Warum wendet sich die Formel 1 dem 3D-Druck zu?

Die Formel-1-Saison 2019 geht bald zu Ende und wir konnten erneut sehen, dass der 3D-Druck allen Teams wieder einmal geholfen hat, ihr Ziel einer schnelleren Entwicklung zu erreichen. Ja, das stimmt, alle Teams. Alle 10 Formel-1-Konstrukteurteams nutzen die additive Fertigung, um Teile für ihre Autos herzustellen. In diesem Jahr – wie jedes Jahr in der Formel 1 – wurden die Autos an ihre Grenzen gebracht und waren schneller denn je. In der technologiegetriebenen und sich ständig verändernden Welt der Formel 1 werden Methoden wie ultraschnelles Prototyping, hochpräzise Kleinserien- und Teilefertigung in allen Arten von Materialien und komplexen Formen ermöglicht, ständig erforscht und eingesetzt. Da die 3D-Drucktechnologien voranschreiten, erkennen wir eine immer stärkere Nutzung durch Formel-1-Teams.

Natürlich nutzen auch andere Motorsportserien wie Indycar, Lemans, WRC, Formel 2 & 3 und Formel E die Vorteile der additiven Fertigungstechnologien. Die Formel 1, als vielleicht inoffizieller Führer des technologischen Fortschritts im Motorsport, war jedoch der erste und größte Anwender. Starke langfristige Partnerschaften zwischen 3D-Druckgiganten und Formel-1-Teams sind keine Seltenheit. Das McLaren Formel-1-Team informierte bereits 2017 über einen 4-jährigen Partnerschaftsvertrag mit Stratasys. Ähnliches beim Renault F1 Team und 3D Systems oder Williams Formula One und EOS.

Wir fragten uns, wann und warum hat die Formel 1 mit dem 3D-Druck begonnen? Welche Teile entstehen und wie? Und natürlich, wie sieht die Zukunft für die Beziehung der beiden aus?

Die Geschichte des 3D-Drucks in der Formel 1

In der Vergangenheit war bekannt, dass die Formel 1 ein früher Anwender jeder Technologie ist, die dazu beitragen kann, schnellere, leichtere und stärkere Autos zu entwickeln. Das Vorhandensein von 3D-Druck in der Formel 1 ist nichts Neues, denn als wir mit Pat Warner, ADM-Manager im Renault F1 Team und bekannter Experte für additive Fertigung, sprachen, sagte er uns, dass das Renault F1 Team bereits 1998 seinen ersten 3D-Drucker gekauft habe. Natürlich begann die Nutzung von AM erst in den 2010er Jahren.

Das Formel-1-Auto aus 1998 von Ferrari (links) und das von 2017 (rechts)

Der 3D-Druck begann als Technologie für Rapid Prototyping, dort kam er zunächst den F1-Teams zugute. Damit ein Formel-1-Team erfolgreich sein kann, muss es immer innovativ sein, so dass deren Autos schneller sind als die der Konkurrenten, was sich in schnelleren Rundenzeiten widerspiegelt. Dies erfordert eine schnelle Iteration von neuen Teilen für die Autos, oft innerhalb weniger Tage zwischen den Rennen. „Ein Vorteil des 3D-Drucks ist die Möglichkeit, einen Prototyp schnell zu drucken, ihn in einem Windkanal zu testen und das Design bei Bedarf schnell zu ändern. Sobald das Teil die Spezifikation erfüllt hat, können die Teams auch den 3D-Druck nutzen, um ein fertiges Teil herzustellen“, erklärt Simon van De Crommert, Vertriebsleiter bei 3D Systems und Veteran des 3D-Drucks.

Wie schlägt sich der 3D-Druck neben anderen Fertigungstechnologien?

In Anbetracht der Tatsache, dass traditionelle Fertigungsmethoden wie Spritzguss und CNC-Bearbeitung schon seit langem im Einsatz sind, erscheint es für den 3D-Druck unglaublich schwierig, diese Popularität zu erlangen. Was sind nun genau die Vorteile, die additive Fertigungstechnologien im Vergleich zu anderen Herstellungsverfahren bieten? Der 3D-Druck ermöglicht es, kleine Mengen von Teilen sehr schnell zu drucken, im Gegensatz zu anderen Fertigungsmethoden, die oft kostspielige und zeitaufwändige Werkzeuge erfordern. Sie ist auch in der Lage, Teile mit zusätzlicher Komplexität herzustellen, die mit herkömmlichen Fertigungstechnologien überhaupt nicht herstellbar sind, und gleichzeitig deren Leistung zu verbessern. In einer Sportart mit so schnellen Veränderungen von Rennen zu Rennen geht es um die Fähigkeit, komplexe Teile schnell zu konstruieren und herzustellen. Aus softwaretechnischer Sicht ermöglichen Anwendungen wie die Topologieoptimierung es Ingenieuren, das Gewicht von Teilen zu reduzieren und tiefer im Auto zu verteilen (oft auf dem Boden, um einen niedrigeren Schwerpunkt zu erhalten, wodurch das Auto schneller durch die Kurven fahren kann). Insgesamt helfen schnellere Time-to-Part Ergebnisse und reduzierte Kosten den Formel-1-Teams, ihren Wettbewerbsvorteil zu erhalten.

Bei Kunststoffteilen ist es für den 3D-Druck nahezu unmöglich, zu dominieren, da der Spritzguss eine weitaus ausgereiftere Technologie ist und eine viel größere Bandbreite an Materialien bietet. Der fehlende Bedarf an Formen bietet jedoch einen Vorteil für den 3D-Druck, weshalb er oft als ergänzende Technologie eingesetzt wird. Pat Warner sagte uns: „Additive Fertigung wird das Spritzgießen nicht ersetzen, es ist nur ein weiteres Werkzeug in der Box. Alle Technologien kommen zusammen, um das endgültige Teil zu schaffen.“ 

Wenn es um die Herstellung von Metallteilen geht, sehen wir starke Synergien zwischen den Fertigungstechnologien. Normalerweise ist das, was aus dem Drucker kommt, ein „Near Net Shape“-Teil, was bedeutet, dass es sehr nah am Endteil ist, aber dennoch eine gewisse Nachbearbeitung erfordert. Normalerweise wird CNC für die Endpräzision oder das Glätten usw. verwendet. Der Vorteil des 3D-Drucks besteht darin, dass CNC nur begrenzte Möglichkeiten bietet, die man ausführen kann. Der 3D-Druck hingegen ermöglicht es, mit einer viel reichhaltigeren Geometrie zu entwerfen und zu produzieren. Am Ende des Tages schafft es die Kombination von beidem, das erwünschte Teil zu erhalten.

Welche Formel-1-Teile werden 3D-gedruckt und mit welchen Technologien?

Nach Angaben des Renault F1-Teams hat jedes seiner beiden Formel-1-Fahrzeuge im Jahr 2019 zu einem bestimmten Zeitpunkt etwa 100 (!) 3D-Druckteile in sich. Wie zu erwarten ist, sind Formel-1-Ingenieure nicht darauf beschränkt, nur eine einzige 3D-Drucktechnologie einzusetzen. Sie verwenden oft 2 bis 3 separate oder sogar kombinierte, um das für ihre Teile erforderliche Qualitätsniveau zu erreichen.

Fused Deposition Modeling (FDM) war eine der ersten Technologien, die eingesetzt wurde, da sie schnelle Muster, Vorrichtungen und Prototypen im Frühstadium erstellen kann. Während technische Kunststoffe wie Nylon in der Regel das vorteilhafte Material für diese Technologie sind, haben wir in den letzten Jahren einen Trend zum Einsatz von Hochleistungspolymeren wie PEEK und PEKK festgestellt. Dies ist vor allem auf die hohe Hitzebeständigkeit solcher Polymere zurückzuführen, die sehr begehrt ist, da die Temperatur um den Motor eines Formel-1-Autos bis zu 2.600°C erreichen kann. FDM ist jedoch eher nicht für diese Anwendungen geeignet da es nicht in der Lage ist, Funktionsteile zu unterstützen. Daher wird FDM hauptsächlich zur Herstellung von Teilen wie Schaltschränken, Kühlkanälen und Abdeckungen verwendet.

Ein Hydraulikblock, der mit CNC-Bearbeitung und Schweißen (oben) und mit SLA (unten) hergestellt wird –
Quelle: Renault F1 Team

Die Stereolithographie (SLA) wird ebenfalls eingesetzt, da sie komplexe Geometrien erreichen kann, was für bestimmte Teile eine häufige Anforderung ist. Sie ist jedoch auf Anwendungen beschränkt, die vorerst nicht viel Kraft erfordern. Aus diesem Grund entwickeln 3D-Drucker- und Materialhersteller ständig neue Materialien, die solche Probleme lösen können. Simon van de Crommert teilte uns zum Beispiel mit: „3D Systems hat in Zusammenarbeit mit zwei F1-Teams – Renault und Williams – ein neues Material entwickelt, um ein neues keramisch gefülltes Epoxid-SLA-Harz für diese spezielle Anwendung zu entwickeln. Heutzutage sind großformatige Stereolithographiemaschinen zum Standard für die Herstellung von maßstabsgetreuen (Modell-)Windkanalteilen für alle F1-Teams geworden.“

Laserschmelz-Technologien wie Selective Laser Sintering (SLS) und Direct Metal Laser Sintering (DMLS) scheinen die am häufigsten verwendeten in der Formel 1 zu sein. Das Laserschmelzen hat gegenüber FDM oder SLA eine Reihe von Vorteilen. Es neigt dazu, mehr isotrope Teile zu erzeugen, es ist konsistenter, und es benötigt keine Stützen (was Zeit und einen zusätzlichen Schritt in der Nachbearbeitung spart), was es ideal für F1-Teams macht. John Dulchinos, Vizepräsident für 3D-Druck und digitale Fertigung bei Jabil, erklärte: „Funktionsteile, die an ein Formel-1-Auto gehen würden, werden meist in SLS/DMLS hergestellt. In der Zeit, die für die Herstellung eines einzelnen Teils in FDM benötigt wird, können Sie 10 Teile in SLS erhalten. Das kann vorteilhaft sein, wenn Sie 3-4 Varianten eines Designs produzieren, um zu prüfen, welche am besten zu Ihren Bedürfnissen passt.“ Metallteile, die von Formel-1-Teams hergestellt werden, beinhalten oft Abgase, Motorteile und Aufhängungen.

Elektronischer Kühlkanal aus kohlefaserverstärktem Nylon – Quelle: Renault F1 Team

Wie sieht die Zukunft von 3D-Druck in der Formel 1 aus ?

Während der 3D-Druck früher nur für das Rapid Prototyping eingesetzt wurde, sehen wir, wie er sich heute auf die Produktion ausdehnt. Einer der größten Vorteile ist, dass sein Potenzial so groß ist wie unsere eigene Vorstellungskraft. Im Gespräch mit Simon van de Crommert sagte er uns: „Ich glaube, dass F1-Teams den 3D-Druck weiterhin nicht nur für Prototypenbauteile und Windkanaltests nutzen werden. Sie werden die Technologie in der Zukunft auch  für Produktionsteile, die tatsächlich in den Autos eingebaut sind, verwenden. Dies wird durch die Weiterentwicklung neuer Hochtemperaturwerkstoffe vorangetrieben, die den Hitzeeinflüssen und Belastungen der Formel 1 standhalten. Genau das bietet den zusätzlichen Vorteil, dass das Teil auch im Endmaterial prototypisch getestet werden kann, was letztendlich den Konstruktionszyklus noch weiter verkürzt.“

2021 Formula 1 Auto beim Test im Windkanal

Einer der Hauptvorteile des 3D-Drucks sind wahrscheinlich die Designfunktionen, die er bietet. In dem schnelllebigen Umfeld ständiger technologischer Durchbrüche der Formel 1 ist die Entwicklung und Herstellung optimierter Teile der Schlüssel, unabhängig von der verwendeten Technologie. Wenn die Designfreiheit des 3D-Drucks den Ingenieuren einzigartige Lösungen bietet, werden sie sicherlich den Einsatz der sich weiterentwickelnden Technologie erhöhen. Andernfalls werden Formel-1-Teams nicht nur aus Gründen der Veränderung auf 3D-Druck umsteigen. Wie wir jedoch gesehen haben, scheinen die Anzeichen für eine breitere Akzeptanz und Nutzung des 3D-Drucks in der Formel 1 sehr positiv zu sein. John Dulchinos schließt: „Wenn der 3D-Druck voranschreitet (und wir Zugang zu einer größeren Vielfalt von Materialien erhalten) und die Ergebnisse der Drucker besser werden (Geschwindigkeit, Kosten), werden wir ein Stadium erreichen, in dem die überwiegende Mehrheit der Formel-1-Teile in 3D gedruckt wird.“ 

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