L'impression 3D dans le sport automobile : comment la fabrication additive rend les tests en soufflerie plus efficaces

25. mars 2024

Malgré des simulations d'écoulement de plus en plus réalistes à l'aide de programmes CFD (Computational Fluid Dynamics), les tests en soufflerie sont indispensables dans le sport automobile. Les données obtenues à partir de ces tests sont utilisées chaque année par les ingénieurs et les équipes du sport automobile pour créer des véhicules plus aérodynamiques et donc plus rapides et pour mettre de nouvelles idées de conception à l'épreuve.

Cependant, les tests en soufflerie prennent extrêmement de temps. L’obtention de données de flux significatives peut facilement prendre des dizaines d’heures. Si un grand nombre de conceptions doivent également être testées, il est facile d'imaginer que les tests en soufflerie prennent plus que quelques heures ou jours pour fournir les meilleurs résultats.

Ces longues durées de test conduisent naturellement à une forte demande d'essais en soufflerie. Dans le même temps, les souffleries adaptées au sport automobile sont rares. De plus, dans de nombreux domaines du sport automobile, les horaires que les équipes sont autorisées à utiliser pour les essais en soufflerie sont réglementés afin de rendre les conditions de compétition plus équitables. En Formule 1, par exemple, les équipes ne disposeront que de 840 à 1 380 heures au cours de la saison 2024 pour obtenir toutes les données nécessaires, en fonction de leur position dans la compétition l'année précédente.

Le temps est donc essentiel pour les tests en soufflerie. Les données doivent être obtenues et traitées le plus rapidement possible et les conceptions adaptées immédiatement afin de réaliser autant d'essais en soufflerie que possible dans les plus brefs délais - et c'est là que la fabrication additive entre en jeu.

Cet article de blog se concentrera sur les avantages et les applications de l'impression 3D pour les essais en soufflerie. Découvrez comment cette technologie de fabrication révolutionnaire rend les essais en soufflerie plus efficaces, tant en termes de temps que de coût, et pourquoi de plus en plus d'équipes de sport automobile se tournent vers l'impression 3D pour leurs essais en soufflerie. À la fin, vous trouverez également notre solution idéale pour l'impression 3D de composants de modèles de soufflerie.

Mais avant d'en arriver là, expliquons d'abord ce qu'est un test en soufflerie et pourquoi il est si essentiel dans le sport automobile. Si vous en savez déjà assez sur les souffleries, le bouton ci-dessous vous mènera directement aux avantages de l'impression 3D pour celles-ci.

Du « bras tourbillonnant » à la technologie avancée

L'émergence des souffleries était étroitement liée au développement de l'aviation. Les premières expériences sur la traînée et la portance de divers objets ont été réalisées à l'aide du « bras tourbillonnant », inventé au début du XVIIIe siècle par l'ingénieur militaire britannique Benjamin Robins. Cette technologie a ensuite été également utilisée par Sir George Cayley, inventeur du premier planeur en état de navigabilité, et par le « père de l'aviation » Otto Lilienthal, qui a concrétisé l'idée du « plus lourd que l'air » avec ses expériences de vol à voile, qui révolutionneront à long terme l'aviation.

Ce « bras tourbillonnant » était bien sûr encore loin des souffleries d'aujourd'hui, mais il a néanmoins posé une base importante pour leur développement. La première soufflerie entièrement fonctionnelle et fermée a finalement été développée par Francis Herbert Wenham en 1871. Cette percée et les développements ultérieurs de cette première soufflerie, par exemple par Konstantin Tsiolkovsky et Osborne Reynolds, ont été accompagnés d'une percée dans l'aviation quelques décennies plus tard, lorsque les frères Wright ont achevé le Wright Flyer, le premier avion propulsé par un équipage, en 1903 à l'aide d'essais en soufflerie.

Après des tests intensifs effectués par les Français. l'ingénieur Gustave Eiffel, qui révolutionna à nouveau cette technologie entre 1909 et 1912, le développement ultérieur des souffleries fut principalement lié aux avions militaires, qui furent utilisés pour la première fois pendant la Première Guerre mondiale. Durant la Seconde Guerre mondiale et la Guerre froide, la soufflerie a connu diverses évolutions jusqu'à ce que les premières voitures soient testées en soufflerie au début des années 1960.

Ces essais en soufflerie visaient en réalité moins à améliorer l'aérodynamisme en augmentant les performances qu'à réduire la consommation énergétique des véhicules automobiles. Au moins pendant quelques années - jusqu'à la fin des années 1960, lorsque l'équipe de Formule 1 Lotus, alors connue sous le nom de Lotus-Cosworth DFV, a utilisé des tests en soufflerie pour améliorer les performances en course.

Ces tests en soufflerie ont abouti à la Lotus 49, qui a introduit des développements pionniers dans la Formule 1, tels que les ailerons avant et arrière aérodynamiques, et a remporté les championnats des constructeurs et des pilotes avec le légendaire Graham Hill en 1968.

À partir de ce moment Dès lors, des tests en soufflerie ont été instaurés dans le sport automobile. De plus en plus d'équipes et de compétitions les ont utilisés pour stimuler le progrès technologique - et continuent de le faire aujourd'hui. Même si les programmes CFD permettent depuis plusieurs décennies de réaliser des expériences individuelles de manière numérique, les tests en soufflerie sont essentiels pour les tests intensifs dans le sport automobile. Mais comment fonctionne exactement un tel test en soufflerie ?

Les différents types d'essais en soufflerie

Evidemment, une soufflerie est nécessaire pour réaliser un essai en soufflerie. Une telle soufflerie se compose d'un ou plusieurs ventilateurs qui soufflent ou aspirent l'air à travers un canal circulaire avec le modèle de véhicule au centre.

Pour permettre les mesures les plus précises, l'air qui frappe l'objet de test doit être aussi exempt de turbulences et laminaire que possible. Entre autres choses, des déflecteurs d'air verticaux et horizontaux sont utilisés pour lisser le flux d'air généré par les ventilateurs, qui présente encore des turbulences relativement élevées en raison du volume et de la vitesse. Les parois doivent également être aussi lisses que possible et idéalement arrondies pour éviter les turbulences.

Les souffleries sont divisées en différentes catégories en fonction de la vitesse de l'air - des souffleries à faible vitesse, avec des vitesses d'air allant jusqu'à 480 km/h, aux souffleries hypersoniques, où des vitesses allant jusqu'à 36 000 km/h peuvent être atteintes. Dans le sport automobile, on utilise toujours des souffleries subsoniques, où la vitesse de l'air ne dépasse pas 990 km/h.

Dans ces catégories, il existe deux types fondamentalement différents d'essais en soufflerie : les essais en soufflerie à grande échelle, où un modèle grandeur nature est testé, et les essais en soufflerie à petite échelle, où des modèles à plus petite échelle sont utilisés.

Les forces aérodynamiques agissant sur le modèle d'essai à travers cet air peuvent être mesurées à l'aide de divers instruments, en fonction de la raison pour laquelle la soufflerie est utilisée. tester. Les instruments les plus couramment utilisés sont les balances spécialement adaptées aux souffleries, telles que les balances au sol, qui peuvent être utilisées pour mesurer des valeurs telles que la force de traînée et de portance ainsi que le moment de roulis, de tangage et de lacet avec une précision inférieure à 0,03 %.

Les instruments de diagnostic pour les essais en soufflerie sont divers. Très souvent, de grandes grilles de mesure à proximité de l'essieu avant et/ou arrière, appelées râteaux aérodynamiques, sont utilisées, mais elles sont généralement combinées avec d'autres méthodes de diagnostic, par ex. sondes de vitesse, transmetteurs de pression et bien d'autres. Les ingénieurs les utilisent pour mesurer les masses d'air entourant l'objet de test afin de découvrir comment l'air se déplace autour ou à travers le modèle.

Des instruments de visualisation de flux sont également fréquemment utilisés. Diverses méthodes peuvent être utilisées pour cela, de la fumée et du brouillard aux amas et petits filaments sur le modèle de véhicule, en passant par la feuille laser et la peinture fluide, un mélange d'huile et de pigments de couleur.

Le processus PIV (Particle Image Velocimetry) est l'un des instruments les plus avancés technologiquement. Ici, des particules microscopiques petites sont ajoutées à l’air et l’air est éclairé par un faisceau laser pulsé. A chaque pulsation, deux images sont prises à faible distance l'une de l'autre, dont la comparaison fournit des résultats très précis sur le débit d'air en diagnostic. De nos jours, deux caméras sont souvent utilisées pour capturer un champ vectoriel 3D.

Cet extrait montre quelques-unes des nombreuses possibilités avec lesquelles des résultats peuvent être obtenus lors d'essais en soufflerie. Mais pourquoi ces résultats sont-ils si essentiels en sport automobile ?

L'aérodynamique est (presque) tout

"L'aérodynamique est destinée aux personnes qui ne savent pas construire de moteurs." Cette citation vient du légendaire Enzo Ferrari après avoir été interrogé sur le pare-brise de sa Ferrari 250 TR aux 24 Heures du Mans. Pour cette course d'endurance, sa citation s'est avérée vraie : Ferrari a remporté la course avec Olivier Gendebien et Paul Frère, qui lui ont arraché cette citation, au volant.

La question de savoir si Enzo Ferrari signerait encore cette citation de la même manière aujourd'hui est plus que discutable. Au cours des décennies qui ont suivi, notamment à partir du début des années 1980, l'aérodynamisme est devenu de plus en plus important dans le sport automobile et constitue aujourd'hui l'un des facteurs décisifs entre la victoire, le milieu de peloton et la défaite.

Et c'est pourquoi les essais en soufflerie sont si importants dans le sport automobile. C'est la méthode idéale pour tester l'aérodynamisme, améliorer les composants et valider de nouvelles idées de conception.

Les facteurs les plus importants d'une bonne aérodynamique sont la résistance de l'air, en particulier dans les compétitions de sport automobile dans lesquelles sont utilisés des véhicules à roues ouvertes, c'est-à-dire des véhicules dans lesquels les pneus ne sont pas protégés par des parties de la carrosserie, et la force d'appui.

La traînée est créée dans chaque véhicule par le déplacement de l'air ambiant et son frottement sur la surface du véhicule. Plus la résistance de l’air est élevée, plus il faut d’énergie pour amener un véhicule jusqu’à une certaine vitesse et l’y maintenir. Dans les compétitions à roues ouvertes, cette traînée est amplifiée par les pneus exposés, qui provoquent d'énormes turbulences d'air, perturbant le flux d'air du reste du véhicule.

Une traînée plus faible permet au véhicule d'atteindre la vitesse maximale plus rapidement et plus facilement. Dans les compétitions où un réservoir de carburant ne suffit pas pour toute la durée d'une course, cela réduit également la fréquence des arrêts de ravitaillement.

La force d'appui décrit une force de portance vers le bas qui augmente l'adhérence du véhicule. La force d'appui est également appelée « adhérence aérodynamique » qui, en plus de l'adhérence mécanique, c'est-à-dire la masse du véhicule, presse un véhicule et ses pneus sur la piste.

Ce phénomène est provoqué par la division de l'air lorsqu'il heurte le véhicule. Pour générer une force d'appui, des parties du véhicule, telles que l'aile avant, sont conçues de telle manière que l'air inférieur atteigne des vitesses plus élevées et exerce donc moins de pression que l'air du côté supérieur, poussant le véhicule vers le bas sur la piste.

La force d'appui est particulièrement importante pour les vitesses de virage. Plus il y a d'appui, plus un véhicule peut franchir rapidement un virage grâce à une adhérence accrue et donc un plus grand transfert des forces latérales vers la piste ainsi qu'une maniabilité plus facile.

Dans le même temps, cependant, un appui plus important signifie également une plus grande résistance de l'air. L'objectif des essais en soufflerie est donc d'obtenir une symbiose idéale des deux effets afin de maximiser les vitesses de pointe et dans les virages.

Les souffleries sont également utilisées pour de nombreux autres aspects aérodynamiques. Mais avant de prolonger ce billet de blog, parlons des avantages de l'impression 3D dans les essais en soufflerie.

De meilleurs modèles de soufflerie grâce à la fabrication additive

Les avantages de l'impression 3D sont multiples. Par souci de clarté, je me limiterai ici aux trois avantages les plus importants. Passons donc directement au premier avantage de l'impression 3D de modèles de soufflerie.

Itérations de conception rapides

L'un des plus grands avantages de la fabrication additive est l'extraordinaire vitesse de production. En raison du temps souvent limité dont disposent les équipes de compétition de sport automobile en soufflerie, il est essentiel de pouvoir fournir des conceptions personnalisées de manière rapide et fiable.

Non seulement les délais de production mais également les délais de conception sont d'une grande importance. Les modèles numériques sur lesquels l'impression 3D se base peuvent être adaptés très facilement et rapidement jusque dans les moindres détails.

Même lorsqu'il s'agit de composants complètement nouveaux plutôt que de simples ajustements, la vitesse de l'impression 3D est impressionnante. Grâce au flux de travail entièrement numérique et au haut niveau d’automatisation de l’impression 3D, les ingénieurs du sport automobile peuvent mettre en œuvre leurs idées plus rapidement que jamais. Cela réduit le temps entre l'idée et les tests, ce qui entraîne davantage d'itérations de conception dans le même laps de temps.

L'automatisation susmentionnée permet également aux équipes de sport automobile de se concentrer pleinement sur leurs idées et leurs nouvelles conceptions. Au lieu d'avoir à surveiller la production pendant longtemps, ils peuvent simplement laisser l'imprimante 3D faire son travail - ou même dire adieu aux problèmes de production avec l'aide de prestataires de services d'impression 3D.

La conclusion devrait être évidente : l'impression 3D fait gagner énormément de temps aux ingénieurs et aux équipes du sport automobile. Cependant, le recours à la fabrication additive pour les modèles de véhicules permet non seulement de gagner du temps, mais également de réduire les coûts.

Faibles coûts de fabrication

Les modèles de soufflerie et les outils nécessaires sont chers. Les modèles grandeur nature en particulier peuvent engloutir un énorme trou dans le portefeuille des équipes de sport automobile. C'est pourquoi ils souhaitent naturellement toujours maintenir les coûts de leurs modèles de test aussi bas que possible, notamment parce qu'un grand nombre d'entre eux sont nécessaires.

Avec l'impression 3D, ils ont trouvé le moyen idéal pour atteindre cet objectif. Grâce à la fabrication additive, des modèles à petite échelle ainsi que des composants pour des modèles à grande échelle peuvent être produits de manière plus rentable que jamais en utilisant des méthodes de fabrication conventionnelles.

La faible consommation de matériaux de l'impression 3D a une influence exorbitante sur ces coûts inférieurs. Alors que les méthodes conventionnelles produisent de grandes quantités de déchets de matériaux car les composants sont créés de manière soustractive, l’impression 3D n’utilise que la quantité de matériaux réellement nécessaire. Seules les structures de support et de petites quantités de matériaux restants doivent être éliminés lors de l'impression 3D - et selon la technologie d'impression 3D, certaines parties peuvent même être recyclées.

Cette consommation de matériaux peut être encore réduite en utilisant des structures internes, qui peuvent être facilement produites par impression 3D. Par exemple, les composants non critiques peuvent simplement être imprimés en creux ou avec des structures en treillis et en nid d'abeilles pour économiser davantage de matière.

En réduisant les coûts de production, les équipes de sport automobile peuvent investir leurs fonds dans d'autres domaines de leurs véhicules pour obtenir les meilleures performances possibles en plus de l'aérodynamisme. Ces meilleures performances possibles sont souvent liées à la complexité - et c'est précisément cela que l'impression 3D peut également améliorer considérablement.

Composants de plus en plus complexes

Les composants du sport automobile deviennent de plus en plus complexes. Qu'il s'agisse des ailes avant et arrière, des carénages, des garde-boue ou des spoilers, certaines des structures les plus complexes sont nécessaires pour augmenter les performances aérodynamiques d'un véhicule de sport automobile.

La fabrication additive rend une telle complexité plus facile que jamais. Ce qui prendrait des semaines avec les méthodes de fabrication traditionnelles, l'impression 3D peut le faire en quelques jours, et ce qui prendrait des jours avec les méthodes de fabrication traditionnelles, l'impression 3D peut le faire en quelques heures.

Par exemple, la production d'un garde-boue à l'aide du processus de moulage par injection prend environ deux à trois semaines. Cependant, chez PartsToGo, nous avons été en mesure de fournir une garde-boue complet à l'un de nos clients en seulement quatre jours après réception des modèles numériques - entièrement retravaillé et prêt à l'emploi.

Qu'il s'agisse de structures internes complexes, de détails les plus fins ou de composants de grande taille - l'impression 3D permet d'étendre la complexité de la forme, de la hiérarchie, des matériaux et de la fonction sans le temps considérable associé aux méthodes de fabrication traditionnelles. Par exemple, des canaux intérieurs d'une épaisseur de seulement 1 mm peuvent être produits très facilement par impression 3D, alors que les méthodes de production conventionnelles nécessiteraient des heures de perçage.

Cette complexité accrue permet d'atteindre une variété d'objectifs. Réduction du poids, diversité fonctionnelle et performances ne sont que quelques-uns d'entre eux. En combinaison avec les vitesses de production élevées, ces composants complexes peuvent être testés en soufflerie le plus rapidement possible, ce qui signifie que l'application sur la voiture de course finale peut également être réalisée plus rapidement.

Dans l'ensemble, la fabrication additive offre plusieurs avantages pour les équipes de sport automobile. De nombreuses équipes de sport automobile ont déjà reconnu ces avantages et en profitent. Mais à quelles applications l'impression 3D pour les modèles de souffleries est-elle explicitement adaptée ?

Non seulement les modèles eux-mêmes en bénéficient

L'impression 3D permet non seulement de réaliser des modèles de test plus rentables et plus complexes, mais la fabrication additive rend également l'ensemble du processus de test en soufflerie plus efficace. Les applications possibles des composants imprimés en 3D pour et autour des modèles de soufflerie sont maintenant expliquées à l'aide des trois domaines d'application les plus importants.

Pièces de rechange

Les vitesses très élevées dans les souffleries peuvent bien sûr affecter les modèles. Même des dommages minimes sur un composant suffisent à rendre les données de test ultérieures inutiles.

Une réponse rapide à de tels dommages est donc essentielle afin d'éviter de perdre un temps précieux en soufflerie. Bien sûr, il serait possible de simplement conserver un grand nombre de pièces de rechange en stock pour chaque composant individuel - mais cela n'est pas économique en raison des coûts de stockage élevés et du risque élevé de stockage.

L'impression 3D crée une solution économique qui permet de produire des pièces de rechange à la demande et à la vitesse la plus rapide possible. En conséquence, l'impression 3D réduit à la fois les coûts de stockage potentiels et les temps d'arrêt dus à des composants défectueux.

Aides

Bien entendu, des outils et autres aides sont également nécessaires pour tester les modèles de véhicules en soufflerie. Que ce soit pour le montage, l'entretien, la réparation ou les tests en soufflerie eux-mêmes, les outils sont essentiels pour des tests aussi intensifs.

Beaucoup de ces aides nécessitent un très haut degré d'individualité pour les modèles de soufflerie, car chaque modèle a des caractéristiques différentes. Au lieu de produire ces aides individuelles dans un processus long et coûteux en utilisant des méthodes de fabrication traditionnelles, de nombreuses équipes de sport automobile utilisent l'impression 3D.

Cela permet de produire des outils, des dispositifs et des supports spécifiques adaptés aux exigences aérodynamiques dans les plus brefs délais. L'impression 3D facilite également beaucoup l'adaptation de ces outils, ce qui se produit souvent lorsque les modèles sont modifiés.

Composants de véhicules personnalisés

Comme déjà mentionné en détail, les modèles de véhicules eux-mêmes bénéficient également massivement de l'impression 3D. Je voudrais maintenant mentionner quelques exemples spécifiques de composants imprimés en 3D pour des modèles de soufflerie.

Dans les tests de sport automobile et en soufflerie, les pistons du moteur, les arceaux de sécurité et les pédales sont souvent imprimés en 3D pour gagner du poids. Entre autres choses, ceux-ci peuvent bénéficier de structures complexes et de matériaux légers.

Les performances aérodynamiques sont obtenues, par exemple, grâce aux entrées d'écoutilles de frein imprimées en 3D pour optimiser le flux d'air pour le refroidissement des freins et aux volets d'aile arrière pour augmenter la portance.

En dehors des tests en soufflerie, il existe de nombreuses autres applications dans le sport automobile - en particulier les vêtements de protection personnalisés, des gants aux casques, sont désormais souvent produits à l'aide d'imprimantes 3D.

Conclusion

Cet article de blog aurait dû démontrer clairement à quel point les essais en soufflerie sont essentiels au sport automobile et à quel point l'impression 3D est essentielle aux essais en soufflerie. De plus en plus d'équipes de sport automobile de haut niveau reconnaissent ces avantages dans diverses compétitions - de la Formule 1 avec McLaren Racing, par exemple, qui travaille avec Stratasys® depuis plusieurs années, au MotoGP, où l'équipe Yamaha MotoGP, par exemple, travaille avec Roboze pour rendre leurs tests en soufflerie plus efficaces.

À l'avenir, de nombreuses autres équipes profiteront certainement de l'impression 3D pour atteindre leurs objectifs. Le nombre toujours croissant de prestataires de services aide également les équipes de sport automobile à réaliser des composants personnalisés sans avoir à acheter elles-mêmes une imprimante 3D.

Si vous souhaitez savoir comment chez PartsToGo nous soutenons déjà les équipes de sport automobile et quels matériaux et imprimantes nous pouvons proposer à cet effet, notre page d'application sur l'impression 3D dans le sport automobile est l'endroit idéal pour le faire.

Merci de votre attention - et à bientôt dans le prochain article de blog !

Notre solution idéale pour les tests en soufflerie

Enfin, je voudrais présenter notre solution idéale pour les composants de modèles de soufflerie. Il existe une variété de matériaux et de solutions d'impression disponibles pour imprimer de tels composants, mais rien ne vaut le Stratasys® Somos® PerFORM en combinaison avec le Neo®800.

Le Stratasys® Somos® PerFORM est un matériau composite céramique doté d'une rigidité fantastique, d'une résistance à la chaleur jusqu'à 270°C et d'une excellente finesse de détail. Ce matériau est parfait pour les parties du corps des modèles de soufflerie.

Les tests en soufflerie nécessitent de la précision - et la Neo®800 de Stratasys® est l'imprimante idéale pour cela avec une précision de ± 0,1 mm. De plus, la Neo®800 a un volume de construction de 384 litres, ce qui permet de produire des pièces grand format en une seule pièce et une vitesse d'impression exceptionnelle.

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