Het Franse luxemerk breidt zijn technologische leiderschap uit met de ontwikkeling van zeer nauwkeurige 3D-geprinte onderdelen die worden gebruikt om de Bugatti Bolide te maken.
Stel je ultralichte onderdelen voor die net zo sterk zijn als een kolom van gewapend beton. Dat is nu mogelijk, dankzij technologie van innovatieve Bugatti-ingenieurs. De nieuw ontwikkelde 3D-geprinte pushrod – een koppelstang onder druk in het chassis – weegt slechts 100 gram en kan krachten tot 3,5 ton overbrengen. De holle titanium structuur met interne ondersteunende boog zorgt voor ongelooflijke sterkte en is een andere technische doorbraak die de expertise van Bugatti laat zien.
Dit nieuwe project wordt geleid door Henrik Hoppe, een promovendus op de afdeling Nieuwe Technologieën bij Bugatti, die sinds 2017 bezig is met de ontwikkeling van innovatieve metalen materialen en productieprocessen. Hij schreef zijn masterscriptie over een berekeningsmethode voor een 3D-geprinte titanium remklauw, die 43 procent lichter is dan het al zeer gewichtsgeoptimaliseerde productieonderdeel van de Chiron, en net zo stijf. “Door het proces dat bekend staat als selectieve lasersmelting, beter bekend als 3D-printen, kunnen nieuwe, holle, ultracomplexe componenten worden geproduceerd die van binnenuit verstijfd zijn en die zeer licht en toch extreem stijf en sterk zijn. We gebruiken deze voordelen voor een toenemend aantal onderdelen in onze hyper sportwagens,” legt Hoppe uit.
In zijn proefschrift gaat de industrieel ingenieur nog een stap verder. Hoppe pioniert met een nieuw systeem, vanwege de kosten- en tijdsintensiviteit van de volledige cyclus van het fabricageproces, van concept tot levering. Hoppe gebruikt dit systeem om het commerciële en technologische potentieel van functionele 3D-geprinte metalen onderdelen voor de autofabricage te identificeren en kan dit potentieel vergroten door het toe te passen op specifieke onderdelen. Voorheen werden dit soort componenten voornamelijk gebruikt in de lucht- en ruimtevaartsector.
3D-geprinte onderdelen met een complexe, botachtige structuur
Bugatti maakt routinematig gebruik van deze innovatieve 3D-printtechnologie om onderdelen met complexe driedimensionale structuren te verbeteren. De Franse luxefabrikant past principes uit de bionica toe om de geprinte onderdelen een botachtige structuur te geven: met dunne wanden, een holle binnenkant en fijne vertakkingen. En dit is precies hoe de onderdelen hun opmerkelijke stijfheid krijgen ondanks hun lage gewicht – met wanddiktes tot slechts 0,4 millimeter. “We blijven het gewicht van onze auto’s verlagen en tegelijkertijd hun innovatieve eigenschappen op elk denkbaar gebied vergroten,” legt Henrik Hoppe uit. Vanaf het ontwerp via de productie tot aan de installatie in het voertuig ontwerpt en plant de ingenieur de afzonderlijke stappen en voert hij alle berekeningen uit. Dit omvat ook de evaluatie van de commerciële haalbaarheid voor de productie van de componenten. “Hoewel Bugatti de hoogste kwaliteitseisen stelt aan materialen, productieprocessen en componenten, moeten ze commercieel haalbaar zijn”, voegt hij eraan toe.
Bugatti neemt het voortouw in 3D printen
Bugatti is technologisch koploper op het gebied van 3D-printen van metaal. Sinds het begin van de productie van de Chiron is de hypersportwagen uitgerust met het eerste in serie geproduceerde functionele metalen 3D-geprinte onderdeel: een kleine, watervoerende hogedrukpompconsole naast het reservoir voor de transmissievloeistof. In 2018 werd ‘s werelds grootste 3D-geprinte titanium onderdeel, een titanium remklauw, gepresenteerd door Bugatti. Dit werd gevolgd door ‘s werelds grootste hybride functionele assemblage van 3D-geprint titanium en opgerolde koolstof. “Deze onderdelen zijn extreem licht, robuust en duurzaam, en daarom absoluut geschikt voor gebruik in productieauto’s,” zegt Frank Götzke, Hoofd Nieuwe Technologieën bij Bugatti.
De nieuwe materialen en fabricageprocessen worden nu gebruikt in de technologiedrager Bugatti Bolide, die eind oktober 2020 zijn wereldpremière vierde. “Als experimenteel voertuig in de vorm van een raceauto is de Bolide geen showauto; het is een compromisloos wegklaar aftreksel van Bugatti’s complete technologische expertise. Bugatti-liefhebbers zullen deze geavanceerde technologieën in de toekomst ook in andere voertuigen aantreffen,” zegt Frank Götzke.
Net als de turbofans die meestal in de autosport worden gebruikt, heeft Bugatti een manier gevonden om radiale compressoren op ultralichtgewicht magnesium gesmede wielen te plaatsen. Ze zien eruit als een velg, maar ze vervullen meerdere functies: ze pompen de lucht uit de wielkasten via de remmen en zuigen de warme lucht naar buiten. Op deze manier koelen de turbofans de remmen en minimaliseren ze de opwaartse druk. In tegenstelling tot de bekende monomateriaal oplossingen, hebben de Bolide componenten een hybride structuur. Deze bestaat uit een centrale kom van 3D-geprint titanium met een dikte van 0,48 millimeter en een 0,7 millimeter dikke koolstofplaat met kleine binnenste bladen, ook van koolstof. Dwarsstukken met een breedte van 0,48 millimeter verhogen de stijfheid van de centrale titanium kom, die slechts 100 gram weegt. Dit alles zorgt voor een totaalgewicht van minder dan 400 gram voor een individuele 18-inch turbofan op de achterwielen (17-inch aan de voorkant). Dit zou niet mogelijk zijn met een monomateriaaloplossing omdat het dan niet mogelijk is om de specifieke knikweerstand en buigstijfheid te bereiken.
325 gram voor 1,8 ton
Zeer complexe onderdelen uit de 3D-printer worden ook op verborgen plaatsen gebruikt. Een montagebeugel voor de voorvleugel, waarop de voorvleugel op drie verschillende hoogtes kan worden gemonteerd, is door Bugatti geprint in titanium. Met een holle binnenkant en een wanddikte van 0,7 millimeter is de montagebeugel bestand tegen een aerodynamische downforce tot 800 kilogram – met een gewicht van slechts 600 gram. De downforce van de achtervleugel, die tot 1,8 ton kan bereiken bij 320 km/u, wordt via de centrale koolstof vin van de Bolide in de bovenste structurele matrix gebracht, die het bovenste uiteinde vormt van het roestvrijstalen achterframe. Binnen deze centrale vin bevindt zich een gelamineerd en geprint titanium onderdeel om de vin met de vleugel te verbinden, waarvan de hoek kan worden aangepast door middel van een koppelstang. Ondanks zijn stijfheid weegt hij slechts 325 gram. De ingenieurs gebruiken ook titanium voor het printen van de beugel voor de bevestiging van de stuurkolom, die is voorzien van een geïntegreerde dashboardsteun, de steunkraag voor de doorvoer van de stuurkolom en de twee ventilatieopeningen in het interieur van de auto. Alle onderdelen zijn ontworpen als lichtgewicht holle structuren, met een uniforme wanddikte van 0,5 millimeter.
De Bolide heeft wielbesturing gebaseerd op double wishbone kinematica op zowel de voor- als achteras. Op de achteras hebben de verende demperelementen een verticale configuratie, terwijl ze op de vooras horizontaal en haaks op de rijrichting zijn geplaatst. De veren zijn gemaakt van titanium en de dempers hebben een verstelmechanisme en een reservoir, dat intern is geïntegreerd in de dempers van de vooras. Bij de horizontale veerdemperelementen op de vooras worden de verticale contactkrachten overgebracht door middel van een stangenstelsel dat zich direct naast de zwenklagers op de onderdraagarmen bevindt, via stoterstangen en tuimelaars. De beugels die de tuimelaars aansturen hebben een wanddikte van slechts 0,4 millimeter en wegen slechts 95 gram per stuk. De tuimelaars wegen net geen 195 gram per stuk. Omdat de lucht volledig door de vooras van de Bolide stroomt, zijn de kinematische onderdelen – zowel de 3D-geprinte titanium onderdelen als de zeer sterke roestvrijstalen draagarmen – extreem licht, stijf en aerodynamisch geoptimaliseerd. De treksterkte van deze en alle andere 3D-geprinte elementen is 1.250 N/mm2. “Met behulp van een speciaal warmtebehandelingsproces dat we zelf hebben ontwikkeld, bereiken we deze hoge treksterkte met een tegelijkertijd hoge breukrek van ten minste 19 procent,” legt Götzke uit.
Duwstang weegt slechts 100 gram
De ontwikkelaars zijn vooral trots op de stoterstangen in de Bolide. “Ze brengen een kracht over op de tuimelaars die, afhankelijk van de rijmanoeuvre, overeenkomt met een gewicht tot 3,5 ton. Dankzij de toepassing van meerdere ideeën wegen ze echter maar net zoveel als een reep chocolade, met andere woorden 100 gram per stuk,” legt Henrik Hoppe uit. Voor het eerst varieerden de Bugatti-ontwikkelaars de wanddikte van de dunwandige, holle stangen. Ze worden dikker naar het midden toe en dan weer dunner, wat betekent dat ze optimaal zijn aangepast aan gelokaliseerde spanning. Net als een menselijk bot heeft het onderdeel een interne structuur. Deze speciale structuur is onlangs ook als patent geregistreerd.
In de uitlaatpijpsierstuk, een hybride onderdeel van 3D-geprint titanium en keramiek, heeft Bugatti het gewicht met ongeveer de helft verminderd ten opzichte van de reeds gewichtsgeoptimaliseerde titanium uitlaatpijpsierstukjes die bekend zijn uit de serieproductie. Het onderdeel, dat meer dan 280 millimeter lang is en een consistente wanddikte van slechts 0,5 millimeter heeft, weegt daarom minder dan 750 gram. Omdat keramisch materiaal een beduidend minder effectieve warmtegeleider is dan titanium, introduceerde Bugatti speciale keramische elementen die in de titanium behuizing zijn ingebouwd en de afdekking centreren ten opzichte van de koolstof buitenhuid, zodat de buitenhuid zelfs bij hoge uitlaatgastemperaturen niet wordt beschadigd. Dit thermische schild wordt ook ondersteund door een ingebouwd Venturi-mondstuk: wanneer heet uitlaatgas de bekleding van de uitlaatpijp binnenkomt, wordt frisse lucht aangezogen, waardoor een jas van koele lucht rond de hete uitlaatgasstroom wordt gevormd. In zijn geheel is dit een uitvinding waarvoor Bugatti een patentaanvraag heeft ingediend.
Lichtgewicht componenten in de Bolide
Met de lancering van de Bolide – de hyper sportwagen voor op het circuit – enkele maanden geleden, presenteerde Bugatti een buitengewoon technologisch concept. De iconische 8,0-liter W16-motor, met maximaal 1.850 pk, drijft een auto aan die slechts 1.240 kilogram weegt. Dit staat gelijk aan een ongelofelijke gewicht/vermogen-verhouding van 0,67 kg/PS, een topsnelheid van meer dan 500 km/u, perfecte handling en maximale wendbaarheid. “Het zijn de vele technologische hoogstandjes van de Bolide die hem zo bijzonder maken. Maar deze kunnen ook worden overgebracht naar productievoertuigen. Dit is waar we aan blijven werken en ontwikkelen, want Bugatti onderscheidt zich al meer dan 110 jaar met indrukwekkende innovaties – en zal dat ook in de toekomst blijven doen,” zegt Frank Götzke.
