¿Por qué se utiliza la impresión 3D en la Fórmula 1?
La temporada 2019 de Fórmula 1 está llegando a su fin, por ello no podíamos evitar notar como la impresión 3D ha ayudado una vez más a todos los equipos a alcanzar su objetivo. Sí, así es, todos los equipos. Las 10 escuderías de Fórmula 1 están utilizando la fabricación aditiva para producir piezas para sus automóviles. En el mundo de la Fórmula 1, impulsado por la tecnología y en constante cambio, los métodos que permiten la creación de prototipos ultrarrápidos, la producción de alta precisión y bajo volumen, y la creación de piezas en todo tipo de materiales y formas complejas se investigan y utilizan constantemente. A medida que avanzan las tecnologías de impresión 3D, vemos una utilización cada vez mayor de los equipos de Fórmula 1.
Por supuesto, otros deportes de motor, como Indycar, Lemans, WRC, Fórmula 2 y 3, y Fórmula E, también están aprovechando los beneficios de las tecnologías de fabricación aditiva. Sin embargo, la Fórmula 1, es quizás el líder no oficial del progreso tecnológico en los deportes de motor, ha sido el primero en adoptarlos y el mayor usuario. Las asociaciones sólidas a largo plazo entre los gigantes de impresión 3D y los equipos de Fórmula 1 no son raros. El equipo McLaren fue noticia en 2017 cuando firmó un acuerdo de asociación de 4 años con Stratasys. Al igual que con Renault F1 Team y 3DSystems o Williams Formula One y EOS.
Entonces, ¿cuándo y por qué la Fórmula 1 comenzó a usar la impresión 3D? ¿Qué partes crean y cómo? Y, por supuesto, ¿qué depara el futuro para la relación de los dos?
La historia de la impresión 3D en la Fórmula 1
Históricamente, se sabe que la Fórmula 1 es una de las primeras en adoptar cualquier tecnología que pueda contribuir a crear autos más rápidos, más livianos y más fuertes. La presencia de la impresión 3D no es nada nuevo, de hecho, cuando hablamos con Pat Warner, Gerente de ADM en Renault F1 Team y experto en fabricación aditiva, nos dijo que el Renault F1 Team compró su primera impresora 3D como a principios de 1998. Por supuesto, el uso de estas tecnologías no fue realmente provechosa hasta el 2010.
El auto Ferrari de Fórmula 1 de 1998 (a la izquierda) y el auto de Fórmula 1 de 2017 (a la derecha).
La impresión 3D comenzó como una tecnología principalmente pensada para el prototipado rápido, y ahí es donde inicialmente benefició a los equipos de F1. Para que un equipo de Fórmula 1 tenga éxito, siempre deben innovar para que sus autos sean más rápidos que sus competidores, lo que se demuestra a través de tiempos de vuelta mucho más rápidos. Esto requiere una iteración rápida de piezas nuevas para los autos, a menudo dentro de unos días entre carreras. “Una ventaja que brinda la impresión 3D es la capacidad de imprimir rápidamente un prototipo, probarlo en un túnel de viento y modificar rápidamente el diseño según sea necesario. Una vez que la pieza está funcionando según las especificaciones, los equipos también pueden usar la impresión 3D para producir una pieza final ”, explica Simon van De Crommert, Gerente de Ventas de 3D Systems.
¿Cómo coexiste la impresión 3D con otras tecnologías de fabricación?
Teniendo en cuenta que los métodos de fabricación tradicionales, como el moldeo por inyección y el mecanizado CNC han existido durante mucho más tiempo que la impresión 3D, parecería desafiante para que este último gane tanta popularidad. Entonces, ¿cuáles son exactamente los beneficios que ofrecen las tecnologías de fabricación aditiva en comparación con otros métodos de fabricación? La impresión 3D permite imprimir pequeñas series de piezas muy rápidamente en comparación con otros métodos de fabricación que a menudo requieren herramientas costosas o mucho tiempo. También es capaz de producir piezas con complejidad adicional, que no se pueden fabricar utilizando las tecnologías de fabricación tradicionales, al tiempo que mejora su rendimiento. Para un deporte con cambios tan rápidos de una carrera a otra, se trata de la capacidad de diseñar y fabricar rápidamente piezas complejas. Desde la perspectiva del software, las aplicaciones como la optimización topológica permiten a los ingenieros reducir el peso de las piezas y redistribuirlo en el automóvil (a menudo en el suelo, para obtener un centro de gravedad más bajo, lo que permite que el automóvil pase más rápido las esquinas de la pista). En general, los resultados más rápidos de tiempo para la partida y los costos reducidos ayudan a los equipos de Fórmula 1 a mantener su ventaja competitiva.
Para las piezas de plástico, es casi imposible que la impresión 3D domine, ya que el moldeo por inyección es una tecnología mucho más madura y ofrece una gama mucho más amplia de materiales. Sin embargo, la necesidad de moldes da una ventaja a la impresión 3D, por lo tanto, a menudo se usa como una tecnología complementaria. Como nos dijo Pat Warner: «La fabricació n aditiva no va a eliminar el moldeo por inyección o el mecanizado, es otra herramienta en la caja. Todas las tecnologías se unen para crear la parte final «.
Cuando se trata de la fabricación aditiva de metal, vemos fuertes colaboraciones entre las tecnologías de fabricación. Por lo general, lo que sale de la impresora es una pieza en su «forma casi neta», lo que significa que está muy cerca de la pieza final, pero aún necesita algo de procesamiento posterior. Por lo general, el CNC se usa para precisión final o suavizado, etc. La ventaja de la impresión 3D es que el CNC está limitado en los tipos de cortes que se pueden hacer. La impresión 3D permite diseñar y producir con una geometría mucho más rica. Al final del día, combinar los dos le permite al fabricante obtener la parte necesaria.
¿Qué partes de Fórmula 1 se imprimen en 3D y con qué tecnologías?
Según el equipo Renault F1, cada uno de sus dos autos en 2019 tiene alrededor de 100 piezas impresas en 3D. Como era de esperar, los ingenieros de Fórmula 1 no se limitan a usar solo una tecnología de impresión 3D. A menudo usan 2 o 3 por separado o incluso los combinan para lograr el nivel de calidad necesario para sus partes.
La tecnología FDM o (Fused Deposition Modeling) fue una de las primeras tecnologías que se adoptaron, ya que puede crear muestras rápidas, accesorios y prototipos en una etapa temprana del proyecto. Si bien los plásticos de ingeniería como los nylons tienden a ser el material favorable para usar con esta tecnología, en los últimos años, hemos notado una tendencia hacia el uso de polímeros de alto rendimiento como PEEK y PEKK. Esto se debe principalmente a la alta resistencia al calor que ofrecen estos polímeros, algo necesario ya que la temperatura alrededor del motor de un automóvil de Fórmula 1 puede alcanzar hasta 2.600 ° C (~ 4700 ° F). Sin embargo, la tecnología FDM aún es limitada para estas aplicaciones, ya que carece de la capacidad de soportar partes funcionales. Como resultado, se utiliza principalmente para producir piezas como cajas eléctricas, conductos de refrigeración y cubiertas.
Un colector hidráulico producido con mecanizado y soldadura CNC (en la parte superior) y con SLA (en la parte inferior)
Créditos: Renault F1 Team
La estereolitografía (SLA) también se utiliza, ya que puede lograr geometrías complejas, que es un requisito común para ciertas partes. Sin embargo, por ahora está restringida a aplicaciones que no requieren mucha fuerza. Por esta razón, las empresas de impresión 3D y los fabricantes de materiales están desarrollando constantemente nuevos materiales que podrían resolver estos problemas. Por ejemplo, Simon van de Crommert compartió con nosotros que “3D Systems desarrolló un nuevo material en colaboración con dos equipos de F1, Renault y Williams, para crear una nueva resina SLA epoxi con relleno cerámico para aplicaciones específicas. Hoy en día, las máquinas de estereolitografía se han convertido en el estándar para producir piezas de túnel de viento a escala para todos los equipos de F1 «.
Las tecnologías de proceso en polvo como la sinterización selectiva por láser (SLS) y la sinterización directa por láser de metal (DMLS) parecen ser las más utilizadas en la Fórmula 1. La impresión 3D por fusión en lecho de polvo tiene varias ventajas sobre las técnicas de FDM o SLA. Tiende a crear más partes isotrópicas, es más consistente y no necesita soportes (lo que ahorra tiempo y un paso adicional en el proceso de postproducción), lo que lo hace ideal para los equipos de F1. John Dulchinos, vicepresidente de impresión 3D y fabricación digital en Jabil, explicó: “Las piezas funcionales que irían a un automóvil de Fórmula 1 la mayoría de las veces se fabrican en SLS / DMLS. En el tiempo necesario para producir una sola parte en FDM, puede obtener 10 partes en SLS. Eso puede ser una ventaja cuando se producen 3-4 variaciones de un diseño para verificar cuál se adapta mejor a sus necesidades ”. Las piezas metálicas producidas por los equipos de Fórmula 1 a menudo incluyen escapes, piezas del motor y suspensiones.
Conducto de enfriamiento electrónico hecho de nylon reforzado con fibra de carbono. Créditos: Renault F1 Team
¿Cuál es el futuro de la fabricación aditiva en la Fórmula 1?
Si bien la impresión 3D alguna vez se usó solo para la creación rápida de prototipos, estamos viendo cómo se amplía su uso para producción. Simon van de Crommert, nos comentó: “Creo que los equipos de F1 continuarán usando no solo la impresión 3D para prototipos de piezas y pruebas de túnel de viento. Pero también ampliarán el uso de la tecnología para la producción de piezas que realmente están instaladas en los automóviles. Esto será impulsado por los avances en nuevos materiales de alta temperatura diseñados para resistir el calor y los rigores de las carreras de Fórmula 1. Esto proporcionará la ventaja adicional de poder también crear prototipos y probar la pieza en el material final, reduciendo en última instancia el ciclo de diseño aún más ”.
Coche 2021 de Fórmula 1 probado en el túnel de viento de Sauber.
Quizás uno de los beneficios clave de la impresión 3D es la capacidad de diseño que ofrece. En el entorno acelerado de constantes avances tecnológicos que tiene la Fórmula 1, diseñar y producir piezas optimizadas es clave, independientemente de la tecnología utilizada. Si la libertad de diseño de impresión 3D ofrece soluciones únicas para los ingenieros, seguramente aumentarán el uso de la tecnología en el futuro. De lo contrario, los equipos de Fórmula 1 no comenzarán a cambiar a la impresión 3D solo por el cambio. Sin embargo, como vimos, los signos parecen muy positivos para la adopción y el uso más amplios de la impresión 3D en la Fórmula 1. Como John Dulchinos nos dijo: “A medida que avanza la impresión 3D (y tenemos acceso a una mayor variedad de materiales) y los resultados de las impresoras mejoran (velocidad, costo), llegaremos a una etapa en la que la gran mayoría de las piezas de Fórmula 1 se imprimirán en 3D «.
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