Cosa è possibile fare e cosa no con la produzione additiva in Formula 1

Gli sport motoristici, e in particolare la Formula 1, sono considerati uno dei segmenti trainanti per l’adozione di AM. Ma una cosa è la capacità di produrre rapidamente parti di automobili AM più leggere e una cosa completamente diversa, specialmente in F1, è la capacità di usarle effettivamente. Questo perché i regolamenti per la produzione additiva in Formula 1 sono molto severi e talvolta bloccano lo sviluppo di materiali e applicazioni AM.

Queste limitazioni non si applicano ovviamente alla prototipazione. Si può fare molto con l’AM, anche direttamente in pista. I requisiti di produzione, però, sono più severi. E questo in realtà è strano perché in molti casi AM potrebbe ridurre i costi di produzione e rendere più competitivi i team innovativi con minori possibilità economiche. In effetti, sembra essere quello che la Formula 1 voleva ottenere introducendo un budget cap nel 2021. Ma la realtà è un po’ più complessa.

Cosa puoi stampare in 3D in un’auto da Formula 1?

Non è possibile utilizzare AM sul nucleo degli scambiatori di calore primari

Questo sembra un po’ un paradosso, ma in realtà è scritto nella sezione 7.4.3 del Regolamento Tecnico di Formula 1 del 2021. È qui che la F1 fornisce indicazioni su “Specifiche e tecnologia dello scambiatore di calore primario”. Al fine di ridurre il costo degli scambiatori di calore primari utilizzati nell’auto (di solito ci sono i componenti che trattengono i fluidi), si applicano le seguenti restrizioni: (a). i serbatoi del nucleo e della testata devono essere realizzati in lega di alluminio e (b) il nucleo non deve essere prodotto mediante produzione additiva.

Quindi sì, è possibile usare l’alluminio ma non stamparlo in 3D al centro dello scambiatore di calore. Questo è abbastanza curioso. Dall’introduzione delle centraline ibride, i motori necessitano in generale di un minor raffreddamento, tuttavia è necessario raffreddare più parti. Forse la FIA ritiene in questo momento che, in questo caso, avere più soldi significhi avere un maggiore accesso alle tecnologie AM e quindi un vantaggio maggiore rispetto ad altri team. Tuttavia, questo punto potrebbe probabilmente essere rivisto in futuro.

È possibile utilizzare un’ampia selezione di materiali metallici per AM

La Sezione 15.3.2 descrive i “Materiali metallici utilizzati per la produzione additiva”, incluse due recenti aggiunte di APWORKS ed Elementum. I componenti prodotti dalla produzione additiva possono essere realizzati con materiali nel seguente elenco:

• a. Leghe di alluminio; AlSi10Mg, AlSi7MG, Al Cl-30AL
• b. Leghe di alluminio con rinforzo del particolato, A20X , 2024-RAM2, 6061-RAM2
• c. Leghe di alluminio-magnesio; Scalmalloy
• d. Leghe di titanio; Grado 1, Grado 2, Ti6Al4V, Ti 5553, Ti 6242.
• e. Leghe di acciaio; 316, 304, MS1, 15-5PH, 17-4PH, 300M, 4140.
• f. Leghe di rame non contenenti berillio.
• g. superleghe; Inconel 625, Inconel 718, Cobalt-Chrome.

Questo è in realtà un elenco piuttosto ampio che viene regolarmente aggiornato. Tuttavia, è anche necessario tenere presente che: “la massa finita di un componente realizzato dalla produzione additiva non deve essere inferiore al 60% della massa del componente stampato, escluse le strutture di supporto”.

No al berillio

La sezione 15.4 discute invece dei divieti specifici. Uno si riferisce specificamente all’AM – vietando l’uso del berillio – tuttavia alcuni altri riguardano indirettamente l’AM. Eccoli:

• a. Compositi a matrice metallica, salvo ove consentito ai sensi dell’articolo 15.3.2
• b. Materiali a memoria di forma ad eccezione dei materiali piezoelettrici utilizzati nei sensori elettrici.
• c. Le leghe di titanio non possono essere utilizzate per elementi di fissaggio con filettatura maschio di diametro inferiore a 15 mm.
• d. Leghe in cui il peso combinato di platino, rutenio, iridio, renio e oro è superiore al 5%.
• e. Componenti prodotti dalla metallurgia della lamina.
• f. Leghe intermetalliche.
• g. Materiali manifatturieri additivi contenenti berillio.

Compositi e ceramiche

Queste famiglie di materiali non sono necessariamente collegate con AM ma sono materiali avanzati che potrebbero sfruttare alcuni processi AM. Questo è ciò che dicono i regolamenti della FIA sul loro utilizzo in F1.

Per quanto riguarda “Componenti alternativi e rotanti”: la sezione 5.18 afferma che i componenti alternativi e rotanti non devono essere fabbricati con una matrice grafitica, compositi con matrice metallica o materiali ceramici, questa limitazione non si applica alla frizione e alle tenute. Per quanto riguarda i componenti statici: “diversi dagli inserti al loro interno, i carter motore compresi carter, testate e coperchi delle camme della testata devono essere realizzati in alluminio o leghe di ferro. Non sono ammessi materiali compositi o con matrice metallica per l’intero componente o localmente.”

I compositi carbonio-carbonio possono tuttavia essere utilizzati per materiali di attrito. I cuscinetti degli elementi volventi devono essere fabbricati in una lega a base di ferro o in materiale ceramico. Tutti gli ingranaggi di distribuzione tra l’albero motore e gli alberi a camme devono essere realizzati in una lega a base di ferro. Gli elementi della pompa del carburante ad alta pressione possono essere realizzati in materiale ceramico.

Tutti gli elementi di fissaggio filettati devono essere realizzati in lega a base di cobalto, ferro o nichel. Le eccezioni includono elementi di fissaggio la cui funzione primaria richiede che siano un isolante elettrico: possono essere fabbricati con materiali ceramici o polimerici.

Tra le altre eccezioni, i materiali ceramici monolitici possono essere utilizzati per elementi volventi, cuscinetti, elementi della pompa del carburante ad alta pressione, componenti elettrici, isolamento termico, materiali di attrito della frizione e cuscinetti sferici. I compositi a matrice ceramica possono essere utilizzati per materiali di attrito, tenute e isolamento termico.