V dalším technickém článku se zaměříme na rychlou tvorbu prototypů (rapid prototyping). Technický ředitel Williamsu Pat Symonds vysvětluje, jak tato technologie funguje a nakolik je využívaná týmy Formule 1? O jak drahý špás jde?
Mohl bys vysvětlit, co je to rychlá tvorba prototypů?Pat Symonds: Jak už to u bývá u spousty technických termínů, sousloví "rychlá tvorba prototypů" je obecné a zahrnuje několik různých technologií, které mohou vytvořit fyzický model z CAD dat pomocí procesu, který je známý jako přídavné vrstvení.
Jde o proces, kde díl doslova roste vrstvu po vrstvě, dokud není celý hotový. Každá vrstva je obecně 0,1mm silná, takže je možné dosáhnou celkem vysoké míry přesnosti. Zatímco princip výroby pomocí vrstev je pro všechny systémy stejný, liší se způsob, jak toho dosáhnout. V továrnách Formule 1 se běžně používají tři technologie: FDM, SLS a SLA.
Video: Rychlá výroba prototypů u Red Bullu (zdroj: Red Bull Racing)
Jak se tyto technologie liší?PS: Nejjednodušší a nejlevnější je FDM - formování roztaveného nánosu (z anglického Fused Deposition Moulding), kdy je pevná látka vytlačována tryskou. Tato technologie využívá vlákna z termoplastického materiálu, který je zahříván do polotekutého stavu, a potom vytlačován tryskou, která je řízena počítačem a pohybuje se ve dvou dimenzích.
Podobně jako když pekař pracuje u koláčů s polevou, tryska při svém pohybu rozmisťuje tenkou vrstvu plastu, která rychle chladne a tuhne. Jakmile načrtne obrys, základní deska s dílem se posune o něco níže a proces se opakuje, čímž vzniká 3D model. Protože proces připomíná inkoustový tisk, je tato technologie někdy nazývána 3D tiskem.
Nákres: Princip 3D tisku pomocí technologie FDM
Druhou zkratkou je SLS (z anglického Selective Laser Sintering, výběrové laserové slinování). Trochu se podobá FDM, používá však práškový plastový materiál, který je udržován ve "vaně," místo aby byl nanášen tam, kde je třeba. CO2 laser potom skenuje prašnou lázeň, přičemž ho počítač zapíná a vypíná podle toho, kde má prášek ztuhnout.
Laserové teplo zvyšuje teplotu prášku až pod bod, kdy by se už roztavil, ale dostatečně na to, aby pod ním došlo efektivně ke slinování prášku. Jakmile vrstva vytuhne, vana mírně klesne a po povrchu je rozprášená nová vrstva před tím, než laser opět proskenuje obrysy dílu.
SLS zaručuje vysokou přesnost díky velmi tenkým vrstvám při tisku (od 0,02 mm). Pomocí této metody je možné získat ty nejpevnější modely díky možnosti spékat například i kovový prášek. Lze ale použít i celkem širokou škálu dalších práškových materiálů, krom nylonu třeba sklo, keramiku, nástrojovou a nerezovou ocel, bronz, titanové slitiny, kobalt-chrom-molybdenové slitiny, speciální kompozity apod.
Nejzajímavější metodou je DMLS (Direct Metal Laser Sintering) - přímé spékání kovového prášku. Zajímavá je i 3D Laser Cladding metoda, kdy je kovový prášek kontinuálně přidáván do stopy dopadu paprsku laseru v uzavřené komoře naplněné inertním plynem. Vyrobené díly mají hustotu a mechanické vlastnosti srovnatelné s těmi, které jsou vyrobeny pomocí klasických technologií.
Nákres: Rychlá výroba prototypů pomocí technologie SLA
Poslední technologií je SLA (z anglického Stereolighography Apparatus, stereolitografický aparát). Základní rozdíl mezi touto a předchozími dvěma metodami spočívá v tom, že se v lázni používá pryskyřice citlivá na světlo.
Zvláštní polymery jsou tekuté, dokud nejsou vystaveny intenzivnímu ultrafialovému světlu. To vytváří ultrafialový laser, který znovu kreslí průřez vyráběného dílu. Když se laser dotkne pryskyřice, ta ztuhne a spojí se s vrstvou pod sebou. Po jednom průchodu základní deska opět klesne o desetinu milimetru a povrch je znovu překryt pryskyřicí.
Takto zhotovené modely mají vysokou přesnost a poměrně hladký povrch. Lze je tedy následně dále povrchově upravovat - lakovat či pokovovat. Výhodou této technologie patentované již v roce 1986 je dosažení tenkých vrstev při tisku (již od 0,05 mm), což zaručuje vysokou přesnost modelu. Výrobky jsou čiré a nejsou omezeny vnitřní ani vnější geometrií.
Vlevo maketa volantu vyrobená pomocí rychlé tvorby prototypů, vpravo model brzdového kanálku(foto: CRP Technology)
To nezní moc "rychle" ...PS: No, určitým způsobem ne. Vytvoření každé vrstvy chvíli trvá, což se liší v závislosti na tom, jak dlouho je laser zapnutý - jinými slovy, kolik materiálu při každém průchodu musí vytuhnout.
Nezapomínejte však, že se při jedné výrobě obvykle vytvoří více různých dílů, aby se materiál i stroj co nejefektivněji využil. Není nikterak neobvyklé, když výroba zabere 12 hodin, ale stále je to mnohem rychlejší než pomocí ostatních technologií.
Jaké uplatnění má rychlá tvorba prototypů v F1?PS: Největším spotřebitelem takto vyrobených dílů je aerodynamický tunel. Nemyslím si, že by týmy zvládaly podporovat své každodenní čtyřiadvacetihodinové programy, pokud by spoléhaly na standardní výrobu.
Hlavní materiály, které se používají pro modely pro aerodynamický tunel jsou Nanotool a Bluestone, což jsou oba materiály používané SLA technologií. Nanootool může být dokonce pokryt niklem pro zvýšení jeho pevnosti, je-li to zapotřebí.
Pomoci rychlé tvorby prototypů stíhají týmy dodávat díly pro své nepřetržité programy v aerodynamických tunelech (foto: CRP Technology)
Častěji se pro makety a ověřovací modely používají nylonové materiály, i když nalézají stále častější uplatnění pro obrábění kompozitových komponentů. Kovové slinování se používá pro části vozu, jako jsou horní ochranný oblouk, byť obecně vyžaduje další zpevnění, má-li být takto použit.
Během několika posledních let se pomocí rychlé tvorby prototypů vyrábí čím dál více aerodynamických dílů. Z větší části je to dáno materiálem, který se vyrábí v Itálii, nazývaný Windform. Je dostatečně tuhý pro výrobu mnoha křidélek a kanálků, které můžete pozorovat na vozech.
Jsou všechny týmy omezeny pouze na výrobu plastových dílů?PS: I když se při rychlé výrobě prototypů většinou používají plasty, k dispozici je mnoho druhů polymerů. Designér si může vybrat materiál dle svého konečného účelu stejně jako při navrhování kteréhokoliv jiného dílu.
Vývoj materiálů je velmi rychlý, ke zlepšením dochází každý rok. Nejsme tedy omezeni pouze plasty. V určitých oblastech vozu se používá laserové slinování titanu, hliník a ocel mohou být také laserem také spékány.
Je to drahé?PS: SLA stroj stojí kolem 9,3 mil. Kč a může ročně spotřebovat pryskyřici za více než 3,1 mil. Kč. Velké týmy mají spoustu těchto strojů v provozu 24 hodin denně, takže rozhodně nejsou levné. Ale FDM stroje - obzvlášť ty s nízkým rozlišením - jsou velmi dostupné.
Williams o rychlé výrobě prototypů (zdroj: Williams F1 Team)
Skutečné náklady snižuje to, že stroje vyžadují jen velmi málo programování. Jakýkoliv 3D CAD systém vytváří soubor popisující díl, a ten může stroj pro rychlou výrobu prototypů přečíst. Poté stačí pro jednotlivou výrobu nahrát akorát soubory modelu. Je to přímočaré, nejde o tak drahý proces, jako při programování CNC (Computer Numerical Control) obráběcích strojů.
Kimi Antonelli získal v Austinu pole position a může už v neděli slavit titul mistra světa Formule 1. K tomu potřebuje vyhrát Velkou cenu USA a George Russell nesmí skončit lépe než devátý. Max Verstappen odstartuje druhý, Isack Hadjar třetí.
Lewis Hamilton ovládl závěrečný trénink na Velkou cenu USA a zajistil Ferrari první místo ve všech třech přípravných jízdách. Druhý skončil Max Verstappen před Charlesem Leclercem. Isack Hadjar se navíc dostal do hledáčku sportovních komisařů kvůli incidentu s Alexem Albonem.
Kimi Antonelli upozornil na příčiny častého porušování traťových limitů v Austinu. Podle jezdce Mercedesu problém zhoršují široké asfaltové plochy, přilnavé výjezdy i náročný profil okruhu.
Charles Leclerc ovládl oba páteční tréninky na Velkou cenu USA. Ve druhém ho od Kimiho Antonelliho dělilo pouhých 0,042 sekundy, třetí skončil Max Verstappen. George Russell se po incidentu s Leclercem vyhnul penalizaci, týmy však řešily výrazné opotřebení pneumatik.
Charles Leclerc ovládl první trénink na Velkou cenu USA a zajistil Ferrari slibný vstup do závodního víkendu. Max Verstappen zaostal o pouhých 84 tisícin sekundy, třetí skončil Lando Norris. Kimi Antonelli obsadil páté místo.
Max Verstappen se po náročném začátku sezony vrátil do boje o vítězství a podle Jolyona Palmera budí u soupeřů respekt. Red Bull prošel výrazným výkonnostním obratem a před závěrečnými šesti závody může ještě zamíchat pořadím šampionátu.
Velká cena USA nabídne kromě soubojů na trati také přehlídku speciálních designů. Pět týmů Formule 1, konkrétně Haas, Cadillac, Mercedes, Aston Martin a Ferrari, připravilo pro závod v Austinu upravené lakování svých monopostů.
Prezident FIA Mohammed Ben Sulayem očekává, že se během několika měsíců podaří dohodnout základní podobu pravidel pro návrat osmiválcových motorů. Přestože se hovoří o roce 2030, definitivní termín zatím potvrzen nebyl. Klíčové bude také snížení nákladů.
McLaren přiveze na Velkou cenu USA menší vylepšení monopostu MCL40. Zaměří se především na brzdy a úpravy podlahy. Technický ředitel Rob Marshall věří, že Austinu bude vůz vyhovovat více a tým se po slabších výsledcích znovu přiblíží špičce.
Navzdory napjaté situaci na Blízkém východě pokračují přípravy na Velkou cenu Kataru podle plánu. FIA zatím počítá se závodem 29. listopadu, v případě zhoršení bezpečnostních podmínek by však mohla přijít na řadu náhradní varianta v podobě italské Imoly.
Lance Stroll věří, že Aston Martin dokáže před sezonou 2027 výrazně zlepšit svůj monopost. Největší obavy má ale z pohonné jednotky Honda, jejíž vývoj zatím zaostává za očekáváním. Ani letošní modernizace nepřinesly výrazný pokrok.
Mercedes představí při Velké ceně USA speciální zbarvení monopostů. Tradiční stříbrné plochy nahradí modrá barva v rámci spolupráce s programem MANUFAKTUR. Stáj z Brackley přitom upravila vzhled svých vozů už před dvěma závodními víkendy, tehdy na počest partnera Petronas.