3D-printen in de autosport: hoe additieve productie windtunneltesten efficiënter maakt
Ondanks steeds realistischere stromingssimulaties met behulp van CFD-programma's (computational fluid dynamics), zijn windtunneltests onmisbaar in de autosport. De gegevens die uit deze tests worden verkregen, worden elk jaar door autosportingenieurs en -teams gebruikt om aerodynamischere en dus snellere voertuigen te creëren en nieuwe ontwerpideeën uit te proberen.
Windtunneltests zijn echter extreem tijdrovend. Het kan gemakkelijk tientallen uren duren om betekenisvolle stroomgegevens te verkrijgen. Als er bovendien een groot aantal ontwerpen getest moet worden, is het gemakkelijk voor te stellen dat windtunneltesten meer dan uren of dagen duren om de beste resultaten op te leveren.
Deze lange testtijden leiden uiteraard tot een grote vraag naar windtunneltesten. Tegelijkertijd zijn er echter maar weinig windtunnels die geschikt zijn voor de autosport. Bovendien zijn in veel gebieden van de autosport de tijden die teams mogen gebruiken voor windtunneltests gereguleerd om de concurrentieomstandigheden eerlijker te maken. In de Formule 1 hebben de teams in seizoen 2024 bijvoorbeeld slechts tussen de 840 en 1.380 uur de tijd om alle benodigde gegevens te verkrijgen, afhankelijk van hun positie in de competitie van het voorgaande jaar.
Tijd is dus essentieel voor windtunneltests. Gegevens moeten zo snel mogelijk worden verkregen en verwerkt en de ontwerpen moeten onmiddellijk worden aangepast om in de kortst mogelijke tijd zoveel mogelijk windtunneltests uit te voeren - en dit is waar additive manufacturing in het spel komt.
Deze blogpost zal zich richten op de voordelen en toepassingen van 3D-printen voor windtunneltests. Ontdek hoe deze revolutionaire productietechnologie windtunneltesten efficiënter maakt, zowel in termen van tijd als kosten, en waarom steeds meer autosportteams zich tot 3D-printen wenden voor hun windtunneltesten. Aan het einde vindt u ook onze ideale oplossing voor het 3D-printen van onderdelen van windtunnelmodellen.
Maar voordat we daaraan beginnen, laten we eerst uitleggen wat windtunneltesten zijn en waarom het zo essentieel is voor de autosport. Als je al genoeg weet over windtunnels, dan brengt de onderstaande knop je direct naar de voordelen van 3D-printen daarvoor.
Van de 'wervelende arm' tot geavanceerde technologie
De opkomst van windtunnels was nauw verbonden met de ontwikkeling van de luchtvaart. De eerste experimenten met het slepen en heffen van verschillende objecten werden uitgevoerd met behulp van de zogenaamde 'wervelende arm', die begin 18e eeuw werd uitgevonden door de Britse militair ingenieur Benjamin Robins. Deze technologie werd later ook gebruikt door Sir George Cayley, uitvinder van het eerste luchtwaardige zweefvliegtuig, en de ‘vader van de luchtvaart’ Otto Lilienthal, die het ‘zwaarder dan lucht’-idee werkelijkheid maakte met zijn zweefexperimenten, die op de lange termijn een revolutie in de luchtvaart zouden veroorzaken.
Deze ‘wervelende arm’ stond uiteraard nog ver verwijderd van de huidige windtunnels, maar legde niettemin een belangrijke basis voor hun ontwikkeling. De eerste volledig functionele en gesloten windtunnel werd uiteindelijk in 1871 ontwikkeld door Francis Herbert Wenham. Deze doorbraak en de daaropvolgende verdere ontwikkelingen van deze eerste windtunnel, bijvoorbeeld door Konstantin Tsiolkovsky en Osborne Reynolds, gingen slechts enkele decennia later gepaard met een doorbraak in de luchtvaart, toen de gebroeders Wright in 1903 de Wright Flyer, het eerste bemande aangedreven vliegtuig, voltooiden met behulp van windtunneltests.
Na intensieve tests door de Franse ingenieur Gustave Eiffel, die tussen 1909 en 1912 opnieuw een revolutie teweegbracht in deze technologie, had de verdere ontwikkeling van windtunnels vooral betrekking op militaire vliegtuigen, die voor het eerst in de Eerste Wereldoorlog werden gebruikt. Tijdens de Tweede Wereldoorlog en de Koude Oorlog onderging de windtunnel allerlei evoluties totdat begin jaren zestig de eerste auto's in windtunnels werden getest.
Bij deze windtunneltests ging het eigenlijk minder om het verbeteren van de aerodynamica door het verhogen van de prestaties dan om het verminderen van het energieverbruik van motorvoertuigen. In ieder geval een paar jaar - tot eind jaren zestig, toen het Lotus Formule 1-team, toen bekend als Lotus-Cosworth DFV, windtunneltests gebruikte om de raceprestaties te verbeteren.
Deze windtunneltests resulteerden in de Lotus 49, die enkele baanbrekende ontwikkelingen in de Formule 1 introduceerde, zoals aerodynamische voor- en achtervleugels, en zowel de constructeurs- als de coureurskampioenschappen won met de legendarische Graham Hill in 1968.
Hieruit voortkomend Even later werden windtunneltests in de autosport opgezet. Steeds meer teams en competities gebruikten ze om de technologische vooruitgang te stimuleren – en doen dat nog steeds. Hoewel CFD-programma's al tientallen jaren individuele experimenten digitaal kunnen uitvoeren, zijn windtunneltests essentieel voor intensief testen in de autosport. Maar hoe werkt zo’n windtunneltest eigenlijk precies?
De verschillende soorten windtunneltesten
Voor het uitvoeren van een windtunneltest is uiteraard een windtunnel vereist. Zo’n windtunnel bestaat uit één of meerdere ventilatoren die de lucht door een cirkelvormig kanaal blazen of zuigen met het voertuigmodel in het midden.
Om de meest nauwkeurige metingen mogelijk te maken, moet de lucht die het testobject raakt zo turbulentievrij en laminair mogelijk zijn. Verticale en horizontale luchtschotten worden onder meer gebruikt om de door de ventilatoren gegenereerde luchtstroom, die vanwege het volume en de snelheid nog steeds relatief veel turbulentie kent, glad te strijken. Bovendien moeten de wanden zo glad mogelijk zijn en optimaal afgerond om turbulentie te voorkomen.
Windtunnels worden afhankelijk van de luchtsnelheid in verschillende categorieën onderverdeeld: van windtunnels met lage snelheid, met luchtsnelheden tot 480 km/u, tot hypersonische windtunnels, waar snelheden tot 36.000 km/u kunnen worden bereikt. In de autosport worden altijd subsonische windtunnels gebruikt, waarbij de luchtsnelheid niet hoger is dan 990 km/u.
Binnen deze categorieën zijn er twee fundamenteel verschillende soorten windtunneltests: windtunneltests op volledige schaal, waarbij een model op ware grootte wordt getest, en kleinschalige windtunneltests, waarbij modellen op kleinere schaal worden gebruikt.
De aerodynamische krachten die door deze lucht op het testmodel inwerken, kunnen worden gemeten met behulp van een verscheidenheid aan instrumenten, afhankelijk van de reden voor de windtunnel. testen. De meest gebruikte instrumenten zijn balansen die speciaal zijn aangepast aan windtunnels, zoals balansen onder de vloer, waarmee waarden als sleep- en hefkracht, maar ook rol-, stamp- en giermomenten kunnen worden gemeten met een nauwkeurigheid van minder dan 0,03%.
De diagnostische instrumenten voor windtunneltests zijn divers. Heel vaak wordt gebruik gemaakt van grote meetroosters nabij de voor- en/of achteras, zogenaamde aero-harken, maar deze worden meestal gecombineerd met andere diagnosemethoden, b.v. snelheidssondes, druktransmitters en vele anderen. Ingenieurs gebruiken deze om de luchtmassa's rond het testobject te meten en zo te achterhalen hoe de lucht zich rond of door het model beweegt.
Ook instrumenten voor stroomvisualisatie worden veelvuldig gebruikt. Hiervoor kunnen verschillende methoden worden gebruikt, van rook en mist tot clusters en kleine filamenten op het voertuigmodel tot laserfolie en flow-vis verf, een mengsel van olie en kleurpigmenten.
Het PIV-proces (Particle Image Velocimetry) is een van de technologisch meest geavanceerde instrumenten. Hierbij worden microscopisch kleine deeltjes aan de lucht toegevoegd en wordt de lucht belicht met een pulserende laserstraal. Bij elke pulsatie worden op korte afstand van elkaar twee beelden gemaakt, waarvan de vergelijking zeer nauwkeurige resultaten oplevert over de luchtstroom bij de diagnostiek. Tegenwoordig worden er vaak twee camera's gebruikt om een 3D-vectorveld vast te leggen.
Dit fragment toont slechts enkele van de vele mogelijkheden waarmee resultaten kunnen worden behaald in windtunneltests. Maar waarom zijn deze resultaten zo essentieel in de autosport?
Aerodynamica is (bijna) alles
"Aerodynamica is voor mensen die geen motoren kunnen bouwen." Dit citaat komt van de legendarische Enzo Ferrari nadat hem werd gevraagd naar de voorruit van zijn Ferrari 250 TR tijdens de 24 uur van Le Mans. Voor deze uithoudingsrace bleek zijn quote waar te zijn: Ferrari won de race met Olivier Gendebien en Paul Frère, die hem deze quote ontlokte, aan het stuur.
Of Enzo Ferrari deze quote vandaag de dag nog steeds op dezelfde manier zou ondertekenen, is meer dan twijfelachtig. In de decennia die volgden, vooral vanaf het begin van de jaren tachtig, werd aerodynamica steeds belangrijker in de autosport en is het nu een van de beslissende factoren tussen overwinning, middenveld en nederlaag.
En daarom zijn windtunneltesten zo belangrijk in de autosport. Het is de ideale methode om de aerodynamica te testen, componenten te verbeteren en nieuwe ontwerpideeën te valideren.
De belangrijkste factoren voor een goede aerodynamica zijn luchtweerstand, vooral in autosportcompetities waarbij open-wheelers, d.w.z. voertuigen waarbij de banden niet worden beschermd door lichaamsdelen, worden gebruikt, en downforce.
Slepen ontstaat in elk voertuig door de verplaatsing van de omgevingslucht en de wrijving ervan op het voertuigoppervlak. Hoe hoger de luchtweerstand, hoe meer energie er nodig is om een voertuig op een bepaalde snelheid te brengen en te houden. Bij wedstrijden met open wielen wordt deze luchtweerstand versterkt door de blootliggende banden, die enorme luchtturbulentie veroorzaken, waardoor de luchtstroom van de rest van het voertuig wordt verstoord.
Een lagere luchtweerstand zorgt ervoor dat het voertuig sneller en gemakkelijker de topsnelheid bereikt. In wedstrijden waarbij één tank brandstof niet voldoende is voor de gehele duur van een race, vermindert dit ook de frequentie van tankstops.
Downforce beschrijft een neerwaartse liftkracht die de grip van het voertuig vergroot. Downforce wordt ook wel 'aerodynamische grip' genoemd, die naast de mechanische grip, dat wil zeggen de massa van het voertuig, een voertuig en zijn banden op de baan drukt.
Dit fenomeen wordt veroorzaakt doordat de lucht wordt gespleten wanneer deze het voertuig raakt. Om neerwaartse kracht te genereren, zijn delen van het voertuig, zoals de voorvleugel, zo ontworpen dat de lagere lucht hogere snelheden bereikt en daardoor minder druk uitoefent dan de lucht aan de bovenkant, waardoor het voertuig naar beneden op de baan wordt gedrukt.
Downforce is vooral relevant voor bochtensnelheden. Hoe meer neerwaartse kracht er is, hoe sneller een voertuig door een bocht kan rijden dankzij meer grip en dus een grotere overdracht van zijdelingse krachten op het circuit en een eenvoudiger rijgedrag.
Tegelijkertijd betekent een grotere neerwaartse kracht echter ook een grotere luchtweerstand. Het doel van windtunneltesten is dan ook om een ideale symbiose van beide effecten te bereiken om zo top- en bochtsnelheden te maximaliseren.
Windtunnels worden ook voor veel andere aerodynamische aspecten gebruikt. Maar voordat we deze blogpost langer maken, laten we het hebben over de voordelen van 3D-printen bij windtunneltesten.
Betere windtunnelmodellen met additieve productie
De voordelen van 3D-printen zijn talrijk. Voor de duidelijkheid beperk ik mij hier tot de drie belangrijkste voordelen. Laten we dus meteen naar het eerste voordeel van het 3D-printen van windtunnelmodellen gaan.
Snelle ontwerpherhalingen
Een van de grootste voordelen van additive manufacturing is de buitengewone productiesnelheid. Door de vaak beperkte tijd die autosportwedstrijdteams in de windtunnel hebben, is het essentieel om snel en betrouwbaar maatwerk te kunnen leveren.
Niet alleen de productietijden maar ook de ontwerptijden zijn van groot belang. De digitale modellen die 3D-printen als basis gebruikt, zijn zeer eenvoudig en snel tot in het kleinste detail aan te passen.
Ook als het gaat om compleet nieuwe componenten in plaats van alleen maar aanpassingen, is de snelheid van 3D-printen indrukwekkend. Met de volledig digitale workflow en het hoge automatiseringsniveau van 3D-printen kunnen motorsportingenieurs hun ideeën sneller dan ooit tevoren implementeren. Dit verkort de tijd van idee tot testen, wat resulteert in meer ontwerpiteraties in dezelfde hoeveelheid tijd.
De bovengenoemde automatisering leidt er ook toe dat autosportteams zich volledig kunnen concentreren op hun ideeën en nieuwe ontwerpen. In plaats van de productie lange tijd in de gaten te moeten houden, kunnen ze de 3D-printer gewoon zijn werk laten doen - of zelfs helemaal vaarwel zeggen tegen productieproblemen met de hulp van 3D-printserviceproviders.
De conclusie mag duidelijk zijn: 3D-printen bespaart motorsportingenieurs en -teams enorme hoeveelheden tijd. Het gebruik van additive manufacturing voor voertuigmodellen bespaart echter niet alleen tijd, maar ook kosten.
Lage productiekosten
Windtunnelmodellen en het benodigde gereedschap zijn duur. Vooral modellen op ware grootte kunnen een groot gat in de portemonnee van autosportteams slaan. Daarom willen ze de kosten van hun testmodellen uiteraard altijd zo laag mogelijk houden, vooral omdat er een groot aantal nodig is.
Met 3D-printen hebben ze de perfecte manier gevonden om dit doel te bereiken. Met behulp van additieve productie kunnen kleinschalige modellen en ook componenten voor modellen op volledige schaal kosteneffectiever dan ooit tevoren worden geproduceerd met behulp van conventionele productiemethoden.
Het lage materiaalverbruik van 3D-printen heeft een exorbitante invloed op deze lagere kosten. Terwijl conventionele methoden grote hoeveelheden materiaalverspilling opleveren omdat de componenten subtractief worden gemaakt, gebruikt 3D-printen slechts zoveel materiaal als daadwerkelijk nodig is. Bij het 3D-printen hoeven alleen ondersteunende structuren en kleine hoeveelheden materiaalresten te worden afgevoerd - en afhankelijk van de 3D-printtechnologie kunnen delen ervan zelfs worden gerecycled.
Dit materiaalverbruik kan nog verder worden verminderd door gebruik te maken van interne structuren, die met 3D-printen eenvoudig kunnen worden geproduceerd. Niet-kritieke componenten kunnen bijvoorbeeld eenvoudigweg hol of met rooster- en honingraatstructuren worden geprint om nog meer materiaal te besparen.
Door de productiekosten te verlagen kunnen autosportteams hun geld in andere delen van hun voertuigen investeren om naast de aerodynamica de best mogelijke prestaties te bereiken. Dergelijke best mogelijke prestaties zijn vaak gekoppeld aan complexiteit - en juist dit kan 3D-printen ook enorm verbeteren.
Complexere componenten
Motorsportcomponenten worden steeds complexer. Of het nu gaat om voor- en achtervleugels, stroomlijnkappen, spatborden of spoilers: enkele van de meest complexe structuren zijn nodig om de aerodynamische prestaties van een autosportvoertuig te verbeteren.
Additive manufacturing maakt deze complexiteit eenvoudiger dan ooit tevoren. Wat met traditionele productiemethoden weken zou duren, kan 3D-printen in dagen doen, en wat dagen zou duren met traditionele productiemethoden, kan 3D-printen in uren doen.
De productie van een spatbord met behulp van het spuitgietproces duurt bijvoorbeeld ongeveer twee tot drie weken. Wij bij PartsToGo hebben echter een volledig spatbord naar een van onze klanten in slechts vier dagen na ontvangst van de digitale modellen - volledig herwerkt en klaar voor gebruik.
Of het nu gaat om complexe interne structuren, de fijnste details of grote componenten - 3D-printen maakt het mogelijk de complexiteit van vorm, hiërarchie, materiaal en functie uit te breiden zonder de enorme hoeveelheid tijd die gepaard gaat met traditionele productiemethoden. Binnenkanalen met een dikte van slechts 1 mm kunnen bijvoorbeeld heel eenvoudig worden geproduceerd met behulp van 3D-printen, terwijl conventionele productiemethoden urenlang boren vereisen.
Door deze toegenomen complexiteit kunnen verschillende doelen worden bereikt. Gewichtsreductie, functionele diversiteit en prestaties zijn slechts enkele hiervan. In combinatie met de hoge productiesnelheden kunnen deze complexe componenten zo snel mogelijk in de windtunnel worden getest, waardoor de toepassing op de uiteindelijke racewagen ook sneller kan worden voltooid.
Al met al biedt additive manufacturing verschillende voordelen voor autosportteams. Veel autosportteams hebben deze voordelen al onderkend en profiteren ervan. Maar voor welke toepassingen is 3D-printen voor windtunnelmodellen expliciet geschikt?
Niet alleen de modellen zelf profiteren ervan
3D-printen maakt niet alleen kosteneffectievere en complexere testmodellen mogelijk, additieve productie maakt ook het gehele windtunneltestproces efficiënter. De mogelijke toepassingen van 3D-geprinte componenten voor en rond windtunnelmodellen worden nu uitgelegd aan de hand van de drie belangrijkste toepassingsgebieden.
Reserveonderdelen
De zeer hoge snelheden in windtunnels kunnen uiteraard van invloed zijn op de modellen. Zelfs minimale schade aan een onderdeel is voldoende om daaropvolgende testgegevens onbruikbaar te maken.
Een snelle reactie op dergelijke schade is daarom essentieel om te voorkomen dat kostbare tijd in de windtunnel wordt verspild. Natuurlijk zou het mogelijk zijn om voor elk afzonderlijk onderdeel eenvoudigweg een groot aantal reserveonderdelen op voorraad te houden, maar dit is niet economisch vanwege de hoge opslagkosten en het hoge opslagrisico.
3D-printen creëert een economische oplossing waarmee reserveonderdelen op aanvraag en met de hoogst mogelijke snelheid kunnen worden geproduceerd. Als gevolg hiervan vermindert 3D-printen zowel de potentiële opslagkosten als de uitvaltijd als gevolg van defecte componenten.
Hulpmiddelen
Voor het testen van voertuigmodellen in de windtunnel zijn uiteraard ook gereedschappen en andere hulpmiddelen nodig. Of het nu gaat om montage, onderhoud, reparatie of de windtunneltests zelf: bij zulke intensieve tests is gereedschap essentieel.
Veel van deze hulpmiddelen vereisen een zeer hoge mate van individualiteit voor windtunnelmodellen, omdat elk model verschillende kenmerken heeft. In plaats van deze individuele hulpmiddelen in een kostbaar en tijdrovend proces met behulp van traditionele productiemethoden te produceren, gebruiken veel motorsportteams 3D-printen.
Hierdoor kunnen specifieke gereedschappen, apparaten en beugels die zijn aangepast aan de aerodynamische eisen in de kortst mogelijke tijd worden geproduceerd. 3D-printen maakt het ook veel gemakkelijker om deze tools aan te passen, wat vaak gebeurt wanneer modellen worden aangepast.
Op maat gemaakte voertuigcomponenten
Zoals reeds in detail vermeld, profiteren ook de voertuigmodellen zelf enorm van 3D-printen. Ik wil nu een paar specifieke voorbeelden noemen van 3D-geprinte componenten voor windtunnelmodellen.
Bij autosport- en windtunneltests worden motorzuigers, rolbeugels en pedalen vaak 3D-geprint om gewicht te besparen. Deze kunnen onder andere profiteren van de complexe structuren en lichtgewicht materialen.
Aerodynamische prestaties worden bijvoorbeeld bereikt door 3D-geprinte remkanaalinlaten om de luchtstroom voor remkoeling te optimaliseren en door vleugelkleppen aan de achterkant om de lift te vergroten.
Buiten de windtunneltests zijn er nog veel meer toepassingen in de autosport - met name op maat gemaakte beschermende kleding, van handschoenen tot helmen, wordt nu vaak geproduceerd met behulp van 3D-printers.
Conclusie
Deze blogpost had duidelijk moeten aantonen hoe essentieel windtunneltesten zijn voor de autosport en hoe essentieel 3D-printen is voor windtunneltesten. Steeds meer autosportteams van hoog niveau erkennen deze voordelen in verschillende competities - van de Formule 1 met McLaren Racing bijvoorbeeld, die al enkele jaren met Stratasys® werken, tot de MotoGP, waar het Yamaha MotoGP-team bijvoorbeeld met Roboze samenwerkt om hun windtunneltesten efficiënter te maken.
In de toekomst zullen er zeker nog veel meer teams zijn die zullen profiteren van 3D-printen om hun doelen te bereiken. Het steeds toenemende aantal dienstverleners helpt autosportteams ook om op maat gemaakte componenten te realiseren zonder zelf een 3D-printer aan te hoeven schaffen.
Als u wilt weten hoe wij bij PartsToGo autosportteams al ondersteunen en welke materialen en printers wij hiervoor kunnen aanbieden, dan kunt u onze toepassingspagina over 3D-printen in de autosport is de ideale plek om dit te doen.
Bedankt voor uw aandacht - en tot ziens in de volgende blogpost!
Onze ideale oplossing voor windtunneltests
Last but not least wil ik onze ideale oplossing voor windtunnelmodelcomponenten presenteren. Er zijn verschillende materialen en printoplossingen beschikbaar om dergelijke componenten te printen, maar er gaat niets boven de Stratasys® Somos® PerFORM in combinatie met de Neo®800.
De Stratasys® Somos® PerFORM is een keramisch composietmateriaal met fantastische stijfheid, hittebestendigheid tot 270°C en uitstekende detailfijnheid. Dit materiaal is perfect voor lichaamsdelen van windtunnelmodellen.
Windtunneltesten vereisen precisie - en de Neo®800 van Stratasys® is hiervoor de ideale printer met een nauwkeurigheid van ± 0,1 mm. Bovendien heeft de Neo®800 een bouwvolume van 384 liter, waardoor grootformaat onderdelen uit één stuk mogelijk zijn en een uitstekende printsnelheid.
Heeft u componenten voor windtunnelmodellen nodig met precies deze eigenschappen? Dan zijn wij bij PartsToGo de ideale mensen om contact mee op te nemen! Met onze spoedservice en onze expertise, zowel in 3D-printen als in de commerciële sector, printen wij uw onderdelen kosteneffectief, met een hoge kwaliteit en precies volgens uw wensen.
Heeft u al een digitaal model en wilt u deze laten printen? Met ons bestelformulier, bereikbaar via de knop linksonder, is dat makkelijker dan ooit! Als u toch nog advies en validatie nodig heeft, helpen wij u uiteraard ook verder - ga gewoon naar ons contactformulier via de knop rechtsonder.
Bedankt voor je aandacht - en tot ziens in de volgende blogpost!
Klaar om uw productie te transformeren?
Upload uw CAD-bestanden en ontvang direct een prijs, ondersteund door Europa’s toonaangevende dienstverlener in additieve manufacturing.
- 1-4 dagen
- productietijd
- 98%
- tijdige levering
- 200+
- beschikbare materialen