 打印能力的增长，生产的零件数量也在增加。该领域的一些公司每周使用 10 多台机器并生产数千个零件和原型。由于产量如此之大，如果没有适当的工作流程管理系统，公司将不可避免地面临管理 3D 打印零件生产的挑战。

其中一些低效率包括手动管理每天收到的大量传入请求。这些工作流的很大一部分也缺乏可见性和可追溯性，尤其是当公司跨设施和地点工作时。这意味着团队无法在整个生产过程中有效地跟踪项目。

克服这一挑战的方法之一是尽可能多地自动化工作流程阶段。专用的工作流程自动化软件是克服赛车运动公司在管理 3D 打印生产时可能遇到的许多瓶颈的有用工具。一些好处包括自动化请求管理过程、作业调度和跟踪从请求到生产及以后的零件。

当前用例

由于 3D 打印仍然最常用于赛车领域的原型制作，因此存在一种普遍的误解，即该技术仍然不适合生产具有足够强度和耐用性的末端零件，以用于赛车等高性能应用。

然而，3D 打印已经在最高级别的赛车工程中用作机械加工汽车零件的可行替代方案，后者可能更重、成本效益更低且生产更耗时。

3D 打印卷箍

例如，阿尔法罗密欧索伯 F1 车队正在用金属 3D 打印一个防滚架——一种在发生翻车时保护驾驶员的关键安全结构。

值得注意的是，该部件由 Scalmalloy 制成，这是一种专为增材制造而开发的轻质金属。通过将这种材料与 DMLS（直接金属激光烧结）结合使用，索伯 F1 可以生产出更轻的滚箍，具有复杂的内部特征以实现结构完整性。它还能够将生产提前期缩短 20-25%。据该公司称，与增材制造的零件相比，由铝加工而成的传统辊箍的交货时间要长得多，而且强度一致性较差。

汽车结构件

迈凯轮 F1 车队也在使用 3D 打印来生产结构汽车零件——就在去年，该公司使用 Stratasys 3D 打印机为 2017 年的赛车3D 打印了一个结构支架。该支架由 FDM 3D 打印机上的碳纤维增强尼龙制成，仅用 4 个小时就完成了 3D 打印，而使用传统制造方法创建此类组件估计需要两周时间。

赛车运动的 3D 打印：竞争优势

随着赛车运动公司不断努力提高汽车性能，同时遵守不断变化的赛车规则，3D 打印为该行业带来了诸多好处。

该技术有助于缩短新设计的开发时间，并生产可提供显着性能优势的最终用途部件。随着这项技术被越来越多地采用，我们将看到更多创新应用出现，推动团队走向胜利。