Kohlefaser-Formteile und 3D-gedruckte Endverbraucherteile für Formula Student-Rennwagen

Die Formula Student ist ein jährlich stattfindender Konstruktionswettbewerb, bei dem Studententeams aus der ganzen Welt Formelautos bauen und fahren. Das Formula Student Team TU Berlin (FaSTTUBe) ist einer der größten Konzerne; 80 bis 90 Studenten entwickeln seit 2005 jedes Jahr neue Rennwagen.

Zum ersten Mal bauen sie in dieser Saison drei Modelle:Verbrenner, Elektro und autonom. Von Herbst bis Sommer haben sie ein Jahr Zeit, um die Fahrzeuge vor den Rennen zu konstruieren, zu fertigen, zu montieren und zu testen. Die Teams werden anhand des Geschäftsmodells, des Designkonzepts, des Kostenberichts und der Rennleistung insbesondere auf Leistung, Effizienz und Ausdauer bewertet.

In diesem Jahr hat das Team seinem Toolset einen Form 3 SLA-3D-Drucker hinzugefügt, mit dem es Zeit und Kosten spart und Teile erstellt, die anders nicht möglich wären: 

1. Prototypen: sie drucken Prototypen für verschiedene Teile wie Halterungen des Stabilisators oder Beteiligte der HV-Batterie.

2. Formen zur Herstellung von Kohlefaserteilen: Das Team druckte ein Dutzend Formen, um Kohlefaserteile herzustellen, die anders nicht hätten hergestellt werden können.

3. Endverbraucherteile: Etwa 30 fertige Teile der Autos werden direkt in 3D gedruckt, von Knopfhaltern, Schalthebeln des Lenkrads bis hin zu Schläuchen und Sensoranschlüssen der Kühlsysteme.

Niklas Werner, der technische Leiter, und Felix Hilken, der Leiter Aerodynamik und Carbonfertigung, stellten uns die FaSTTUBe-Einrichtungen vor und führten uns durch diese Anwendungen.

Handlaminieren von Kohlefaserteilen auf 3D-gedruckten Formen

Einer der ikonischsten Teile eines jeden Rennwagens ist das Lenkrad. In der vergangenen Saison verwendete das Team Laserschneiden, um eine Carbonplatte herzustellen, und selektives Lasersintern (SLS), um die Griffe und den Körper zu schaffen, in dem die Elektronik untergebracht ist.

Da beim Bau von Rennwagen Gewichtsreduzierung unabdingbar ist, versuchte man, die Griffe hohl zu drucken, aber das wäre nicht stark genug, um den Griff des Fahrers zu tragen. In diesem Jahr haben sie sich entschieden, die Teile aus Kohlefaser herzustellen, die ein großartiges Material ist, um das Gewicht zu senken und gleichzeitig die Festigkeit zu erhalten oder zu erhöhen.

Hilken hat einen Arbeitsablauf entwickelt, der 3D-gedruckte Formen für die Nasslaminierung verwendet, die eine großartige Möglichkeit ist, mit der Herstellung von Kohlefaserteilen mit minimalem Verbrauch zu beginnen.

Sehen Sie sich das Video an, um zu sehen, wie der Kohlenstofflaminierungsprozess funktioniert.

Durch die Verwendung von Kohlefaser reduzierte das Team das Gewicht des Lenkradgehäuses von 120 g auf 21 g. Hilken brauchte einen Tag, um die Form zu entwerfen und zu bauen. Sie waren in der Lage, das Design auf Geometrien zu übertragen, die traditionell extrem schwer herzustellen wären.

„Das Tolle am 3D-Druck ist, dass eine komplexe Form genauso einfach zu machen ist wie eine einfache, es erfordert den gleichen Arbeits- und Geräteaufwand. Einige der Funktionen hier sind buchstäblich mit keinem anderen Verfahren auf wirtschaftliche Weise zu realisieren“, sagte Hilken.

Hilken laminierte drei Schichten Kohlefaser auf eine 3D-gedruckte Form und verwendete dann eine andere Negativform, um die Schichten zusammenzupressen.

Hilken verwendet Tough 1500 Resin, weil es Dehnung und Modul ausgleicht. Mit diesem Material bedruckte Teile können sich stark verbiegen und schnell wieder in ihre ursprüngliche Form zurückkehren, was die Entformung des Teils erleichtert. Hilken schätzt, dass mit dieser Technik mit einer Form etwa zehn Teile hergestellt werden könnten. Da es sich um einen manuellen Prozess handelt, hängt es von der Sorgfalt des Bedieners ab:Die Form kann am Ende stecken bleiben oder durch den Trennprozess beschädigt werden.

Die Nasslaminierung mit 3D-gedruckter Form ist eine großartige Möglichkeit, mit der Herstellung von Kohlefaserteilen mit minimalem Bedarf zu beginnen.

Ohne 3D-Druck hätte das Team das CNC-Fräsen einer Aluminiumform auslagern müssen, was teuer ist, eine lange Vorlaufzeit hat und spezielle Werkzeuge erfordert.

„Ich hätte die Form CNC-gefräst, aber ich musste Spezialwerkzeuge besorgen und warten, bis ich einen Steckplatz in der Maschine habe. Aber ich konnte nicht einmal diese Geometrie machen, insbesondere einige der kleinen Ecken. Ich müsste ein Design verwenden, das keine Schrauben enthält, damit das Teil nicht empfindlich auf die Positionierung reagiert“, sagte Hilken.

Das neue Carbon-Chassis (links) neben dem montierten Lenkrad (rechts) aus dem letzten Jahr.

Weißes Papier

Herstellung von Kohlefaserteilen mit 3D-gedruckten Formen

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Kosten- und Durchlaufzeitanalyse

Der 3D-Druck der Formen für das Handlaminieren von Kohlefaserteilen half dem Team, Kosten und Vorlaufzeit drastisch zu reduzieren. Hier ist ein Vergleich zwischen dem Outsourcing der Metallform und dem 3D-Drucken im eigenen Haus für das Lenkrad. Wir berücksichtigen Arbeitskosten und Materialkosten und gehen von einem Abrechnungssatz eines Ingenieurs von 200 USD pro Stunde aus.

	Ausgelagerte CNC-bearbeitete Form	Hausinterne 3D-gedruckte Form
Ausrüstung	Kohlefaser, Harze, Werkzeuge, Vakuumbeutel	Kohlefasern, Harze, Werkzeuge, Vakuumbeutel Formular 3 Drucker, Robustes 1500er Harz
Formherstellungszeit	4-6 Wochen	2 Tage
Arbeitskosten	0	300 $
Materialkosten	0	10 $
Gesamtkosten der Werkzeugherstellung	900 $	310 $

Endverbraucherteile von Schaltpedalen bis Kabelsammler

Die Griffe und die Karosserie sind nicht die einzigen Teile an den Lenkrädern, die den 3D-Druck nutzen. Tatsächlich werden neben den Carbon-Formteilen, der Carbonplatte und der Elektronik auch alle anderen Komponenten des Lenkrads auf dem Form 3 in 3D gedruckt.

Die Tastenhalter, Schaltpedale, Halterungen der Schaltpedale und die Schalter wurden wegen seiner Robustheit und Haltbarkeit mit Tough 2000 Resin bedruckt und dann für eine einheitliche Farbe sprühlackiert.

Knöpfe, Knopfhalter, Schaltpedale und die Halterungen der Schaltpedale am neuen Lenkrad sind alle direkt 3D-gedruckt.

Insgesamt verfügt das Auto derzeit über rund 30 SLA-Druckteile. Zum Beispiel hat das Team auch Kabelsammler gedruckt, um die Kabel in den Kabelbäumen ordentlich zu organisieren. Diese bestehen aus strapazierfähigem Harz, das die Flexibilität bietet, um die Rohre des Metallgehäuses zu passen.

„Diese eignen sich hervorragend zum Zusammenbauen des Kabelbaums, weil sie gut aussehen und es wichtig ist, den Richtern einen guten ersten Eindruck zu hinterlassen, wenn sie sie sehen“, sagte Niklas.

Die 3D-gedruckten Kabelsammler helfen, die Kabel in den Kabelbäumen ordentlich zu organisieren.

Es gibt einige 3D-gedruckte Halter und Gehäuse, und das Team plant auch, andere Teile wie die Enden des Bremslichts und TSAL-Teile herzustellen – Lichter im Elektrofahrzeug, die anzeigen, ob das System mit Hochspannung betrieben wird.

Prototyping eines generativ konstruierten Teils vor dem 3D-Metalldruck

Es sollte nicht überraschen, dass das Team den 3D-Druck auch für das Prototyping verwendet hat. So haben sie beispielsweise die Halterung des Endventils an der Vorderseite des Chassis prototypisiert, ein komplexes Teil, das mit Topologieoptimierung konstruiert wurde. Das letzte Teil wird mit Metall-3D-Druck hergestellt.

Das Team verwendete den 3D-Druck, um einen Prototyp einer komplexen topologieoptimierten Halterung zu erstellen, die in 3D aus Aluminium gedruckt wird.

„Wir haben es mit einem Formlabs-Drucker aus Harz gedruckt, weil es nicht so teuer ist. Wir hatten die Möglichkeit zu überprüfen, ob es auf das Chassis passt oder nicht. Wir haben gesehen, dass es funktioniert, und jetzt wird es aus Aluminium hergestellt“, sagte Niklas.

Auch Halter für die Batteriezelle des Elektro-Rennwagens wurden mit 3D-Druck prototypisiert.

Abschluss der Autos für die Rennsaison

Das Team entwickelt die drei Rennwagen derzeit noch sehr stark, sodass das Anwendungsspektrum, in dem 3D-Druck zum Einsatz kommt, unweigerlich wachsen wird.

Eines ihrer ehrgeizigsten bevorstehenden Projekte ist die Herstellung des Lufteinlasses aus Carbon. Dies ist ein größeres Teil, bei dem die Form in mehreren Teilen in 3D gedruckt, zusammengebaut und dann das Teil von Hand über die Form laminiert werden muss.

Die drei Rennwagen sollen im Frühjahr zu Testfahrten auf die Strecke gehen und Werner, Hilken und das Team hoffen, dass die Rennsaison beginnen kann, sobald die COVID-19-Beschränkungen aufgehoben sind.