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Universität Mannheim wendet sich für Aluminium-Radträger an AM-Lösung von Eplus3D

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Eplus3D bietet 3D-Drucklösungen aus Metall zur Optimierung von Rennwagen für die Formula Student Electric

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1 Zusammenfassung

Im Rennsport zählt jede Millisekunde, um als Erster die Ziellinie zu überqueren. Das Delta Racing Team der Hochschule 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 den Druck des Aluminiumbauteils auf der EP-M250Pro von Eplus3D kann eine Gewichtseinsparung von über 50% und damit eine außerordentliche Leistungssteigerung des gesamten Fahrzeugs gegenüber dem bisherigen CNC-gefrästen Bauteil erreicht werden.

2 Vorwort

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.

3 Lastfälle

Um die Gesamtkräfte zu berechnen, die am Ende auf das Bauteil einwirken, werden die verschiedenen vorherrschenden Lastfälle ermittelt. Hierfür werden alle vorhandenen Fahrzeugdaten berücksichtigt und mit Hilfe einer numerischen Berechnungssoftware ausgewertet. Grundlage hierfür ist Literatur aus dem Bereich der Rennwagentechnik. Die folgenden Lastfälle wurden analysiert.

- Maximaler vertikaler Aufprall

- Extrembremsung mit Nickausgleich

- Extremer Anflug mit Pitchkompensation

- Extreme Kurvenfahrt (dynamische Berechnung)

- Innenkurvenrad

- Äußeres Kurvenrad

- Bremsen im Schlagloch

- Bremsen im Rückwärtsgang

- Auswirkungen von Fahrbahnbegrenzungen

- Auslenkung in den Endanschlag

Abbildung 2 Skizze der Belastungen [Quelle: Rennwagentechnik; Grundlagen, Konstruktion, Komponenten, Systeme; Trzesniowski, Michael; ISBN 978-3-658-04919-5]

Alle Fahrzeugdaten wie aerodynamischer Abtrieb, Reifenarbeitsfeld, kinematischer Nickausgleich etc. fließen in die Berechnung der realen Bedingungen ein. Der angestrebte Betriebszustand ist Grip mit leichtem Schlupf, da dies die maximale Übertragung von Längs- und Querkräften ermöglicht.

4 Optimierung der Topologie

Im ersten Schritt wird ein Arbeitsraummodell unter Berücksichtigung aller geometrischen und kinematischen Randbedingungen erstellt. Wichtig sind dabei Einbauflächen, Einbauten sowie Funktionsfreiräume der Fahrwerkskinematik. Um den Optimierungsalgorithmus nicht von vornherein einzuschränken, werden alle möglichen Freiheiten genutzt. Die Geometrie wird nun in Konstruktionsbereiche (rot) und Nichtkonstruktionsbereiche (grau) unterteilt. Die Konstruktionsbereiche werden hauptsächlich durch periphere Komponenten begrenzt. Bei den Nichtentwurfsbereichen handelt es sich meist um Lager- oder Verbindungspunkte. Diese Aufteilung ermöglicht eine feinere Vernetzung der Geometrie in Bezug auf bestimmte Kräfte, was zu einem schnelleren und genaueren Simulationsergebnis führt.

Abbildung 3: Arbeitsraummodell der Vorderachse

Es wird eine hochfeste und korrosionsbeständige Aluminiumlegierung AlSi10Mg verwendet. Die Legierung hat ein sehr gutes Verhältnis zwischen Festigkeit und Gewicht.

Das Modell wird nun mit finiten Elementen vernetzt. Es werden Tetraeder-Elemente mit einer Bindungsfunktion zweiter Ordnung verwendet. Es werden nun die Lastfälle mit den zuvor berechneten Kräften angesetzt. Durch die Verwendung von so genannten RBE-3-Elementen kann der Krafteinleitungspunkt an der Verbindung zwischen Rad und Straße gewählt werden. Diese Elemente verbinden mehrere unabhängige Knoten über eine starre Bindung mit einem abhängigen Knoten und paaren so ihre Freiheitsgrade. Dadurch wird die Geometrie nicht unnötig versteift. Weiterhin wird die Kontaktzone der angeschraubten Vorrichtungen definiert, was zu einer wiederholbaren Einstellung der Zone der Sturzverstellung führt.

Abbildung 4 Verschiedene FEM-Sichtweisen [Links: Gelenkknoten; Rechts: Radaufstandspunkt]

In Abbildung 4 werden zwei unterschiedliche Betrachtungen untersucht:

- Aufbringen von Kräften über die Fahrwerksknoten; [Abbildung 4: links]

- Krafteinleitung über den Verbindungspunkt von Rad und Straße auf die Lagerflächen; [Abbildung 4: rechts]

Ziel der Topologieoptimierung ist es, die mittlere Ausbeute mit einer deutlicheren Massenreduktion zu erreichen. Der Software wird schließlich der Grad der Füllungsrestriktion vorgegeben, der das Verhältnis von Ausgangsmasse und Zielmasse im Auslegungsvolumen 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.

Abbildung 5: Elementdichteverteilung Vorderachse

Die erstellten Strukturen müssen nun vom Konstrukteur nachmodelliert werden. Dazu werden Polygonnetze um die vorgeschlagene Geometrie erzeugt. Diese sind anschließend frei anpassbar

Abbildung 6 Erstellen der Meshes

Abbildung 7 Umgestaltung von Vorder- und Hinterachse

5 Festigkeitsnachweis

Die neue Konstruktion wird mit Spannungsanalysen aller Lastfälle auf ihre Festigkeit untersucht. Um einen besseren Überblick über alle Lastfälle zu erhalten, wird das Ergebnis der überlagerten Spannungsergebnisse betrachtet, das alle Maximalwerte der Lastfälle überlagert.

Bei der Auswertung der Simulationsergebnisse fällt auf, dass in kaum einem Bereich erhöhte Spannungen auftreten. Dies ist auf die Topologieoptimierung und den verwendeten Sicherheitsfaktor zurückzuführen.

Im Bereich der unteren Fahrwerksanbindung der Hinterachse und im Kontaktbereich des Trägers der Vorderachse treten in einzelnen Lastfällen Singularitäten auf. Daraus resultieren einige wenige Elemente an scharfen Kanten mit erhöhten Spannungen. Um ein aussagekräftiges Ergebnis zu erhalten, werden jedoch die Umgebungsspannungen in ausreichendem Abstand zu den Singularitäten betrachtet.

Abbildung 8: Singularität Vorderachsbock Sturzeinstellung

Bei näherer Betrachtung liegen die Von-Mieses-Vergleichsspannungen der einzelnen Lastfälle unterhalb der Materialstreckgrenze

Abbildung 9: Festigkeitsnachweis Vorderachse

Abbildung 10 Festigkeitsnachweis Hinterachse

6 Konstruktion für die Fertigung

Um eine reibungslose Produktion der Bauteile zu gewährleisten, werden mehrere Optimierungen durchgeführt, um die Herstellbarkeit des topologieoptimierten Bauteils sicherzustellen. 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.

In Abbildung 11a wird in mehreren Bereichen des CAD-Modells eine Bearbeitungszugabe gewährt (rot).

Abbildung 11 Optimierungsverlauf Vorderachse

Durch den additiven Prozess erzeugte Eigenspannungen müssen durch Spannungsarmglühen der Bauteile beseitigt werden. Um die Verformung durch solche Eigenspannungen von vornherein so gering wie möglich zu halten, sollten die Winkel der Verbindungsstangen zwischen den Funktionsflächen abgesenkt werden. Nach erneuter Überprüfung durch das Simulationswerkzeug können die Änderungen in den Entwurf übernommen werden (siehe Abbildung 12).

Der stabförmige Aufbau des Bauteils und die wenigen möglichen Spannflächen begünstigen bei der Nachbearbeitung Schwingungen, die zu Rattermarken führen. Wie in Abbildung 11 und Abbildung 13 (blau) zu sehen ist. Durch diese Änderungen ist es möglich, das gesamte Bauteil in einer Aufspannung auf einer 5-Achs-CNC-Fräsmaschine zu fertigen und dabei alle geforderten Form- und Lagetoleranzen einzuhalten (siehe Abbildung 14).

Abbildung 12: Winkeländerung Vorderachse

Abbildung 13: Nachbearbeitung Aufspannflächen

Bild 14: CNC-Nachbearbeitung

7 Ausblick

Die topologisch optimierten Radträger sind ein weiterer Meilenstein in der Rennwagenentwicklung von Delta Racing. In der Vorsaison wurden CNC-gefräste Radträger verbaut. Durch die bionische Bauweise 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.

Abbildung 15: Achsschenkel 2021