Wie man die Leistung eines F3-Rennwagens mit Artec Leo steigern kann

Von Jean Colet

Herausforderung: Verbesserung der aerodynamischen Eigenschaften eines aktiven F3-Rennwagens für einen Master-Abschluss im Fach Ingenieurwesen

Lösung: Artec Leo, Artec Studio

Ergebnisse: 3D-Scans des Fahrzeugs ermöglichten eine präzise Entwicklung des Frontflügels, wodurch die Geradlinigkeit und die Kurvengeschwindigkeiten des Fahrzeugs erhöht wurden.

Ein Rennwagen wie der Dallara F399/01 ist das Produkt jahrzehntelanger technischer Fortschritte. Motoren, Fahrwerke und Materialien wurden alle enorm weiterentwickelt, um den technischen Anforderungen des Motorsports zu entsprechen und gleichzeitig die Leistung zu steigern. Tatsächlich lassen die bemerkenswerten Durchbrüche, die im Laufe der Jahre im Rennwagenbau bereits erzielt worden sind, den Anschein erwecken, als gäbe es nicht mehr viel Raum für weitere Verbesserungen – zumindest nicht, ohne eine angemessene Menge an finanziellen Mitteln und Zeit zu investieren. Welche Optionen sind nun also noch möglich, wenn man einen technischen Vorsprung gegenüber der Konkurrenz erlangen will? John Hughes, ein postgraduierter Ingenieurstudent an der University of Wales Trinity Saint David (UWTSD), hat darauf eine einfache Antwort: Aerodynamik.

„Jedes kleine Detail, jeder kleine Gewinn ist besser als nichts. Derzeit gelingt es uns, im Vergleich zu unserer Ausgangssituation mit dem Auto etwa 10 Meilen pro Stunde an Geschwindigkeit auf der Geraden zu gewinnen. Und das nur durch die aerodynamische Entwicklung.“

John hat im Rahmen seines Master-Projekts mit einem anderen Aerodynamik-Studenten und den beiden Besitzern des Autos an dem Frontflügel des Dallara gearbeitet. Ihr Ziel ist es, eine bessere Leistung aus dem Fahrzeug herauszuholen. Der Bolide fährt derzeit im British Sprint Championship, einer prestigeträchtigen Meisterschaft mit 16 Rennen pro Saison, die an Veranstaltungsorten in ganz Großbritannien ausgetragen wird. Zwischen den Rennen stehen John und seinem Team in der Werkstatt der Universität, die sich direkt neben dem Hafen von Swansea befindet, kleine Zeitfenster für die Arbeit an dem Auto zur Verfügung.

Der Dallara F399/01, im Besitz von SBD, auf der Rennstrecke von Anglesey

Eine Zeit lang verwendete das Team manuelle Messwerkzeuge, um die Dimensionen des F3-Boliden zu ermitteln, jedoch waren die Ergebnisse nicht nur zeitaufwändig, sondern auch ungenau. So kamen die Spezialisten zu dem Schluss, dass sie einen zuverlässigeren Weg brauchten, um schneller bessere Messungen zu erhalten. Damals kamen sie erstmal auf die Idee, 3D-Scanner einzusetzen. Zuerst probierten sie grundlegende Methoden des 3D-Scannens aus, um ein CAD-Modell zu erhalten, an dem sie arbeiten konnten. Doch es war immer noch nicht präzise genug. Als sie mehr von professionellen 3D-Scan-Lösungen erfuhren, nahmen die Techniker Kontakt mit dem in Großbritannien ansässigen Artec 3D Ambassadors Central Scanning auf, – in der Hoffnung, dass diese die benötigten Ergebnisse liefern könnten. Als John die ersten Scans sah, die mit dem brandneuen 3D-Scanner Artec Leo durchgeführt worden waren, wusste er, dass er ins Schwarze getroffen hatte. „Wenn man sich ansieht, was alles erfasst wurde, ist die Detailgenauigkeit im Vergleich zu dem, was ich bisher gesehen habe, unübertroffen. Es ist wirklich unglaublich.“, sagte er.

John Hughes (rechts) und Tom White von Central Scanning (links) sehen sich das 3D-Vorschaumodell der Dallara direkt auf dem Touchscreen von Leo an.

Nick Godfrey und Tom White von Central Scanning hatten die anstehende Aufgabe bereits im Vorfeld analysiert und kamen zu dem Schluss, dass Artec Leo das beste Werkzeug für die Arbeit sein würde. „Leo ist in der Lage, mittlere bis große Objekte sehr schnell zu erfassen. Er braucht keine vorherige Vorbereitung, und das Scannen kann direkt vor Ort durchgeführt werden.“, sagte Nick. „Der Scanner ist völlig autonom, das heißt es müssen keine Kabel oder Computer, die Ihre Bewegungen einschränken könnten, angeschlossen werden. Wir können praktisch alles viel einfacher erfassen als mit jeder anderen 3D-Scanlösung.“.

Leo ist mit einem eigenen Akku und einem Touchscreen ausgestattet, der den Scan in Echtzeit anzeigt. Die Daten speichert er auf einer Speicherkarte, die später auf einen Computer übertragen werden können. Tom scannte den Dallara direkt in der UWTSD-Werkstatt, und zwar ohne zusätzliche Ausrüstung. Alles in allem dauerte das Scannen des gesamten Autos weniger als 2 Stunden. Die Scandaten wurden innerhalb eines Tages mit Artec Studio bearbeitet, und ein paar Tage später wurde ein vollständiges CAD-Modell an John geschickt.

Leos Portabilität bietet die Möglichkeit, vor Ort schnell und einfach zu scannen.

Es ist wichtig anzumerken, dass im Bereich der Aerodynamik millimetrische Änderungen in der Konstruktion sehr zeitaufwändig sein können. Artec Leo verfügt über eine beeindruckende Datenerfassungsrate von 3 Millionen Punkten pro Sekunde, wobei die 3D-Verarbeitung in Echtzeit direkt auf dem Bildschirm angezeigt wird. Indem er die Geometrie des gesamten Autos mit höchster Präzision digital scannen lässt, kann John eine bessere CFD-Simulation (Computational Fluid Dynamics) auf Ansys durchführen und alle Optionen zur Feinabstimmung des aerodynamischen Profils des Autos anhand des realistischen 3D-Modells analysieren.

„Normalerweise beginne ich damit, dass ich versuche, die aktuelle Komponente so gut wie möglich zu optimieren, ohne die Geometrie der einzelnen Komponenten zu verändern. Der aktuelle Frontflügel etwa hat mehrere Elemente, wie Klappen und Winglets. Ich würde gerne untersuchen, ob eine Verschiebung der Position der Klappen die Gesamtleistung des Flügels verbessern würde.“, erklärt John. „Es kann Monate dauern, bis dieser Prozess in Gang kommt. Er kann jedoch durch den Einsatz von Software für die Versuchsplanung (Design of Experiment, DoE) beschleunigt werden. Sobald die ursprüngliche Geometrie optimiert ist, kann ich diese verändern, indem ich die Differenzkontrakte studiere. Die Anwendung dieser Methode spart Zeit und Kosten bei der Herstellung, da ich immer versuche, so viel vom ursprünglichen Frontflügel wie möglich zu erhalten.“

Ein 3D-Punktwolken-Rendering des Dallara F399/01 in der Schnittstelle Artec Studio

Resultierendes 3D-Modell in Artec Studio (links) sowie CAD-Modelle, die aus den erfassten Daten erstellt wurden (rechts)

Nach der Analyse und den Konstruktionsarbeiten wurden die modifizierten Teile an Fibre-Lyte, einen auf Hochleistungssport spezialisierten Hersteller von Kohlefasern, geschickt. Mithilfe einer 3D-Fräsmaschine sind diese Experten in der Lage, kostengünstige Einzelteile zu erstellen, die, falls höhere Stückzahlen erforderlich sind, auch wiederholt gefertigt werden können.

Die hergestellten Teile wurden in den Rennwagen eingebaut, wobei John bereits den Unterschied bemerkte: „Wir haben seit Beginn der Modifikationen eine Steigerung der Geradlinigkeit und Kurvengeschwindigkeiten festgestellt. Ich habe eine Reihe von Iterationen des Bargeboard-Designs erstellt, wobei jede von ihnen Leistungsverbesserungen aufwies. Die Simulationsergebnisse zeigen eine vielversprechende Leistungssteigerung.“

Ein von John entworfenes Bargeboard, montiert auf dem F3-Rennwagen

Warum Artec 3D-Scanner an Universitäten verwenden?

Wie Johns Fall zeigt, ist der Mehrwert professionellen 3D-Scannens im Ingenieurwesen oder in anderen Disziplinen wie Archäologie, Design und Sportwissenschaften für die Studierenden von immensem Nutzen. Das Lernen mit den neuesten Technologien ist eine Garantie dafür, dass die Studierenden viel besser auf ihre zukünftige Karriere vorbereitet werden, damit Sie in Fachgebieten wie Metrologie, Reverse-Engineering, Denkmalpflege Spitzenleistungen bringen können.

Die 3D-Produktlinie von Artec gewährleistet äußerst präzise 3D-Scans und bietet Scanner für jede Aufgabe und Objektgröße. Artec 3D ist stolz darauf, dank seinen immer beliebter werdenden Bildungspaketen mit Universitäten auf der ganzen Welt zusammenzuarbeiten zu dürfen. Die speziellen Angebote für Schulen, Universitäten und Forschungsinstitute bieten hervorragende Möglichkeiten für eine neue Generation von Expertinnen und Experten, um praktische Erfahrungen mit den fortschrittlichsten Tools, die derzeit auf dem Profi-Markt erhältlich sind, zu sammeln.

Nach ihren ersten erfolgreichen Erfahrungen mit 3D-Scannen hat die University of Wales Trinity Saint David Interesse geäußert, 3D-Produkte von Artec für weitere technische Projekte zu nutzen, unter anderem für Scans von Motorrädern und Seitenwagen.