Stampa 3D di parti di motore per moto da corsa, un’introduzione
Stampa 3D di parti di motore per moto da corsa, se prodotte utilizzando una tecnologia additiva all’avanguardia e materiali compositi avanzati, soddisfano le esigenze più esigenti dell’industria frenetica per eccellenza, il Motorsport.
Da diversi anni, CRP Technology si occupa della produzione di componenti in Rapid Prototyping proprio per questo settore, sia esso quello delle quattro o due ruote.
Questi “prototipi rapidi” sono ottenuti attraverso la tecnologia di Sinterizzazione Laser ed i materiali Windform, internamente sviluppati a partire dal 1998.
Ci sono diversi campi di applicazione per Windform XT (caricato carbonio) e Windform GF (caricato vetro ad alluminio), ampiamente utilizzati da CRP Technology.
Un esempio rappresentativo di Direct Digital Manufacturing con i materiali Windform è il caso dello sviluppo della Fantic moto R250, classe 250cc, che gareggiò nel Moto Mondiale 2005.
L’azienda iniziò in quell’anno la grande sfida delle moto da Gran premio, affrontando il mercato mondiale con una moto della classe 250cc, costruita completamente dallo staff tecnico della CRP e che ha preso parte al Campionato Mondiale di Motociclismo MotoGP con 2 moto sotto il marchio Fantic Motor.
Il progetto
Grazie all’utilizzo di materiali di alta qualità come Windform GF e XT, è ora possibile utilizzare la sinterizzazione laser per ottenere pezzi di ricambio con prestazioni affidabili e di alto livello, pronte per l’uso agonistico in pista.
Tutto si è concentrato nello studio della configurazione di un nuovo air box in Windform XT per il motore R250 CRP, insieme ad un collettore speciale per il carburatore in Windform GF; una nuova carenatura in Windform XT; un parafango anteriore speciale, con condotti d’aria integrati, in Windform XT ed un parafango posteriore con una sella per la R250 CRP, sempre in Windform XT.
In F1, tutto ruota attorno alla riduzione al tempo, dalla necessità di ridurre il tempo in pista alla bisogno più generale di ridurre il tempo per ottenere più iterazioni di design possibili.
“Nella galleria del vento, una macchina a mezza scala è continuamente testata nel maggior numero di configurazioni aerodinamiche possibili nel tempo a disposizione. E poi, l’inevitabile domanda — siete in grado di produrre pezzi per la macchina reale? I vantaggi sarebbero incredibili, se potessimo fare questo prossimo passo.” (Steve Nevey, Red Bull Racing)
Windform XT ha tutti i requisiti: perfetto per la galleria del vento, può inoltre essere usato per fare i modelli principali usati per la laminazione del carbonio (anche in autoclave) e può ovviamente essere sinterizzato per pezzi di ricambio di macchine da corsa.
CRP l’ha utilizzato per portare una moto completamente nuova nella pista del MotoGP in meno di sei mesi.
Era l’inizio di una nuova grande sfida. Durante la stagione agonistica 2005, il gap più consistente è stato nello sviluppo dell’unità motrice. Per questo, nel 2006, CRP Technology ha lavorato sullo sviluppo del motore, sfruttando la tecnologia di Prototipazione Rapida ed i materiali Windform.
La configurazione del motore 250cc 2005 era quella di un bicilindrico a V di 90° monoalbero lamellare che veniva alimentato da due carburatori con venturi di 40mm di diametro.
Air Box
Il sistema di alimentazione era costituito da due prese d’aria collocate sui fianchi della carena che alimentavano i due air box separati. Dopo una serie di test per validare la configurazione dei due air box separati, per motivi geometrici di ingombro, non è stato possibile rendere uguali i due volumi con la conseguenza di avere un funzionamento eterogeneo tra i due cilindri.
Dalle curve caratteristiche, si può osservare un’erogazione del motore abbastanza regolare. In particolare, si nota un peggioramento della curva di potenza e di coppia nella ricerca della maggior potenza poiché si è ristretto l’arco di utilizzo del motore.
Per questa ragione, durante la stagione 2006, si è realizzato un air box unico in Windform, in grado di sfruttare al meglio tutto lo spazio a disposizione all’interno del telaio con immissione dell’aria frontale sotto la piastra di sterzo.
Questo ha permesso di omogeneizzare il funzionamento dei due cilindri, rendendo più semplice la messa a punto del motore stesso. Il motore ha subito risposto in maniera positiva avvicinando il setting dei due carburatori e tirando qualche punto di massimo in più.
Un successo, in quanto non sono più state riscontrate difficoltà a livello di alimentazione, difficoltà che erano diverse a seconda del cilindro esaminato. In particolare, il carburatore più basso risultava essere molto “sacrificato” poiché il venturi era molto vicino alla parete dell’air box. Si è quindi orientato il carburatore in maniera diversa, rispettando i limiti di livello benzina. Realizzando un nuovo collettore di aspirazione in Windform XT (che serve a sostenere il carburatore), è stato possibile migliorare il funzionamento del sistema di alimentazione del cilindro n°2.
Con un aumento del volume, una maggior “pulizia” della geometria dell’air box ed un miglior posizionamento del carburatore del cilindro basso, il risultato è stato una curva di coppia e di potenza più corposa, che rendono più fruibile l’utilizzo del motore da parte del pilota.
Grazie alla resistenza meccanica del materiale SLS di CRP, è stato possibile realizzare l’air box e soprattutto il collettore d’aspirazione direttamente in Windform, abbreviando notevolmente i tempi di realizzazione e di sviluppo.
Sono stati realizzate più tipologie di collettori, testati direttamente al banco prova fino a trovare la geometria migliore. Conservando i file, è inoltre possibile non perdere la “storia” dello sviluppo del componente.
Raffreddamento e parafango anteriore
L’adozione di un air box di dimensioni maggiori che sfrutti tutto lo spazio disponibile all’interno del telaio ha generato un incremento prestazionale non trascurabile. Nell’atto pratico, tale incremento risulta compromesso dalla temperature di esercizio del motore che raggiunge in breve tempo i 65-75°C con punte di 75-80°C nelle condizioni climatiche peggiori. Tali temperature di esercizio penalizzano molto il rendimento del motore rendendo vano il lavoro fatto sull’air box.
Per risolvere questo problema, e sfruttando appieno le potenzialità della Prototipazione Rapida, è stato creato un nuovo parafango in grado di lavorare anche come convogliatore.
E’ stato realizzato in Windform XT e l’idea era proprio quella di andare a portare aria fresca nelle zone più “coperte” del radiatore per favorire il raffreddamento del motore stesso.
Sfruttando la tecnologia SLS ed il materiale Windform XT, è stato possibile realizzare il parafango in brevissimo tempo ed il suo utilizzo ha permesso di ridurre la temperatura di 2°C, senza presentare alcuna controindicazione per quanto riguarda il montaggio e la dinamica di guida.
Parafango posteriore
Per omogeneizzare il flusso d’aria nella parte posteriore del veicolo, evitando “costose” turbolenze, è stato realizzato, in brevissimo tempo, un parafango posteriore in Windform XT che integra due pinzette per proteggere il forcellone. Tale elemento è molto importante in quanto contribuisce ad omogeneizzare il flusso aerodinamico nella parte posteriore del veicolo aumentando l’estrazione di aria calda dall’interno della carenatura.
Carenatura
Il passo successivo è stato quello di massimizzare il raffreddamento e migliorare l’aerodinamica, cercando di ottimizzare la penetrazione e l’estrazione dell’aria calda.
Come si può notare, è stata ingrandita la parte sotto la piastra di sterzo inferiore per facilitare l’ingresso dell’aria.
Conclusioni
Nello sport dei motori a 2 e 4 ruote, l’alta prestazione, l’alta qualità ed il breve tempo fanno la differenza.
CRP ha lavorato molto per migliorare le proprietà per i modelli test ma anche per prototipi high-end e piccoli lotti di pezzi di produzione.
La famiglia Windform è nata nel 1998 con Windform GF (caricato con vetro ed alluminio), un componente poi sviluppato anche da altri produttori. Di seguito, sono nati Windform PRO e PRO B (caricato con alluminio e vetro). Il successivo passo è stato il materiale in fibra di carbonio marchiato Windform XT, polvere di sinterizzazione laser con le proprietà meccaniche e termiche le più alte, in confronto a tutte le altre polveri utilizzate per questa tecnologia. Infine, per soddisfare ulteriori richieste di elasticità e resistenza è stato lanciato nel 2007 il Windform FX, un materiale a base poliammidica di nuova generazione, le cui caratteristiche meccaniche e ripetibili lo rendono particolarmente adatto ad applicazioni di Rapid Manufacturing che richiedono particolare flessibilità (ad esempio: componenti flessibili, parti funzionali a scatto e cerniere, condotti di forma complessa, con pareti sottili, cruscotti e griglie, paraurti, ventole e connettori).