스트라타시스, 챔피언 모터스포츠와 협력해 파이크스 피크 성능서 3D 프린팅 코어 기술 검증

6월 27일, 챔피언 모터스포츠(미국 플로리다주 폼파노 비치)의 개조된 911 포르쉐 GT2 RS 클럽스포트 카가 콜로라도주 콜로라도 스프링스에서 열린 제99회 파이크스 피크 인터내셔널 힐 클라임 타임 어택 1 디비전에서 1위를 차지했습니다.

팀 성공의 비결 중 하나는 차량의 공기역학적 구조물(날개, 언더바디 스트레이크, 디퓨저 및 차량 주위로 공기를 더 효율적으로 이동시키는 기타 구성품)이었습니다. 이 구성품 중 다수는 파트너 스트라타시스(Stratasys, 이스라엘 레호보트 및 미국 미네소타주 에덴 프레리)가 3D 프린팅했으며, 새로운 툴리스(toolless) 탄소섬유 랩 샌드위치 코어 기술의 성공적인 첫 적용이 포함되었습니다.

3D 프린팅 툴링 및 코어 기술 검증

챔피언 모터스포츠는 수년간 스트라타시스 고객이었지만, "파트너십이 일반적인 벤더/고객 관계를 넘어섰습니다."라고 스트라타시스 수석 전략 애플리케이션 엔지니어 앨런 크리머(Allen Kreemer)는 말합니다. 예를 들어, 스트라타시스와 챔피언은 이전에 스트라타시스가 개발한 3D 프린팅 수용성 툴링 신기술을 테스트하기 위해 협력했습니다. 이 기술로 덕트나 기타 튜브형 부품 모양의 수용성 플라스틱 코어를 프린팅한 후 탄소섬유 프리프레그로 감쌉니다. 수용성 서포트 제거 탱크를 사용하면 프린팅된 툴링이 용해되어 이음매 없는 중공 복합소재 덕트가 남습니다.

"그것이 챔피언 모터스포츠와의 파트너십 시작이었습니다. CNC 가공이나 성형 같은 경계 없이 비전통적인 방식으로 매우 복잡한 이음매 없는 탄소섬유 덕트를 함께 만들었습니다."라고 스트라타시스 아메리카 제품 및 솔루션 수석 부사장 패트릭 캐리(Patrick Carey)는 말합니다.

2019년, 회사들은 같은 기술의 새 반복을 테스트하는 프로젝트로 파트너십을 맺기로 했습니다. 물에 녹지 않는 3D 프린팅 탄소섬유 랩 코어로, 대신 완제품이나 프로토타입의 구조적 코어 역할을 합니다.

크리머는 샌드위치 구성품에서 유연한 알루미늄 허니콤, 강성 구조용 폼 등 코어 소재 작업과 성형이 어렵고 비쌀 수 있다고 설명합니다. 성형이나 가공 후 전용 금형에서 탄소섬유 복합소재 스킨으로 성형해야 하기 때문입니다. 스트라타시스는 SABIC(사우디아라비아 리야드) 울템 1010 고온 플라스틱으로 강성 허니콤 코어를 프린팅합니다. "차량에 맞게 정확한 모양을 프린팅한 후 탄소섬유로 감싸고 백킹하고 경화하면 금형 없이 됩니다."라고 크리머는 말합니다. "수용성 코어로 시작했는데 고객들이 여전히 사용하고, 이제 샌드위치 코어로 이동했습니다. 항공우주와 자동차에 광범위한 응용이 있을 것입니다."

"우리는 그것을 '툴리스'라고 부르는데, 그게 진짜 핵심입니다."라고 캐리는 덧붙입니다. "금형 제작과 금형 위 레이업 과정을 모두 건너뛴 응용을 만들었습니다." 그는 툴링 제거가 필요에 따라 모양을 쉽게 변경할 수 있게 해준다고 말합니다.

3D 프린팅 수상 공기역학

챔피언 모터스포츠 프로젝트를 위해 세 가지 다른 기술이 레이스 차량에 최종 장착되거나 프로토타이핑용으로 스트라타시스가 제작한 총 16개 공기역학 부품에 사용되었다고 캐리는 설명합니다. "울템 1010 [탄소섬유 랩] 코어를 프린팅했고, 탄소섬유 충전 나일론 12로 일부 부품을 3D 프린팅했으며, 유연성과 충격 강도가 필요할 때 나일론 6로 부품을 프린팅했습니다."

가장 큰 부품은 최종 부품 설계 테스트를 위해 제작된 길이 7피트, 폭 5피트 리어 디퓨저 프로토타입 부품이었습니다. 울템 1010 폴리에테르이미드(PEI) 폴리머로 F900 융착 적층 모델링(FDM) 스트라타시스 프린터에서 7조각으로 프린팅되어 접합되고 탄소섬유 프리프레그로 감싸고 백킹 및 오븐 경화되었습니다. 프린팅 약 5일, 레이업 및 경화 24시간 조금 넘게 소요되었습니다. "매우 빨랐고 당시 우리에게 필요한 것이었습니다."라고 챔피언 모터스포츠 기계 엔지니어 크리스 리우(Chris Lyew)는 말합니다.

코로나19로 인해 올여름 대면 행사 개최 여부 불확실성 때문에 "프로젝트가 막판에 온라인으로 전환되었고, 많은 시스템을 동시에 해결해야 했습니다."라고 리우는 설명합니다. "공기역학은 그중 하나인데, 일반적으로 구성품 설계, 테스트, 반복하는 매우 시간이 많이 드는 과정입니다."라고 그는 말합니다. 기존 방식은 툴링 제작, 금형 위 핸드 레이업, 코어 절단 및 피팅이 필요했습니다. "이 공정 없이는 트랙 테스트 목표 날짜를 맞출 수 없었을 것입니다."라고 리우는 말합니다.

차량 프론트 스플리터도 비슷한 방식으로 프로토타이핑 및 테스트되었습니다. 프로토타입 부품의 경우 최종 생산 부품은 기존 툴링으로 제작되었지만, 프로토타입 부품은 다양한 반복 테스트를 위한 패턴으로 사용되었습니다. 캐리는 "툴리스 공정으로 더 빠르게 반복하고, 테스트하고, 다시 더 빠르게 반복하고 테스트할 수 있습니다. 기존 툴링으로는 절대 반복할 수 없고, 하나 만들고 끝입니다. 여기서는 실제 부품을 만들고 테스트하고 배울 수 있습니다."라고 말합니다.

여러 소형 생산 부품도 스트라타시스가 제작했습니다. 예를 들어, 차량 프론트 범퍼 양쪽의 윙렛은 35% 탄소섬유 충전 나일론 12로 프린팅되었고, 차량 사이드 스커트도 울템 1010으로 허니콤 내부 충전 후 탄소섬유로 오버랩되었습니다.

차량 공기역학적 "스트레이크"(차량 외부 전략적 지점에 볼트온되어 차량 주변 공기 흐름 제어를 돕는 작은 핀 같은 조각) 다수도 탄소섬유 충전 나일론 12 또는 무보강 나일론 6로 프린팅되었습니다. 이 부품들은 손상이나 마모로 인해 필요에 따라 쉽게 재설계하거나 교체하도록 설계되었습니다. "파이크스 피크에는 잠재적으로 손상을 입힐 수 있는 꽤 거친 지형 특징이 있어서, 스트레이크를 쉽게 교체할 수 있는 것이 우리에게 핵심이었습니다."라고 리우는 덧붙입니다. 여러 예비 세트도 프린팅되어 레이스 중 필요 시 쉽게 교체할 수 있도록 배송되었습니다.

파이크스 피크를 넘어

크리머는 이 기술 테스트에 파이크스 피크가 이상적인 레이스였다고 말합니다. 최고점 14,000피트 고도에서 열리는 이 이벤트 특유의 환경 때문입니다. "모든 레이스카는 다운포스를 사용해 차를 트랙에 눌러 접지력을 얻지만, 파이크스 피크의 이 특정 차들은 세계 그 어떤 모터스포츠와도 다릅니다. [그 고도에서] 차를 트랙에 고정하기 위해 정말 과장된 공기역학 효과가 필요하기 때문입니다." 결과는 다른 어떤 레이스카보다 더 큰 날개와 기타 공기역학 구성품이 사용됩니다.

앞으로 스트라타시스는 툴리스 프린팅 코어 기술을 다른 레이싱 회사에 유사한 공기역학 부품용으로 도입할 계획입니다. 캐리는 저량 자동차, 레크리에이션 해양, 심지어 향후 인테리어 항공우주 부품 등 많은 다른 잠재적 응용 분야가 있다고 말합니다. "반복이나 맞춤 설계가 필요한 모든 응용 분야에서 우리는 가치를 더할 수 있다고 믿습니다."라고 그는 말합니다.