Formel-1-Team Williams Martini setzt auf additive Fertigungslösung

In keinem anderen Sport hängt messbarer Erfolg stärker von der Geschwindigkeit ab als in der Formel 1. Neun Konstrukteurs- und sieben Fahrerweltmeistertitel zeigen, dass das Williams Martini Racing sein Handwerk versteht. Geschwindigkeit zählt auch neben der Strecke, wie die Entwicklungsabteilung des Rennstalls beweist: Die Ingenieure setzten zum Bau der äußeren Frontflügelteile für den 2016er-Rennwagen auf additive Fertigung mit EOS-Technologie.

Von Gary Taylor

Die Konzeption der neuen Autos beginnt lange, bevor eine Formel-1-Saison endet. Gleichzeitig sind die Ingenieursteams mit der kontinuierlichen Verbesserung des jeweils noch aktuellen Boliden beschäftigt. Umso mehr kommt es darauf an, sämtliche zur Verfügung stehenden – personellen wie materiellen – Ressourcen optimal einzusetzen. Denn die Konstruktion eines Formel-1-Rennwagens unterliegt einerseits einem komplexen Regelwerk und soll andererseits die bestmögliche Lösung bei der Formel „hohe Geschwindigkeit und Stabilität bei geringem Gewicht“ finden.

Dieser Herausforderung stellt sich das Entwicklungsteam von Williams Martini Racing im britischen Grove jede Saison erneut. Längst haben sich in der Formel 1 Kohlefaserverbundstoffe durchgesetzt, da sie eine äußerst hohe Stabilität bei sehr niedrigem Gewicht ermöglichen – wenn auch zu hohen Kosten. Allerdings stellt das Material nicht nur die Entwickler von Williams Martini Racing vor ein neues Problem: Es ist ein Kostentreiber und wegen der hohen Anforderungen an den nötigen Formen- und Werkzeugbau nicht einfach zu verarbeiten, was vor allem bei der schnellen Herstellung von Einzelstücken für den Prototypenbau ein Thema ist.

Integration der additiven Fertigung in den Entwicklungsprozess

In der Vergangenheit verfolgte der Rennstall eher einen konservativen Ansatz, wenn es um Ingenieursarbeiten ging. Gleichzeitig hat das Team in Grove stets auf innovative Technologien gesetzt. Diesem Credo folgend machte sich die technische Abteilung daran, für den mehrteiligen Frontspoiler beim Prototyping die additive Fertigung in den Entwicklungsprozess zu integrieren. Das Bauteil ist ein aerodynamisches Herzstück des Wagens und sorgt dafür, dass die Reifen des Rennwagens auch bei schnellen Kurvenfahren genügend Grip auf der Strecke erhalten.

Computersimulationen halfen bei der Berechnung des Frontflügel-Designs. Doch ab einem gewissen Punkt müssen Windkanaltests unter echten Bedingungen erfolgen, denn trotz aller intelligenten IT-Algorithmen ist die Leistungsfähigkeit der Berechnungsmodelle begrenzt. Im Zuge dieser Tests gilt es, die verschiedenen Entwürfe unter realen Bedingungen auf Herz und Nieren zu prüfen. Da Kohlefasermaterialien, wie erwähnt, schwer zu verarbeiten sind, hat sich Williams Martini Racing dazu entschlossen, Prototypen für die Flügel additiv zu fertigen, um damit die Formgebung zu testen.

Herstellung der Kunststoffe im Laser-Sinter-Verfahren

Zum Einsatz kommen dabei die beiden EOS-Systeme Eosint P 390 und die Eosint P 760 mit großem Bauraum, die beide für die Produktion von Kunststoffen im Laser-Sinter-Verfahren geeignet sind. Die Ingenieure von Williams Martinti Racing entwerfen dabei per CAD-Software zunächst unterschiedliche Frontflügel, die jeweils den Entwürfen und Simulationen für hohen Abtrieb und somit für eine hohe Reifenhaftung entsprechen. Diese Entwürfe überträgt das Team in die Systeme von EOS, die daraufhin in hoher Präzision den Formprototyp herstellen. Sobald die Werkstücke den Bauraum verlassen, findet die weitere Evaluation durch die zuständigen Experten statt. Erst nachdem die Konstrukteure einige Designs in die engere Wahl genommen hat, erfolgt der aufwendige Bau der zugehörigen Formen für die eigentlichen CFK-Bauteile, die anschließend auf der Rennstecke weiter getestet werden.

„In unseren Augen ist EOS der führende Anbieter, wenn es um die Laser-Sinter-Technologie geht – und wir wollten mit den Besten zusammenarbeiten“, erklärt Richard Brady, Leiter Advanced Digital Manufacturing bei Williams Martini Racing. „Wir sind der festen Überzeugung, dass die additive Fertigung unsere Herstellungsprozesse hervorragend ergänzt und die Produktentwicklungszyklen insgesamt stark verkürzt. Bei den Luftleitbauteilen an den Außenseiten des Frontflügels ist uns das bereits auf beeindruckende Art und Weise gelungen. Wir sind überaus zufrieden mit dem Gesamtprozess des Prototypenbaus, von der eigentlichen Produktion bis hin zur Zusammenarbeit mit EOS.“

Additives Fertigungsverfahren sorgt für Designfreiheit

Die komplexe Formgebung der einzelnen Teile ist für das additive Fertigungsverfahren keine große Herausforderung, denn die extreme Designfreiheit ist der vermutlich größte Vorteil dieser Technologie. Auch die nötige Bauteilmechanik und Maßhaltigkeit erreichen die EOS-Maschinen spielend. Damit sind die Grundvoraussetzungen für optimale Ergebnisse gegeben. Doch wie ist es um die zen­tralen Herausforderungen bestellt, wie einfachere Prozesse, schnellere Produktion und niedrigere Kosten? Die Antwort ist eindeutig: „Wir konnten die Produktionszeiten kontinuierlich senken, da wir den Gesamtfertigungsprozess deutlich simpler und effizienter gestalten konnten“, sagt Richard Brady und ergänzt: „Es ist uns nun zum ersten Mal möglich, Komponenten zu testen, ohne vorher aufwändigen, langwierigen und teuren Formenbau für nachträglich verworfene Designs durchzuführen.“ Die schnelle Fertigung bedeutet auch, dass innerhalb einer bestimmten Zeit deutlich mehr Iterationen eines Designs möglich sind: Wo eine Frist früher für nur einen Durchlauf ausreichte, sind nun gleich mehrere Wiederholungen möglich.

Die auf diese Weise insgesamt eingesparte Entwicklungszeit schlägt sich demnach auch in niedrigeren Kosten nieder. Darüber hinaus bringt die additive Fertigung weitere finanzielle Vorteile mit sich, da sich die optimierten Bauteile in besseren Platzierungen auf der Rennstrecke niederschlagen. Für jeden Punkt in der Fahrer- und Konstrukteurswertung verteilt der Formel-1-Dachverband FIA (Fédération Internationale de l‘Automobile) Gelder aus den Werbeeinnahmen der jeweiligen Rennserie, zudem unterstützen Sponsoren kräftiger, wenn die Fahrer auf der Überholspur sind. Oder anders formuliert: Das Formel-1-Team von Williams Martini Racing punktet mit Innovation. SG

Autor: Gary Taylor ist Regional Manager UK bei EOS.