Det franska lyxmärket utökar sitt tekniska ledarskap med utvecklingen av mycket exakta 3D-utskrivna komponenter som används för att tillverka Bugatti Bolide.
Föreställ dig ultralätta komponenter som är lika starka som en armerad betongpelare. Nu är detta möjligt, tack vare teknik som leds av innovativa Bugatti-ingenjörer. Den nyutvecklade 3D-utskrivna pushrod – en tryckbelastad kopplingsstång i Chassi – väger bara 100 gram och kan överföra krafter på upp till 3,5 ton. Den ihåliga titanstrukturen med inre stödbåge ger otrolig styrka och är ytterligare ett tekniskt genombrott som demonstreras av Bugattis expertis.
Det nya projektet leds av Henrik Hoppe, doktorand på avdelningen New Technologies på Bugatti, som sedan 2017 har utvecklat innovativa metallmaterial och tillverkningsprocesser. Han skrev sin masteruppsats om en beräkningsmetod för ett 3D-printat bromsok i titan, som är 43 procent lättare än den redan mycket viktoptimerade produktionskomponenten i Chiron, och lika styv. “Genom den process som kallas selektiv lasersmältning, eller 3D-printing som det också kallas, kan man tillverka nya, ihåliga, ultrakomplexa komponenter som är förstyvade från insidan och som är mycket lätta men samtidigt extremt styva och starka. Vi utnyttjar dessa fördelar för ett ökande antal komponenter i våra hypersportbilar”, förklarar Hoppe.
I sin doktorsavhandling går industriingenjören ett steg längre. Hoppe är banbrytande med ett nytt system, på grund av den kostnads- och tidsintensivitet som är förknippad med hela cykeln i tillverkningsprocesskedjan, från idé till leverans. Hoppe använder detta system för att identifiera den kommersiella och tekniska potentialen hos funktionella 3D-printade metallkomponenter för fordonstillverkning, och kan förbättra denna potential genom att rikta in sig på specifika delar. Tidigare användes dessa typer av komponenter främst inom flyg- och rymdsektorn.
3D-utskrivna komponenter med en komplex, benliknande struktur
Bugatti använder rutinmässigt denna innovativa 3D-printingteknik för att förbättra komponenter med komplexa tredimensionella strukturer. Den franska lyxtillverkaren tillämpar principer från bionikområdet för att ge de tryckta komponenterna en benliknande struktur: med tunna väggar, en ihålig insida och fina förgreningar. Och det är just på detta sätt som komponenterna får sin anmärkningsvärda styvhet trots sin låga vikt – med väggtjocklekar på upp till bara 0,4 millimeter. “Vi kommer att fortsätta att minska vikten på våra bilar och samtidigt öka deras innovativa egenskaper på alla tänkbara områden”, förklarar Henrik Hoppe. Från idé via produktion till montering i fordonet konstruerar och planerar ingenjören de enskilda stegen och utför alla beräkningar. Detta inkluderar även utvärdering av den kommersiella genomförbarheten för produktion av komponenterna. “Även om Bugatti kräver högsta kvalitetsstandard när det gäller material, tillverkningsprocesser och komponenter, måste de vara kommersiellt gångbara”, tillägger han.
Bugatti tar täten inom 3D-printing
Bugatti är tekniskt ledande inom 3D-printing i metall. Sedan Chiron började tillverkas har hypersportbilen utrustats med branschens första serieproducerade 3D-printade funktionskomponent i metall: en liten, vattenförande högtryckspumpskonsol bredvid transmissionsvätskebehållaren. År 2018 presenterades världens största 3D-printade titankomponent, ett bromsok i titan, av Bugatti. Detta följdes av världens största hybridfunktionella enhet tillverkad av 3D-printad titan och spiralformad kolfiber. “Dessa komponenter är extremt lätta, robusta och hållbara och därför absolut lämpliga för användning i produktionsfordon”, säger Frank Götzke, Head of New Technologies på Bugatti.
De nya materialen och tillverkningsprocesserna används nu i teknikbäraren Bugatti Bolide, som firade världspremiär i slutet av oktober 2020. “Som ett experimentellt fordon i form av en racerbil är Bolide ingen show car; det är ett kompromisslöst vägfärdigt extrakt av Bugattis kompletta tekniska expertis. Bugatti-entusiaster kommer också att hitta dessa banbrytande teknologier i andra fordon i framtiden”, säger Frank Götzke.
Precis som de turbofaner som vanligtvis används inom motorsporten har Bugatti hittat ett sätt att inkludera radialkompressorer på ultralätta smidda magnesiumfälgar. De ser ut som en fälg, men har flera funktioner: De pumpar ut luften ur hjulhusen genom bromsarna och drar ut den varma luften på utsidan. På så sätt kyler turbofanerna bromsarna och minimerar lyftkraften. I motsats till de välkända monomateriallösningarna har Bolide-komponenterna en hybridstruktur. Den består av en central skål av 3D-printad titan med en tjocklek på 0,48 millimeter och en 0,7 millimeter tjock kolfiberplatta med små inre blad, även de tillverkade av kolfiber. Tvärstycken med en bredd på 0,48 millimeter ökar ytterligare styvheten i den centrala titanskålen, som bara väger 100 gram. Allt detta ger en totalvikt på under 400 gram för en enskild 18-tums turbofan på bakhjulen (17-tums fram). Detta skulle inte vara möjligt med en monomateriallösning eftersom det inte går att uppnå det specifika bucklingsmotståndet och böjstyvheten.
325 gram för att rymma 1,8 ton
Mycket komplexa komponenter från 3D-skrivaren används också på dolda ställen. Ett monteringsfäste för framvingen, på vilket framvingen kan monteras på tre olika höjder, skrivs ut i titan av Bugatti. Med en ihålig insida och en väggtjocklek på 0,7 millimeter kan monteringsfästet klara en aerodynamisk downforce på upp till 800 kg – med en vikt på bara 600 gram. Bakvingens downforce, som kan uppgå till 1,8 ton vid 320 km/h, leds via Bolides centrala kolfiberfena in i den övre strukturmatrisen, som utgör den övre avslutningen på den bakre ramen i höghållfast rostfritt stål. Inuti denna centrala fena finns en laminerad och tryckt titankomponent för anslutning av fenan till vingen, för vilken vinkeln kan justeras med hjälp av en kopplingsstång. Trots sin styvhet väger den bara 325 gram. Ingenjörerna använder också titan för att skriva ut fästet för montering av rattstången, som har ett integrerat stöd för instrumentbrädan, stödkragen för rattstångens genommatning och de två luftventilerna i fordonets interiör. Alla komponenter är utformade som lätta ihåliga strukturer med en enhetlig väggtjocklek på 0,5 millimeter.
Bolide har hjulstyrning baserad på dubbel wishbone-kinematik på både fram- och bakaxel. På bakaxeln har fjäderdämparelementen en vertikal konfiguration, medan de på framaxeln är placerade horisontellt i rät vinkel mot färdriktningen. Fjädrarna är tillverkade av titan och dämparna har en justeringsmekanism och en reservoar, som är integrerad internt på framaxeldämparna. När det gäller de horisontella fjäderdämparelementen på framaxeln överförs de vertikala kontaktkrafterna med hjälp av ett länkage som är placerat direkt bredvid svänglagren på de nedre länkarmarna via tryckstänger och vippor. Fästena som styr vipporna har en väggtjocklek på bara 0,4 millimeter och väger endast 95 gram styck. Vipporna väger strax under 195 gram styck. Eftersom luften strömmar helt genom Bolides framaxel är dess kinematiska komponenter – både de 3D-printade titankomponenterna och länkarmarna i höghållfast rostfritt stål – extremt lätta, styva och aerodynamiskt optimerade. Draghållfastheten för dessa och alla andra 3D-printade element är 1.250 N/mm2. “Med hjälp av en speciell värmebehandlingsprocess som utvecklats internt uppnår vi denna höga draghållfasthet med en samtidigt hög brottöjning på minst 19 procent”, förklarar Götzke.
Tryckstången väger bara 100 gram
Utvecklarna är särskilt stolta över stötstängerna i Bolide. “De överför en kraft till vipporna som, beroende på körmanövern, motsvarar en vikt på upp till 3,5 ton. Men tack vare flera olika idéer väger de bara lika mycket som en chokladkaka, det vill säga 100 gram vardera”, förklarar Henrik Hoppe. För första gången varierade Bugatti-utvecklarna väggtjockleken på de tunnväggiga, ihåliga stavarna. De blir tjockare in mot mitten och sedan tunnare igen, vilket innebär att de är optimalt anpassade till lokala påfrestningar. I likhet med ett mänskligt ben har komponenten en inre struktur. Denna speciella struktur har också nyligen registrerats som ett patent.
I avgasrörsskyddet, en hybridkomponent tillverkad av 3D-printad titan och keramik, har Bugatti minskat vikten med cirka hälften jämfört med de redan viktoptimerade avgasrörsskydden i titan som är välkända från serieproduktionen. Komponenten, som mäter mer än 280 millimeter i längd och har en konsekvent väggtjocklek på bara 0,5 millimeter, väger därför mindre än 750 gram. Eftersom keramiskt material är en betydligt mindre effektiv värmeledare än titan, har Bugatti infört speciella keramiska element som är inbyggda i titanhöljet och centrerar höljet i förhållande till ytterhöljet av kolfiber, så att ytterhöljet inte skadas ens vid höga avgastemperaturer. Denna termiska sköld stöds också av ett inbyggt Venturi-munstycke: när heta avgaser kommer in i avgasrörets trimskydd dras frisk luft in, vilket skapar en mantel av sval luft runt det heta avgasflödet. I sin helhet är detta en uppfinning som Bugatti har lämnat in en patentansökan för.
Lättviktskomponenter som återfinns i Bolide
I samband med lanseringen av Bolide – den baninriktade hypersportbilen – för några månader sedan presenterade Bugatti ett extraordinärt teknologiskt koncept. Den ikoniska 8,0-liters W16-motorn, med upp till 1 850 hk, driver en bil som bara väger 1 240 kg. Det ger ett otroligt vikt/effekt-förhållande på 0,67 kg/PS, en topphastighet på över 500 km/h, perfekta köregenskaper och maximal smidighet. “Det är Bolides många tekniska höjdpunkter som gör den så speciell. Men dessa kan också överföras till produktionsfordon. Det är det vi fortsätter att utveckla och arbeta med, eftersom Bugatti har utmärkt sig med sina imponerande innovationer i över 110 år – och kommer att fortsätta att göra det i framtiden”, säger Frank Götzke.
