Французский бренд класса люкс расширяет свое технологическое лидерство, разрабатывая высокоточные 3D-печатные компоненты, используемые для создания Bugatti Bolide.
Представьте себе сверхлегкие компоненты, которые по прочности не уступают железобетонным колоннам. Теперь это возможно благодаря технологии, разработанной инженерами-новаторами Bugatti. Недавно разработанный 3D-печатный толкатель – соединительный стержень, находящийся под давлением в области шасси – весит всего 100 грамм и может передавать усилие до 3,5 тонн. Полая титановая конструкция с внутренней опорной дугой обеспечивает невероятную прочность и является еще одним инженерным прорывом, продемонстрировавшим опыт Bugatti.
Этот новый проект возглавляет Хенрик Хоппе, докторант отдела новых технологий компании Bugatti, который с 2017 года занимается разработкой инновационных металлических материалов и производственных процессов. Он написал магистерскую диссертацию, посвященную методике расчета 3D-печати титанового тормозного суппорта, который на 43% легче, чем уже оптимизированный по весу серийный компонент Chiron, и такой же жесткий. “Благодаря процессу, известному как выборочное лазерное плавление, который обычно называют 3D-печатью, можно создавать новые, полые, сверхсложные компоненты, жесткие изнутри, очень легкие и при этом чрезвычайно жесткие и прочные. Мы используем эти преимущества для все большего числа компонентов наших гиперспортивных автомобилей”, – объясняет Хоппе.
В своей докторской диссертации инженер-технолог идет на шаг дальше. Хоппе является первопроходцем в создании новой системы, что обусловлено высокой стоимостью и временными затратами, связанными с полным циклом производственной технологической цепочки, от концепции до поставки. Хоппе использует эту систему для определения коммерческого и технологического потенциала функциональных металлических компонентов, напечатанных методом 3D-печати, для производства автомобилей, и может повысить этот потенциал с помощью прикладных технологий, нацеленных на конкретные детали. Ранее компоненты такого типа использовались преимущественно в аэрокосмическом секторе.
3D-печатные компоненты со сложной, похожей на кость структурой
Bugatti регулярно использует эту инновационную технологию 3D-печати для создания компонентов со сложной трехмерной структурой. Французский производитель предметов роскоши применяет принципы из области бионики, чтобы придать напечатанным компонентам структуру, напоминающую кость: тонкие стенки, полая внутренняя часть и мелкие разветвления. Именно так компоненты приобретают удивительную жесткость, несмотря на малый вес – толщина стенок достигает всего 0,4 миллиметра. “Мы будем продолжать снижать вес наших автомобилей, одновременно увеличивая их инновационные возможности во всех возможных областях”, – объясняет Хенрик Хоппе. Начиная с разработки концепции, производства и заканчивая установкой в автомобиль, инженер разрабатывает и планирует отдельные этапы и выполняет все расчеты. Это также включает оценку коммерческой целесообразности производства компонентов. “Хотя Bugatti требует высочайших стандартов качества в отношении материалов, производственных процессов и компонентов, они должны быть коммерчески жизнеспособными”, – добавляет он.
Bugatti занимает лидирующие позиции в области 3D-печати
Bugatti – технологический лидер в области металлической 3D-печати. С момента начала производства Chiron гиперспортивный автомобиль был оснащен первым в отрасли серийным металлическим функциональным компонентом, напечатанным методом 3D-печати: небольшой консолью насоса высокого давления для перекачки воды рядом с резервуаром трансмиссионной жидкости. В 2018 году компания Bugatti представила самый большой в мире 3D-печатный титановый компонент – титановый тормозной суппорт. За ним последовал самый большой в мире гибридный функциональный узел, изготовленный из 3D-печати титана и намотанного карбона. “Эти компоненты чрезвычайно легкие, прочные и долговечные, а потому абсолютно пригодны для использования в серийных автомобилях”, – говорит Франк Гетцке, руководитель отдела новых технологий компании Bugatti.
Новые материалы и производственные процессы теперь используются в технологическом автомобиле Bugatti Bolide, мировая премьера которого состоялась в конце октября 2020 года. “Будучи экспериментальным автомобилем в форме гоночного болида, Bolide – это не шоу-кар; это бескомпромиссно пригодный для дорог экстракт полного технологического опыта Bugatti. В будущем энтузиасты Bugatti найдут эти передовые технологии и в других автомобилях”, – говорит Франк Гетцке.
Подобно турбовентиляторам, обычно используемым в автоспорте, компания Bugatti нашла способ включить радиальные компрессоры в сверхлегкие магниевые кованые колеса. Внешне они похожи на колесный диск, но выполняют несколько функций: они выкачивают воздух из колесных дисков через тормоза и отводят теплый воздух наружу. Таким образом, турбовентиляторы охлаждают тормоза и минимизируют подъемную силу. В отличие от известных решений из мономатериалов, компоненты Bolide имеют гибридную структуру. Она состоит из центральной чаши, изготовленной методом 3D-печати из титана толщиной 0,48 мм, и карбоновой пластины толщиной 0,7 мм с маленькими внутренними лопастями, также изготовленными из карбона. Поперечные перемычки шириной 0,48 миллиметра еще больше увеличивают жесткость центральной титановой чаши, которая весит всего 100 грамм. Все это в сумме дает общий вес менее 400 грамм для отдельного 18-дюймового турбовентилятора на задних колесах (17-дюймового на передних). Это было бы невозможно при использовании мономатериалов, поскольку в этом случае не удастся достичь определенного сопротивления смятию и жесткости на изгиб.
325 грамм для размещения 1,8 тонны
Сложные компоненты 3D-принтера также используются в скрытых местах. Крепежный кронштейн для переднего крыла, на котором оно может быть установлено на трех разных высотах, напечатан Bugatti из титана. Имея полую внутреннюю часть и толщину стенок 0,7 миллиметра, кронштейн может выдерживать аэродинамическую прижимную силу до 800 килограммов – при весе всего 600 граммов. Прижимная сила заднего крыла, которая может достигать 1,8 тонны при скорости 320 км/ч, вводится через центральное карбоновое ребро Bolide в верхнюю структурную матрицу, которая образует верхнее окончание задней рамы из высокопрочной нержавеющей стали. Внутри этого центрального плавника находится ламинированный и напечатанный титановый компонент для соединения плавника с крылом, угол наклона которого можно регулировать с помощью соединительной тяги. Несмотря на свою жесткость, он весит всего 325 грамм. Инженеры также использовали титан для печати кронштейна для крепления рулевой колонки, в который встроена опора приборной панели, опорного хомута для проходного отверстия рулевой колонки и двух вентиляционных отверстий в салоне автомобиля. Все компоненты выполнены в виде легких полых конструкций с равномерной толщиной стенок в 0,5 миллиметра.
Bolide оснащен системой управления колесами на основе кинематики двойных поперечных рычагов как на передней, так и на задней оси. На задней оси пружинные элементы амортизаторов имеют вертикальную конфигурацию, в то время как на передней оси они расположены горизонтально под прямым углом к направлению движения. Пружины изготовлены из титана, а демпферы оснащены механизмом регулировки и резервуаром, который на демпферах передней оси встроен внутрь. В случае горизонтальных пружинных амортизаторов на передней оси вертикальные контактные усилия передаются через тяги, расположенные непосредственно рядом с шарнирными подшипниками на нижних поперечных рычагах, посредством толкателей и коромысел. Кронштейны, управляющие коромыслами, имеют толщину стенок всего 0,4 миллиметра и весят всего 95 грамм каждый. Рокеры весят чуть меньше 195 грамм каждый. Поскольку воздух полностью проходит через переднюю ось Bolide, его кинематические компоненты – как 3D-печатные титановые детали, так и поперечные рычаги из высокопрочной нержавеющей стали – очень легкие, жесткие и аэродинамически оптимизированные. Прочность на разрыв этих и всех других 3D-печатных элементов составляет 1 250 Н/мм2. “Используя специальный процесс термообработки, разработанный внутри компании, мы достигаем такой высокой прочности на разрыв при одновременно высокой деформации разрушения, составляющей не менее 19%”, – объясняет Гетцке.
Толкатель весит всего 100 грамм
Разработчики особенно гордятся толкателями в Bolide. “Они передают на коромысла усилие, которое, в зависимости от маневра движения, эквивалентно весу до 3,5 тонн. Тем не менее, благодаря реализации множества идей, они весят всего лишь как плитка шоколада, то есть 100 грамм каждая”, – объясняет Хенрик Хоппе. Впервые разработчики Bugatti варьировали толщину стенок тонкостенных полых стержней. Они становятся толще к центру, а затем снова становятся тоньше, что означает, что они оптимально приспособлены к локальным нагрузкам. Подобно человеческой кости, этот компонент имеет внутреннюю структуру. Эта особая структура также была недавно зарегистрирована в качестве патента.
В накладке на выхлопную трубу, гибридном компоненте из 3D-печати титана и керамики, Bugatti уменьшил вес примерно вдвое по сравнению с уже оптимизированными по весу титановыми накладками на выхлопную трубу, хорошо известными по серийному производству. Компонент, длина которого составляет более 280 миллиметров, а толщина стенок – всего 0,5 миллиметра, весит менее 750 грамм. Поскольку керамический материал является значительно менее эффективным проводником тепла, чем титан, Bugatti внедрил специальные керамические элементы, которые встроены в титановый корпус и центрируют крышку относительно карбоновой внешней кожи, так что внешняя кожа не повреждается даже при высоких температурах выхлопных газов. Этот тепловой экран также поддерживается встроенным соплом Вентури: когда горячие выхлопные газы попадают в крышку выхлопной трубы, свежий воздух втягивается внутрь, создавая таким образом рубашку из холодного воздуха вокруг потока горячих выхлопных газов. В целом, это изобретение, на которое Bugatti подала патентную заявку.
Легкие компоненты, используемые в Bolide
Выпустив несколько месяцев назад Bolide – гиперспортивный автомобиль, ориентированный на трек, – компания Bugatti представила необычную технологическую концепцию. Культовый 8,0-литровый двигатель W16 мощностью до 1 850 PS приводит в движение автомобиль весом всего 1 240 кг. Это означает невероятное соотношение веса и мощности 0,67 кг/л.с., максимальную скорость более 500 км/ч, идеальную управляемость и максимальную маневренность. “Именно множество технологических особенностей Bolide делают его таким особенным. Но их можно перенести и на серийные автомобили. Именно над этим мы продолжаем работать и развиваться, ведь Bugatti выделяется своими впечатляющими инновациями уже более 110 лет – и будет продолжать делать это в будущем”, – говорит Франк Гетцке.
