Un oggetto d’arte stampato in 3D: Bugatti & APWORKS sulle loro applicazioni di scarico stampate in 3D
L’ingegnere di costruzione Bugatti Body Development Jens Wenge [ JW ] e il responsabile del progetto di APWORKS AM Sebastian Lepa [ SL ] parlano con TCT della progettazione e della produzione additiva di componenti di scarico per i modelli Chiron dell’azienda automobilistica. Nel 2019 è stata sviluppata una finitura di scarico per il derivato Chiron da record e, all’inizio di quest’anno, è stato prodotto un terminale di scarico leggero per il Chiron Pur Sport .
Bugatti ha una relazione rinomata con SLM Solutions, quindi perché la società ha collaborato con APWORKS per stampare in 3D parti di scarico Chiron?
JW : APWORKS è entrato in gioco quando ho partecipato a un workshop con EOS e il gruppo CSI, un altro importante fornitore di ingegneria per Bugatti. All’interno di questo workshop abbiamo identificato il rivestimento del fanale posteriore come potenziale parte per la stampa 3D. Abbiamo capito la possibilità di implementare non solo un oggetto incredibilmente elegante, ma anche di ridurre il peso in un solo passaggio. A causa delle buone esperienze che CSI ha avuto con APWORKS e del rapporto tra APWORKS ed EOS, abbiamo deciso di fare questo progetto con loro.
E cosa ha spinto APWORKS a voler lavorare con Bugatti e a credere di avere il giusto know-how tecnico e le capacità per questo progetto?
SL : Bugatti è ben nota per le sue impressionanti auto iper sportive e per essere stata una delle prime ad adottare la produzione additiva. La produzione additiva consente forme geometriche innovative di componenti che contribuiscono alle prestazioni straordinarie delle vetture iper sportive. Inoltre, Bugatti stabilisce un alto livello di qualità in ogni fase del processo. APWORKS è la soluzione perfetta per produrre la serie di scarichi Bugatti Pur Sport, essendo in grado di produrre grandi parti in titanio su un sistema Quad-Laser e di essere utilizzata secondo i più alti standard di qualità come sussidiaria di Airbus e fornitore di primo livello per Airbus.
Abbiamo sentito parlare per la prima volta della partnership tra Bugatti e APWORKS dopo che il derivato Chiron ha rotto la barriera dei 300 mph nel 2019, mentre era dotato di terminali di scarico stampati in 3D in metallo. Come sono state progettate queste parti e perché era adatta la stampa 3D?
JW : Il vantaggio delle parti stampate in 3D è che siamo in grado di concentrarci sulla funzione della parte. La forma è ottimizzata per il flusso di massa dello scarico e possiamo ignorare le restrizioni convenzionali che si trovano nel processo di produzione. Il secondo fatto importante è che avevamo bisogno di un solo prototipo per l’auto da record mondiale Super Sport 300+.
SL : AM consente forme geometriche innovative che contribuiscono alle prestazioni straordinarie delle auto iper sportive.
JW : Il team di tutto il mondo record ha fatto un ottimo lavoro, lavorando con i membri di ogni dipartimento di ingegneria di Bugatti. Il team aerodinamico, ad esempio, ha trascorso ore a simulare il flusso d’aria e lo ha testato molte altre ore nella galleria del vento della Dallara. Hanno eseguito varie analisi CFD per indagare sui fenomeni aerodinamici che si verificano nella zona di scia dietro il veicolo e hanno calcolato nelle loro simulazioni esattamente quanto del flusso di scarico deve essere diretto nel diffusore posteriore, a seconda dell’altezza del veicolo e della velocità, quindi che la deportanza ottimale è stata ottenuta sull’asse posteriore e che i gas di scarico supportano il rullo pneumatico nella parte posteriore.
Subito dopo, il tubo di scappamento stampato in 3D per il Chiron Pur Sport è stato svelato: quali sono state le considerazioni di progettazione per questa parte e cosa è cambiato rispetto ai componenti di scarico progettati tradizionalmente?
JW : Davvero importante in primo luogo è stata la realizzazione di un eccezionale tubo di scappamento: un “oggetto d’arte”. Ma portare il tubo di scappamento di scarico non era una soluzione one-shot.
SL : Il design del rivestimento porta AM ai suoi limiti. Molte ottimizzazioni sono state applicate alla progettazione della parte per ridurre il peso della parte, ma anche per consentire un processo di produzione perfetto e affidabile. I numeri della parte parlano da soli: fino a 0,4 mm di spessore della parete; circa 22 cm di lunghezza, 48 cm di larghezza e 13 cm di altezza; pesa solo 1,85 kg inclusa griglia e staffa. A causa dei requisiti e delle dimensioni della parte, il materiale di scelta è il titanio e il sistema è un EOS M400-4. Stampare enormi parti in titanio, comprese pareti fino a 0,4 mm, significa superare lo stress termico per evitare distorsioni dei componenti.
JW : I nostri ingegneri hanno quindi lavorato in stretta collaborazione con il team delle applicazioni di APWORKS. Lo scambio regolare, le iterazioni di progettazione e i test di stampa hanno infine portato al design impressionante delle parti e al peso ridotto.
SL : Abbiamo integrato strutture reticolari per stabilizzare le pareti mantenendo il peso del pezzo basso e abbiamo aggiunto strutture a nido d’ape per supportare pareti con solo 0,4 mm di spessore. Inoltre, abbiamo sviluppato un modo completamente nuovo di supportare le geometrie per le parti a parete sottile dal punto di vista della geometria e dei parametri laser.
JW : Non c’è modo di trasferire un design elegante alla parte reale in un processo di produzione convenzionale. I gradi di libertà di AM consentono di realizzare la visione dei nostri progettisti, di ottimizzare il flusso di massa, di implementare una funzione di isolamento termico e, in questo caso, ridurre il peso del pezzo del 45%. Il terminale di scarico è solo quello che è grazie a questa nuova e innovativa tecnologia.
Nella progettazione di questo componente, sei riuscito a includere pareti molto sottili fino a 0,5 mm, risparmiando circa 50 kg di peso e migliorando l’aerodinamica dell’auto: quanto è difficile farlo e quali sono stati i fattori significativi che ti hanno permesso di ottenere quei risultati?
JW : L’intenzione era di ridurre il peso complessivo di 50 chilogrammi per il Pur Sport, quindi il nostro lavoro era ridurre il peso delle singole parti e comunque ottimizzarle, anche se sono già state ottimizzate nel Chiron. Puoi immaginare, non è stato un compito facile da fare. Quando guardi il tubo di scappamento, ad esempio: passando il processo di produzione ad AM abbiamo avuto la possibilità di utilizzare il titanio invece della lega ferrosa. Un materiale leggero è un’ottima base per iniziare. Avevamo anche bisogno di sviluppare strategie per realizzare le pareti sottili. Quindi abbiamo deciso di combinare strutture reticolari e bioniche per stabilizzare le pareti durante la stampa. La disponibilità di capacità di produzione AM per parti in titanio così grandi è stata una vera sfida, perché alla fine la parte pronta per l’uso avrebbe comunque dovuto soddisfare i requisiti di qualità Bugatti.
Poiché le auto sono costruite per essere veloci e leggere, stai includendo l’ottimizzazione topologica e le strutture reticolari all’interno di questi componenti di scarico, oltre ad avere pareti sottili?
JW : L’ottimizzazione topologica viene utilizzata per definire la forma delle staffe di montaggio e dei punti di fissaggio. Inoltre, la giunzione dell’applicazione di carico è ottimizzata utilizzando metodi FEM. Le strutture reticolari sono essenziali per poter produrre parti con pareti sottili aventi le dimensioni esatte e superfici pulite.
Ci sono state difficoltà nella fase di stampa del progetto con un design così snello? Se è così, come li hai superati?
SL : I requisiti di una parte del genere sono elevati. A causa dei requisiti e delle dimensioni della dimensione del pezzo, il materiale di scelta è il titanio e il sistema di scelta è un sistema quad-laser EOS M400 con produttività massimizzata. Come notato prima, stampare parti in titanio [con] pareti singole fino a 0,4 mm significa superare le sollecitazioni termiche per evitare distorsioni. Potremmo superare questo rischio, poiché siamo stati coinvolti da Bugatti già nelle prime fasi di progettazione e sviluppo dell’applicazione. Abbiamo integrato strutture reticolari per stabilizzare le pareti mantenendo il peso delle parti basso e abbiamo aggiunto strutture a nido d’ape per supportare pareti con solo 0,4 mm di spessore. Inoltre, abbiamo sviluppato un modo completamente nuovo di supportare le geometrie particolarmente adatte per le parti con pareti sottili dal punto di vista della geometria e dei parametri laser.
Per entrambe queste applicazioni di scarico, il materiale scelto è stato il titanio. Perché?
JW : Il flusso di massa dello scarico ad alta temperatura richiede materiali resistenti alla temperatura. L’inconel o l’acciaio inossidabile andavano bene in passato, ma non funzionavano con l’obiettivo di riduzione del peso per il Pur Sport. Quindi il semplice motivo è la densità del titanio in combinazione con la resistenza al calore e la forza.
Quali temperature devono sopportare queste parti? E quali altri requisiti impegnativi hai per componenti di scarico come questi?
JW : La temperatura in generale supera i 600 ° C – i valori di picco possono essere molto più alti. Requisiti importanti per il tubo di scappamento Pur Sport erano di isolare i fumi di scarico e tenerlo lontano dalla parte posteriore dell’auto e dalle sue parti in fibra di carbonio. Le superfici sono progettate per modificare il flusso di massa per evitare un riflusso.
In termini di scale, quanti terminali di scarico devono essere prodotti per un’auto sportiva come la Chiron?
JW : Il vantaggio della stampa 3D è che non sono necessari strumenti di produzione. Ciò significa che un prezzo più elevato per materiali come il titanio può essere compensato da un minore investimento in attrezzature. Di norma, il vantaggio è maggiore con un numero ridotto e produciamo solo 60 terminali di scarico per Pur Sport.
