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3D-gedruckter Rennwagenradträger aus Metall

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Eplus3D Metall-3D-Drucker EP-M250Pro bietet additive Fertigungslösung für Autoradträger

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Im Rennsport zählt jede Millisekunde, um als Erster die Ziellinie zu überqueren. Das Delta Racing Team der Fachhochschule Mannheim optimiert deshalb jedes Jahr seinen Rennwagen für die Formula Student Electric. Die größte Verbesserung des Chassis ist in diesem Jahr die Umstellung der Produktionstechnologie auf additiv gefertigte Radträger und die damit verbundenen Vorteile. Durch genaueste numerische Berechnungsmethoden, ein topologie- und fertigungsoptimiertes Design sowie das Drucken des Aluminiumbauteils auf der EPLUS 3D EP-M250Pro kann eine Gewichtseinsparung von über 50% und damit eine außerordentliche Leistungssteigerung des gesamten Fahrzeugs gegenüber dem bisherigen CNC-gefrästen Bauteil erreicht werden.

Im Rennsport spielt das Fahrzeuggewicht eine entscheidende Rolle für die Leistung und das Fahrverhalten. Der Radträger ist das zentrale Element zur Aufnahme und Übertragung von Kräften. Mit Hilfe von additiven Fertigungsverfahren werden neue Möglichkeiten der Form- und Gestaltungsfreiheit geschaffen. Die Entwicklung basiert auf computergestützten Analysen. Dabei kommen Werkzeuge wie die Topologieoptimierung der Struktur mittels Finite-Elemente-Methode (FEM) zum Einsatz. Diese Softwares analysieren die vorherrschenden Belastungen des Bauteils und berechnen eine optimierte Bauteilgeometrie. Diese Informationen fließen in den Konstruktionsprozess ein. So lassen sich verschiedene Fertigungsverfahren vergleichen und kostspielige Bauteiländerungen vermeiden.

Ziel der Topologieoptimierung ist es, die mittlere Ausbeute bei deutlicherer Massenreduzierung zu erreichen. Der Software wird letztlich der Füllgrad vorgegeben, der das Verhältnis von Ausgangsmasse und Zielmasse im Konstruktionsvolumen beschreibt. Die mittlere Ausbeute wird aus insgesamt 18 Lastfällen und ihrer jeweiligen Bedeutung sowie einem Sicherheitsfaktor gebildet. Mit Hilfe des Solvers "OptiStruct" wird die optimale Lösung berechnet und über mehrere Iterationen weiter verfeinert.

Um eine reibungslose Produktion der Bauteile zu gewährleisten, werden mehrere Optimierungen durchgeführt, die die Herstellbarkeit des topologieoptimierten Bauteils sicherstellen. Diese werden in einem Projekt gemeinsam mit Teilnehmern des Delta Racing e.V., dem Bearbeitungsspezialisten Klaeger Präzision GmbH & Co. KG sowie mit dem Beratungsteam von Eplus3D entwickelt.

Als erster Rapid-Prototyp und als Touch-and-Feel-Beispiel sowie zur Diskussion mit allen Beteiligten wird ein Radträger aus PLA im FFF-Verfahren 3D-gedruckt.

Die Produktionsreihenfolge der Bauteile wird dann wie folgt festgelegt: Die Teile werden additiv auf einem EP-M250Pro MPBF (Metal Powder Bed Fusion) Drucker hergestellt. Anschließend werden das Bauteil und die Bauplattform in einem Vakuumofen geglüht, um die Spannungen im Inneren der Teile zu verringern. Mit Hilfe einer Drahterodiermaschine wird das Bauteil von der Bauplattform getrennt und die Stützstrukturen werden entfernt. Es folgt das Sandstrahlen der Oberfläche sowie die Bearbeitung von Funktionsbereichen auf einer 5-Achsen-CNC-Fräsmaschine, bevor die Qualitätskontrolle erfolgt.

Zusammenfassung:

Mit dem Ansatz der additiven Fertigung und der Topologieoptimierung stellen die neuen Radträger einen weiteren Meilenstein in der Rennwagenentwicklung von Delta Racing dar. In der Vorsaison wurden CNC-gefräste Radträger eingebaut. Mit dem bionischen Design konnte das Leichtbaupotenzial ausgeschöpft und das Gewicht des Vorjahresradträgers um 50% reduziert werden. Die neuen Radträger wiegen somit rund 550 Gramm pro Stück. Alle Massen rund um das Rad gehören zu den ungefederten Massen, die direkt auf das Fahrzeug wirken und nicht durch die Federn und Dämpfer verzögert werden. Die ungefederten Massen haben somit einen Anteil von 7 an der gesamten bewegten Masse. Die drastische Reduzierung der ungefederten Massen macht das Fahrverhalten daher deutlich agiler und spürbar handlicher.

Zweifelsohne wird die additive Fertigung in Zukunft eine viel größere Rolle spielen, Eplus 3D entwickelt Technologien für den Direktdruck, die Serienfertigung von kundenspezifischen Teilen und die Herstellung größerer Teile in einem breiteren Spektrum von Anwendungen.