Formel Student Rennwagen revolutionieren mit 3D-gedruckten Carbonfaser-Forms und Endverbrauchsteilen

Der Formula Student ist ein jährlicher Engineering-Design-Wettbewerb, bei dem Studententeams weltweit Formel-artige Autos bauen und rennen. Das TU Berlin Team, FaSTTUBe, ist einer der größten Teilnehmer und stellt seit 2005 jährlich 80–90 Studenten.

Diese Saison stößt FaSTTUBe die Grenzen, indem es drei distinkte Fahrzeuge entwickelt: Verbrenner, Elektro und Autonom. Von Herbst bis Sommer durchläuft das Team einen vollen Zyklus aus Design, Fertigung, Assembly und Testing, bewertet an Business Model, Designkonzept, Cost Report und Rennperformance – besonders Power, Effizienz und Endurance.

Um Entwicklung zu beschleunigen und Kosten zu senken, fügte das Team einen Form 3 SLA 3D-Drucker zum Toolkit hinzu. Der Drucker ermöglicht Rapid Production von Teilen, die sonst unmöglich oder prohibitiv teuer wären.

1. Prototypen: Schnelles Drucken von Prototypen für Komponenten wie Anti-Roll-Bar-Mounts und Hochvolt-Batteriehalterungen.
2. Formen für Carbonfaser-Teile: Produktion von einem Dutzend hochpräziser Formen, die Fertigung komplexer Carbonfaser-Komponenten ermöglichen.
3. Endverbrauchsteile: Ca. 30 finale Autoteile – Button-Halter, Schaltpedale, Lenkradschalter, Schlauch- und Sensorkonnektoren – werden direkt aus SLA-Harz gedruckt.

Technical Manager Niklas Werner und Head of Aerodynamics & Carbon Manufacturing Felix Hilken führten uns durch diese Innovationen.

Hand-laminierte Carbonfaser-Teile auf 3D-gedruckten Formen

Letzte Saison wurde die Lenkrad-Carbonplatte lasergeschnitten und ihre Griffe sowie Elektronikgehäuse via Selective Laser Sintering (SLS) gefertigt. Um Gewicht weiter zu reduzieren, experimentierte das Team mit hohlen Griffen, doch die Materialfestigkeit war unzureichend. Dieses Jahr wählten sie Carbonfaser, die überlegene Festigkeits-Gewichts-Verhältnisse bietet.

Hilken entwickelte einen Workflow, der 3D-gedruckte Formen für Nasslaminierung nutzt – einen effizienten Weg, Carbonfaser-Teile mit minimalem Tooling zu produzieren.

Sehen Sie das Video, wie der Carbon-Laminierungsprozess funktioniert.

Durch Carbonfaser sank das Gewicht des Lenkradgehäuses von 120 g auf nur 21 g. Hilken designte und baute die Form an einem Tag, was Geometrien ermöglichte, die traditionell prohibitiv komplex zu fertigen wären.

„Die Schönheit des 3D-Drucks ist, dass eine komplexe Form genauso einfach zu erstellen ist wie eine simple, mit derselben Ausrüstung und demselben Aufwand. Viele der Features hier können schlicht nicht kosteneffizient mit einem anderen Prozess produziert werden“, erklärt Hilken.

Hilken laminierte drei Lagen Carbonfaser auf eine 3D-gedruckte Form und presste die Lagen dann mittels einer sekundären Negativform zusammen.

Er wählte Tough 1500 Resin für seine balancierte Elongation und Modulus – erlaubt den Teilen, beim Entformen zu flexen und zurückzuschnellen. Eine Form kann ca. zehn Teile liefern, der Prozess ist jedoch operator-abhängig; sorgfältiges Handling verhindert Faserhaftung oder Formbeschädigung.

Im Vergleich zu Outsourcing CNC-gefräster Aluminiumformen reduziert dieser Ansatz Kosten und Lieferzeit drastisch. Ohne 3D-Druck hätte das Team teures Tooling, lange Lead Times und limitierte Designfreiheit erlebt.

Carbonfaser-Teile Fertigung mit 3D-gedruckten Formen

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Kosten- und Lieferzeitanalyse

Die Inhouse-3D-gedruckten Formen senken sowohl Arbeits- als auch Materialkosten. Bei einem angenommenen Ingenieurstundensatz von 200 $ lautet der Vergleich für das Lenkrad wie folgt:

Endverbrauchsteile: Von Schaltpedalen bis Kabelsammler

Jenseits der Lenradkomponenten wird der gesamte Satz Lenradteile – Button-Halter, Schaltpedale, Mounts, Switches – auf dem Form 3 mit Tough 2000 Resin für Haltbarkeit gedruckt und anschließend spritzlackiert für einheitliches Finish.

Insgesamt verfügt das Auto über ca. 30 SLA-gedruckte Teile. Beispielsweise organisieren Kabelsammler aus Durable Resin Kabelbäume sauber um den Metallchassis.

„Diese sind toll für das Assemblieren des Wire Harness, weil sie gut aussehen und erste Eindrücke für die Juroren zählen“, merkt Niklas an.

Das plant auch zusätzliche 3D-gedruckte Gehäuse, Bremslicht-Terminierungen und TSAL-Komponenten für das Elektrofahrzeug – Beleuchtungsindikatoren, die Hochspannungsbetrieb anzeigen.

Prototyping eines generativ-designten Teils vor Metal 3D Printing

3D-Druck spielt auch kritische Rolle beim Prototyping komplexer, topologie-optimierter Teile. Der Mount für das Front-End-Valve – via Topology Optimization designed – wurde in Harz gedruckt, um Passform zu verifizieren, bevor man sich auf Aluminium Metal 3D Printing festlegt.

„Den Prototyp in Harz zu drucken war kosteneffizient und erlaubte uns, das Design schnell zu validieren. Das Teil passt perfekt, also wird es nun in Aluminium gefertigt“, sagt Niklas.

Batteriezellenhalter für das Elektrorennfahrzeug wurden ebenfalls via 3D-Druck prototypisiert.

Finalisierung der Autos für die Rennsaison

FaSTTUBe erweitert den 3D-Druck-Scope über alle drei Fahrzeuge weiter. Ein großes anstehendes Projekt ist ein Carbonfaser-Luftansaugssystem, das ein Multi-Part-Mold, Assembly und Handlaminierung erfordert.

Die drei Rennwagen sind für Spring Track Testing geplant. Werner, Hilken und das Team erwarten, dass die Saison beginnt, sobald COVID-19-Restriktionen aufgehoben werden.