Aerodynamik

Windkanal- und Motorsportanwendungen

Das Entwerfen und Testen von aerodynamischen Fahrzeugteilen ist eine große Herausforderung für Motorsportingenieure weltweit. Und obwohl sich die Computersimulationen in den letzten Jahren kontinuierlich weiterentwickelt haben, findet die Designvalidierung immer noch im Windkanal statt. Die praktische Erfahrung ist unübertroffen darin, Simulationsdaten zu verifizieren und wertvolle aerodynamische Informationen für das Endziel, den Sieg im Rennen, zu sammeln. Durch die maßgebliche Verkürzung der Zeit von der Idee bis zum repräsentativen Prototypenteil durch die Nutzung von 3D-Drucktechnologien, können Sie die im Windkanal zur Verfügung stehende Zeit optimal nutzen.
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Geschäftsführer Tobias Röcker

Was ist ein Windkanalversuch?

Windkanalversuche sind ein wichtiges Werkzeug für Motorsportteams, um Simulationen und Berechnungen zu validieren und Entwürfe zu verbessern. Bei Windkanalversuchen werden Modelle in einen Kanal gestellt, welcher mit Luft durchströmt wird, wodurch Motorsportingenieure und -teams aerodynamische Kräfte wie Auftrieb und Widerstand quantifizieren können. Windkanäle gibt es bereits seit der Mitte des 17. Jahrhunderts, als Erfinder versuchten, die Luftbewegung über Oberflächen zu untersuchen. Dies führte schließlich 1871 zum ersten Windkanalentwurf des britischen Ingenieurs Frank Wenham.

Welche Faktoren werden bei Windkanalversuchen berücksichtigt?

A. Größe des Objekts und Strömungsbedingungen

Bei Windkanalversuchen richtet sich Art und Größe des Windkanals nach der Größe des Versuchsobjekts und den erforderlichen Strömungsbedingungen. Einige nennenswerte Windkanäle für den Motorsport sind:

Der Windkanal von Sauber Engineering in Hinwil, Schweiz

Sauber Engineering, Teil des Alfa Romeo F1 Team Stake, verfügt über eine eigene Windkanalanlage in der Nähe von Zürich. Diese aus Stahl gebaute Anlage verfügt über einen 140 Meter langen geschlossenen Kreislauf mit einer 3000-Kilowatt-Turbine, die bis zu fünf Tonnen Schubkraft erzeugt. Der Windkanal nutzt Modellautos, um die aerodynamischen Bedingungen unter Rennbedingungen zu simulieren, was detaillierte Tests und die Optimierung von Aerodynamik-Setups ermöglicht.

Rail Tec Arsenal Vehicle Testing Station in Wien, Österreich

Diese Einrichtung bietet verschiedene Windkanäle wie den Großen Klimawindkanal (Large Climatic Wind Tunnel, CWT), den Vereisungswindkanal (Icing Wind Tunnel, IWT) und den Kleinen Klimawindkanal (Small Climatic Wind Tunnel, CWT) für aerodynamische Tests

Mercedes-Benz Aeroakustik-Windkanal in Sindelfingen

Der Aeroakustik-Windkanal im Entwicklungszentrum Sindelfingen zählt zu den leistungsfähigsten Anlagen der Welt. Die Luft kann auf bis zu 265 km/h beschleunigt werden.

B. Kategorien der Geschwindigkeitsbereiche

Für Motorsportanwendungen kommen nur Unterschallwindkanäle in Frage, während in der Luft- und Raumfahrt in der Regel Trans- und Überschallwindkanäle verwendet werden.

Unterschall

In Unterschallwindkanälen (M < 0,8) (<987,84 km/h) können Kompressibilitätseffekte vernachlässigt werden, da der Luftstrom unterhalb der Schallgeschwindigkeit liegt. Um hohe Geschwindigkeiten zu erreichen, ist die Querschnittsfläche der Teststrecke in der Regel sehr klein.

Transsonisch

Transsonische Windkanäle (0,8 < M < 1,2) arbeiten mit Geschwindigkeiten, die sich der Schallgeschwindigkeit nähern oder ihr entsprechen. Die Prüfung bei transsonischen Geschwindigkeiten ist wegen der Reflexion der Stoßwellen an den Tunnelwänden schwierig.

Überschall

Überschallwindkanäle (1,2 < M < 5,0) arbeiten mit Luftströmungen, die die Schallgeschwindigkeit überschreiten, was zu starken Kompressibilitätseffekten führt. In diesen Kanälen werden häufig Düsen eingesetzt, um die Strömung zu verengen und dann zu zerstreuen, damit in der Teststrecke Überschallgeschwindigkeiten erreicht werden.

C. Instrumente zur Messung der aerodynamischen Kräfte

Kraftwaagen

Hierbei handelt es sich um spezielle Geräte, mit denen die auf Modelle wirkenden Auftriebs- und Widerstandskräfte gemessen werden können. Die Kraftwaage erzeugt Signale, die mit den Kräften und Momenten des Modells verknüpft sind und für die aerodynamische Analyse entscheidend sind.

Diagnoseinstrumente

Beispiele hierfür sind statische Druckaufnehmer, Sondenrechen, Laser-Doppler-Velocimetrie und Hitzedraht-Geschwindigkeitssonden. Diese Geräte liefern Daten über die das Modell umgebenden Luftströmungen und helfen den Motorsportteams dabei nachzuvollziehen, wie sich die Luft um ihr Modell herum verhält.

Geräte zur Strömungsvisualisierung

Zu den üblichen Hilfsmitteln gehören Rauchgeneratoren, die Rauch in den Windkanal einleiten, um das Verhalten der Luftströmung visuell darzustellen. Zusätzlich können Büschel und kleine Fäden an der Oberfläche des Modells befestigt werden, um die Richtung und Bewegung der Luftströmung anzuzeigen. Außerdem kann Flow-Vis-Farbe, eine Mischung aus Farbpigmenten und Öl, die auf Oberflächen aufgetragen wird und die Strömungsmuster bei der Bewegung des Fahrzeugs hervorhebt, eingesetzt werden. Schlieren-Bildgebungssysteme wiederum können Schockwellen in kompressiblen Strömungen sichtbar machen und Einblicke in die Form und Position der Schockwellen geben. Abschließend sind noch Laserfolien zu erwähnen, welche verwendet werden, um Partikel oder Rauch im Luftstrom zu beleuchten und so die Klarheit und Genauigkeit der Visualisierung von Luftströmungsmustern bei Windkanaltests zu verbessern. 

Was sind die Vorteile des 3D-Drucks bei Windkanalanwendungen?

Zeitersparnis

Mit der unabdingbaren Effektivität des Windkanals gehen oft auch eine hohe Nachfrage und kurze Nutzungszeitfenster dieser Systeme einher. Durch die wesentlich verkürzte Zeitspanne zwischen Konzept und Produkt, die nur der 3D-Druck ermöglicht, sind schnelle Designiterationen möglich, um die gewünschten Ergebnisse zu erzielen. Anstatt sich über die Produktionsmethode des Bauteils Gedanken zu machen, können Sie sich voll und ganz auf das Design konzentrieren.

Geringere Investition

Die Anfangsinvestitionen für repräsentative, testbereite Modelle sind im Vergleich zur konventionellen Produktion konkurrenzlos niedrig. Das eröffnet Ihnen die finanzielle Freiheit, mehr Entwürfe ohne höhere Kosten zu testen.

Erhöhte Designkomplexität

Der wichtigste Vorteil des 3D-Drucks für aerodynamische Fahrzeugteile ist die Steigerung der möglichen Designkomplexität. Mit der Erweiterung der Form-, Hierarchie-, Material- und Funktionalitätskomplexität können Sie sich durch Gewichtsreduzierung, Funktionsintegration oder überlegene Ästhetik einen Vorsprung gegenüber der Konkurrenz sichern.

Welche verschiedenen Anwendungsmöglichkeiten gibt es für den 3D-Druck im Motorsport mit Hinblick auf Windkanaltests?

Maßgeschneiderte aerodynamische Fahrzeugteile

Teams im Motorsport nutzen den 3D-Druck, um maßgeschneiderte aerodynamische Komponenten für ihre Fahrzeuge herzustellen. Konkrete Beispiele hierfür sind Bremskanaleinlässe, die für die Optimierung des Luftstroms zur Bremsenkühlung verwendet werden, Heckflügelklappen, um den Abtrieb zu erhöhen, gewichtsreduzierte Motorkolben bei gleicher Festigkeit, Überrollbügel aus leichten Gitterkonstruktionen für die Sicherheit des Fahrers und zu guter letzt Bremspedale aus komplexen, spinnennetzartigen Strukturen zur Gewichtsreduzierung.

Werkzeuge für Windkanalmodelle

Motorsportteams können mit Hilfe des 3D-Drucks kundenspezifische Werkzeuge, Vorrichtungen und Halterungen herstellen, die auf die besonderen aeordynamischen Anforderungen und Formvorgaben abgestimmt sind. Dadurch wird die Effizienz von Windkanalversuchen erhöht. Darüber hinaus bieten 3D-gedruckte Werkzeuge eine erhöhte Flexibilität bei Designiterationen und Rapid Prototyping. Die Teams können dadurch ihre Versuchsmethoden optimieren und eine verbesserte aerodynamische Leistung im wettbewerbsorientierten Motorsport erzielen.

Ersatzteilproduktion

 Im Zusammenhang mit Windkanalversuchen wird der 3D-Druck zur schnellen und kostengünstigen Herstellung von Ersatzteilen für Windkanalmodelle eingesetzt. Der 3D-Druck sorgt dafür, dass Motorsportteams ihre Testausrüstung effektiv warten und Ausfallzeiten während kritischer Testphasen vermeiden können.

Welche Materialien empfehlen wir für Windkanal-Tests?

Somos® PerFORM™ von Stratasys® - Gedruckt auf der Stratasys® Neo®800 / Neo®450

Somos® PerFORM™ ist ein Stereolithographiematerial von Stratasys®, das für starke, steife, hochtemperaturbeständige Verbundwerkstoffteile entwickelt wurde. Aufgrund seiner Detailauflösung und Steifigkeit ist es die optimale Wahl für repräsentative Prototypenteile für Windkanaltests.

Die mit Somos PerFORM™ hergestellten Teile haben die niedrigste Viskosität aller Verbundwerkstoff-Stereolithographiematerialien, wodurch sie sich schneller herstellen lassen, einfacher nachbearbeitet werden können, eine bessere Qualität der Seitenwände aufweisen und eine unübertroffene Detailauflösung bieten. Somos® PerFORM™ ist ein keramisches Material mit extrem hoher Wärmetoleranz und Steifigkeit.

Die Stratasys® Neo®800 und Neo®450 wurden mit Blick auf den Verbraucher für zuverlässigen SLA-3D-Druck nach dem Goldstandard entwickelt. Die Kombination aus Somos® PerFORM™ und der Neo®-Serie ermöglicht die Herstellung von maßgenauen Teilen mit außergewöhnlichen Seitenwänden und einer scharfen Auflösung der Merkmale, was zu einer 50 %-igen Reduzierung der Nachbearbeitungszeit führt.

Stratasys®

Neo®800

BAUGRÖSSE 800 x 800 x 600 mm
BAUVOLUMEN 384.000 cm³
Stratasys®

Neo®450s

BAUGRÖSSE 450 x 450 x 400 mm
BAUVOLUMEN 81.000 cm³
Resin

Stratasys® Somos® PerFORM

Lucio Manfra Teamleiter Resin-Druck

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ST-130 von Stratasys® - Gedruckt auf dem Stratasys® Fortus® 450mc

Stratasys® ST-130 Filament ist ein lösliches 3D-Druckmaterial, das hauptsächlich zur Herstellung von Verbundwerkstoffelementen wie Rohren, Krümmern und Kanälen unter Verwendung von Opfermaterial verwendet wird. ST-130 wird im Motorsportsektor und bei Windkanaltests als lösliche Kerne/Opferformen für Verbundwerkstoffwerkzeuge verwendet. Das Verfahren umfasst das Bedrucken einer Form mit ST-130, das Umwickeln mit dem Verbundwerkstoff, das Aushärten und das anschließende Eintauchen des Teils und der Form in ein Lösungsbad. Dadurch wird das ST-130-Opfermaterial aufgelöst, und es bleibt nur noch das hohle Verbundstoffteil übrig.

ST-130 ist autoklavierbar und wird häufig mit einem dreieckigen Füllmuster verwendet, um ein schnelles Auflösen zu ermöglichen, die Druckgeschwindigkeit zu erhöhen und Material zu sparen. Es ist besonders nützlich für die Herstellung anspruchsvoller hohler Verbundwerkstoffformen, für die normalerweise mehrteilige Zweischalenformen erforderlich wären, was zu Nähten im fertigen Produkt führen würde. ST-130 ermöglicht die Herstellung von nahtlosen, einteiligen Produkten in einem einzigen Fertigungsprozess.

Der Fortus® 450mc bietet eine präzise, zuverlässige Leistung, die es Ihnen ermöglicht, Lieferketten zu revolutionieren, die Fertigung zu beschleunigen und Produktionskosten zu sparen. Die bewährte Zuverlässigkeit und die Fähigkeit, den ST-130 zu nutzen, machen ihn zu einer vertrauenswürdigen 3D-Drucklösung für Hersteller unter anderem im Bereich des Motorsports.

Stratasys®

Fortus® 450mc

BAUGRÖSSE 406 x 355 x 406 mm
BAUVOLUMEN 58.500 cm³
Filament

Stratasys® ST-130

Dennis Justus Teamleiter Filament-Druck

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FDM Nylon 12CF (Carbon Fiber) from Stratasys® - Printed on the Stratasys® Fortus® 450mc

FDM Nylon 12CF (Carbon Fiber) von Stratasys® ist ein starkes thermoplastisches Filament, das mit zerkleinerten Kohlenstofffasern verstärkt ist und sich unter anderem für den Einsatz im Motorsport und in Windkanaltests eignet. Im Motorsport zeichnet sich dieses Material durch die Herstellung von leichten und dennoch haltbaren Komponenten wie Vorrichtungen und Produktionsteilen aus, die sich durch eine bemerkenswerte Steifigkeit und ein hervorragendes Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht auszeichnen, sodass sie Metallteile effizient ersetzen können.

Bei Windkanaltests ist FDM Nylon 12CF wichtig für die Herstellung exakter Modelle, die die aerodynamischen Bedingungen effektiv simulieren. Diese Modelle sind für die Prüfung und Verbesserung der aerodynamischen Konstruktion von Motorrädern von entscheidender Bedeutung. Mit seiner hohen Festigkeit, Steifigkeit und seinem geringen Gewicht ist FDM Nylon 12CF ein hervorragendes Material für die Herstellung stabiler Werkzeuge, funktionaler Prototypen und ausgewählter Endverbrauchsteile für Windkanaltestanwendungen.

Der Fortus® 450mc bietet eine präzise, zuverlässige Leistung, die es Ihnen ermöglicht, Lieferketten zu revolutionieren, die Fertigung zu beschleunigen und Produktionskosten zu sparen. Seine bewährte Zuverlässigkeit und die Fähigkeit, das FDM Nylon 12CF (Carbon Fiber) von Stratasys® zu verwenden, machen ihn zu einer zuverlässigen 3D-Drucklösung für Hersteller unter anderem im Motorsportsektor.

Stratasys®

Fortus® 450mc

BAUGRÖSSE 406 x 355 x 406 mm
BAUVOLUMEN 58.500 cm³
Filament

Stratasys® FDM Nylon 12CF (Carbon Fiber)

Dennis Justus Teamleiter Filament-Druck

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Somos® WaterShed® Black von Stratasys® - Gedruckt auf der Stratasys® Neo®800

Somos® WaterShed® Black, ein hochmodernes Stereolithographie-Material von Stratasys®, wurde aufgrund seiner hervorragenden Eigenschaften speziell für Anwendungen wie Windkanalmodelle entwickelt. Dieses Material verfügt über eine einzigartige Mischung aus Steifigkeit, Dimensionsstabilität und hoher Detailauflösung, was es zu einer ausgezeichneten Wahl für die Herstellung präziser und langlebiger Windkanalmodelle macht. Die außergewöhnliche Feuchtigkeitsbeständigkeit von Somos® WaterShed® Black gewährleistet, dass diese Modelle den strengen Bedingungen der Windkanaltests standhalten und genaue aerodynamische Leistungsdaten liefern.

Bei der Herstellung von Windkanalmodellen beschleunigt Somos® WaterShed® Black auf dem 3D-Drucker Stratasys® Neo®800 den Produktionsprozess um bis zu 50 % gegenüber herkömmlichen schwarzen SL-Resinen. Diese Effizienz spart nicht nur Zeit, sondern verbessert auch die Qualität der Modelle. Darüber hinaus vermeidet das Material mit seiner unverfälschten schwarzen Farbe die Notwendigkeit von Nachbearbeitungsmaßnahmen wie z. B. Lackieren, was zu einem professionellen Finish führt, das Zeit und Geld spart.

Der Stratasys® Neo®800 ist die ideale Lösung für die Herstellung kleiner und großer Modelle. Die Verwendung einer solchen Maschine für den Druck der Somos® WaterShed® Black von Stratasys® ermöglicht Ihnen die schnelle Herstellung großformatiger SD- und HD-Windkanalmodelle mit feiner Auflösung und komplizierten, kleinen Details.

Stratasys®

Neo®800

BAUGRÖSSE 800 x 800 x 600 mm
BAUVOLUMEN 384.000 cm³
Resin

Stratasys® Somos® WaterShed Black

Lucio Manfra Teamleiter Resin-Druck

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xCERAMIC3280 von Nexa3D®, auch bekannt als Ultracur3D® RG 3280 von BASF - Gedruckt auf dem Nexa3D® XiP Pro

xCERAMIC3280 (Ultracur3D® RG 3280), ein keramisch gefülltes Resin von BASF Forward AM, hat herausragende Eigenschaften, die es ideal für die Herstellung von Produktionsteilen für den Motorsport und für Windkanalversuchen machen. Mit einer Steifigkeit von etwa 10 GPa und einer Wärmeformbeständigkeit von mehr als 280 °C bietet dieses Material eine außergewöhnliche mechanische Leistung, die für anspruchsvolle Anwendungen wie den Motorsport entscheidend ist.

Seine hohe Steifigkeit gewährleistet die strukturelle Integrität und Beständigkeit von Komponenten, die rauen Bedingungen ausgesetzt sind, und macht es zu einem ausgezeichneten Material für die Herstellung von aerodynamischen Komponenten, Motorkomponenten und Strukturelementen im Motorsport. Die Fähigkeit des Materials, auch bei hohen Temperaturen stabil zu bleiben, sowie der schnelle und einfache Druckprozess machen es ideal für die Erstellung von aufwendigen Windkanalmodellen für aerodynamische Untersuchungen.

Der XiP Pro von Nexa3D® ist ein ultraschneller Resin-3D-Drucker, der speziell für das xCERAMIC3280 entwickelt wurde. Die einzigartige LSPc®-Technologie von Nexa3D® ermöglicht die schnelle Herstellung von hochtemperaturbeständigen Bauteilen mit hoher Auflösung innerhalb weniger Stunden.

Nexa3D®

XiP Pro

BAUGRÖSSE 292 x 163 x 410 mm
BAUVOLUMEN 19.500 cm³
Resin

Nexa3D® xCERAMIC3280

Resin

Ultracur3D® RG 3280

Lucio Manfra Teamleiter Resin-Druck

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PA11 CF von Nexa3D® - Gedruckt auf dem Nexa3D® QLS 260

PA11 CF (Carbon Fiber) ist ein aus biologischen Bestandteilen (Rizinusöl) hergestelltes Material, das sich durch hervorragende Robustheit, Dehnbarkeit und Schlagfestigkeit auszeichnet und somit eine nachhaltige Alternative zu PA12 darstellt.

Bei Windkanaltests zeigen sich die Qualitäten von PA11 CF bei der Erstellung von anspruchsvollen und langlebigen Modellen für die aerodynamische Forschung. Die Steifigkeit des Materials in Verbindung mit seiner Fähigkeit, die strukturelle Integrität unter wechselnden Bedingungen aufrechtzuerhalten, garantiert, dass Windkanalmodelle und Produktionsteile genau und zuverlässig sind.

Mit einer unübertroffenen Zykluszeit von 21 Stunden fertigt das Nexa3D® QLS 260 mit einem einzigen 60-Watt-CO2-Laser PA11-CF-Produktionskomponenten und Windkanalmodelle mit hohen mechanischen und thermischen Eigenschaften.

Nexa3D®

QLS 260

BAUGRÖSSE 230 x 230 x 250 mm
BAUVOLUMEN 13.225 cm³
Polymer Pulver

Nexa3D® PA11 CF (sPro11CF)

Andreas Schneider Teamleiter Polymer Pulver-Druck

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Anwendungsfälle

  • Neo®800, UV800

    McLaren Racing - Mit 3D-Druck nach vorne - auf und neben der Rennstrecke

    Materialien
    • Stratasys® Somos® PerFORM Reflect
    • Stratasys® Somos® DMX-SL 100
  • Neo®800, UV800

    BAC - Herstellung von Prototypen für einen Supersportwagen

    Materialien
    • Stratasys® Somos® Watershed XC 11122
  • Neo®800, UV800

    One3D - 3D-Druck von Linsenprototypen für die Automobilindustrie

    Materialien
    • Stratasys® Somos® WaterClear Ultra 10122
  • QLS 230

    Rahal Letterman Lanigan Racing - Höhere Geschwindigkeit und Leistung mit dem QLS 230

    Materialien
    • Nexa3D® TPU (sProTPU)
  • ARGO 500

    Ducati - Additive Fertigung des Hitzeschilds für den Tank des Ducati PanigaleV4 R Superbikes

    Materialien
    • Roboze Carbon PEEK