3D打印在F1賽車中扮演什么角色？

南極熊導(dǎo)讀：一級(jí)方程式賽車對(duì)性能和速度有著極端的要求，不僅駕駛員技能重要，汽車技術(shù)優(yōu)化同樣關(guān)鍵。3D打印技術(shù)自21世紀(jì)初引入以來(lái)，已成為賽車領(lǐng)域革命性的進(jìn)步，使得生產(chǎn)輕質(zhì)、高性能部件成為現(xiàn)實(shí)，并符合FIA的嚴(yán)格規(guī)定。

隨著技術(shù)的發(fā)展，F(xiàn)1車隊(duì)廣泛應(yīng)用3D打印來(lái)制造復(fù)雜部件，并與3D打印企業(yè)合作。本文將探討3D打印在F1中的具體優(yōu)勢(shì)與挑戰(zhàn)，以及它在這一高要求領(lǐng)域所預(yù)示的未來(lái)。準(zhǔn)備好了嗎？讓我們一起深入了解一下。

△邁凱輪使用3D打印技術(shù)制造單座一級(jí)方程式車隊(duì)之一

頂級(jí)賽車隊(duì)轉(zhuǎn)向3D打印

紅牛車隊(duì)，自2022年連續(xù)獲得車隊(duì)冠軍，與Hexagon Manufacturing Intelligence合作長(zhǎng)達(dá)18年。這種長(zhǎng)期合作使紅牛能夠測(cè)試和采納創(chuàng)新技術(shù)，確保賽車的安全性和可靠性，并在賽道上將時(shí)間縮短至幾分之一秒。特別是，紅牛車隊(duì)利用數(shù)字孿生和模擬技術(shù)，在制造物理原型之前進(jìn)行賽車的虛擬設(shè)計(jì)和測(cè)試。

△紅牛車隊(duì)使用數(shù)字孿生和模擬技術(shù)

邁凱倫F1車隊(duì)則使用20臺(tái)Stratasys 3D打印機(jī)每年生產(chǎn)超過(guò)9000個(gè)零件，這得益于3D打印技術(shù)在原型制作方面的應(yīng)用。此外，紅牛與ROBOZE合作，共同對(duì)一級(jí)方程式賽車中關(guān)鍵部件的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)流程進(jìn)行了重新評(píng)估和改進(jìn)。

Alpine車隊(duì)在過(guò)去的20多年里一直得到3D Systems的支持，擁有眾多SLA和LPBF機(jī)器。Alpine的ADM經(jīng)理Pat Warner表示：“3D Systems是我們所有內(nèi)部設(shè)備和材料的主要合作伙伴，并且我們會(huì)根據(jù)需要將這些設(shè)備和材料外包給其它公司。”

因此，3D打印技術(shù)在F1中的應(yīng)用正變得越來(lái)越廣泛。Pat Warner指出，前雷諾F1車隊(duì)早在1998年就購(gòu)置了首臺(tái)3D打印機(jī)。然而，3D打印的重要性真正得到凸顯是在2010年代。

△采用FDM技術(shù)3D打印的MCL32單座賽車液壓管道支架

F1賽車采用了哪些具體應(yīng)用的3D打印技術(shù)

在一級(jí)方程式賽車領(lǐng)域，3D打印技術(shù)以快速成型的能力脫穎而出，為車隊(duì)帶來(lái)了顯著優(yōu)勢(shì)。這項(xiàng)技術(shù)能夠加速設(shè)計(jì)、制造和測(cè)試新部件的過(guò)程，從而縮短創(chuàng)新開(kāi)發(fā)周期。3D打印不僅限于制作原型，它也被用于生產(chǎn)直接集成到賽車中的功能部件。

在技術(shù)應(yīng)用方面，熔融沉積建模（FDM）技術(shù)在一級(jí)方程式賽車的快速原型制作和樣品生產(chǎn)中得到了廣泛應(yīng)用。特別是尼龍等聚合物材料，因機(jī)械性能而被頻繁選用。同時(shí)，高性能熱塑性塑料如PEKK和PEEK也十分受歡迎，它們的高耐熱性在極端溫度條件下尤為重要，在超過(guò)1000攝氏度的環(huán)境中工作的單座賽車部件尤其需要這種材料。

邁凱倫車隊(duì)在2014年為賽車引入了首個(gè)3D打印部件：一個(gè)使用FDM技術(shù)制造的發(fā)動(dòng)機(jī)氣門蓋。隨后，車隊(duì)擴(kuò)展了3D打印的應(yīng)用，生產(chǎn)了用于將液壓管線連接到MCL32賽車的結(jié)構(gòu)支架。這個(gè)支架采用FDM技術(shù)設(shè)計(jì)，由碳纖維增強(qiáng)尼龍制成，僅需四小時(shí)即可完成打印。

當(dāng)然，F(xiàn)DM并非F1賽車中使用的唯一3D打印技術(shù)。Patrick Warner指出，立體光固化（SLA）技術(shù)廣泛應(yīng)用于制造風(fēng)洞測(cè)試的可見(jiàn)元素，車身和許多內(nèi)部結(jié)構(gòu)都是通過(guò)SLA和選擇性激光燒結(jié)（SLS）技術(shù)生產(chǎn)的。

△車隊(duì)配備3D打印車間

與FDM技術(shù)不同，SLA能夠制造出具有復(fù)雜幾何形狀和高細(xì)節(jié)水平的部件，通常能滿足特定要求。風(fēng)洞測(cè)試每周需要通過(guò)增材制造生產(chǎn)600個(gè)部件，僅由五名專業(yè)工程師組成的團(tuán)隊(duì)便能應(yīng)對(duì)這一需求。Warner補(bǔ)充說(shuō)：“傳統(tǒng)的制造方法無(wú)法滿足這一速度�！�

在F1中，使用粉末床的增材制造技術(shù)，如選擇性激光燒結(jié)（SLS）和直接金屬激光燒結(jié)（DMLS），也十分常見(jiàn)。例如，法拉利在2017年使用DMLS技術(shù)為賽車制造了空氣動(dòng)力學(xué)元件。與FDM或SLA方法相比，粉末床熔合技術(shù)生產(chǎn)的3D打印部件具有多方面優(yōu)勢(shì)，包括能生產(chǎn)更多各向同性的部件，通常無(wú)需支撐結(jié)構(gòu)，從而減少了后處理時(shí)間。常見(jiàn)的金屬部件包括排氣管、發(fā)動(dòng)機(jī)組件和懸架。

△增材制造使Alpine F1車隊(duì)能夠優(yōu)化減震器彈簧的長(zhǎng)度，同時(shí)在緊湊的空間內(nèi)集成所有必要的功能

在F1賽事中使用3D打印的優(yōu)勢(shì)

增材制造技術(shù)在一級(jí)方程式賽車中具有顯著優(yōu)勢(shì)，尤其在減輕車輛重量和加快零件生產(chǎn)速度方面。輕量化部件可以提升賽車的整體性能，而3D打印的快速響應(yīng)能力確保了在比賽中快速解決問(wèn)題。

3D打印還提供設(shè)計(jì)上的靈活性，允許制造復(fù)雜的幾何結(jié)構(gòu)，這是傳統(tǒng)制造技術(shù)難以實(shí)現(xiàn)的。它補(bǔ)充而非取代傳統(tǒng)制造方法，例如注塑成型，每種技術(shù)在特定應(yīng)用中都有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。3D打印在制造復(fù)雜部件或快速原型方面尤為有用，而傳統(tǒng)方法則適用于大批量生產(chǎn)或高性能零件。

環(huán)保型一級(jí)方程式賽車

在環(huán)保領(lǐng)域，3D打印技術(shù)的應(yīng)用與F1到2030年實(shí)現(xiàn)零排放的目標(biāo)相契合。自2026年起，F(xiàn)1將實(shí)施重大變革，提高單座賽車的可持續(xù)性標(biāo)準(zhǔn)。邁凱倫車隊(duì)與Stratasys的合作便是一個(gè)例證，它們利用回收材料作為3D打印的原料，以減少生產(chǎn)過(guò)程中的浪費(fèi)。

然而，將3D打印技術(shù)整合進(jìn)F1賽車領(lǐng)域并非沒(méi)有挑戰(zhàn)。正如Pat Warner所述：“我們受限于國(guó)際汽聯(lián)制定的授權(quán)材料清單。雖然我們可以向FIA提議增加新材料，但必須得到所有成員的共識(shí)，這限制了我們的選擇范圍�！�