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3D-gedruckte Kohlenstofffaserformen und Endverwendungsteile für die Rennwagen der Formula Student

Die Formula Student ist ein alljährlicher Ingenieurdesign-Wettbewerb, bei dem Studententeams aus der ganzen Welt Rennwagen im Formel-Stil bauen und mit ihnen Rennen fahren. Das Formula Student Team der TU Berlin (FaSTTUBe) ist eines der größten darunter. 80-90 Studenten entwickeln dort seit 2005 jedes Jahr neue Rennwagen.

Das Team baut diese Saison zum ersten Mal drei Modelle: mit Verbrennungsmotor, mit Elektromotor und mit autonomer Versorgung. Von Herbst bis Sommer haben sie ein Schuljahr Zeit, die Fahrzeuge vor den Rennen zu entwerfen, zu produzieren, zu montieren und zu testen. Beurteilt werden die Teams nach Geschäftsmodell, Designkonzept, Kostenaufstellung und Wagenleistung (insbesondere Motorleistung, Effizienz und Ausdauer).

Dieses Jahr hat das Team ein neues Werkzeug zur Hand, den SLA-3D-Drucker Form 3. Mit selbigem konnten die Studenten Zeit und Kosten sparen sowie Teile erstellen, die anders unmöglich gewesen wären:

Prototypen: Das Team druckt Prototypen verschiedener Teile wie z. B. die Befestigungen der Überrollbügel oder die Halterungen der HV-Batterie.

Formen für Kohlenstofffaserteile: Das Team hat Dutzende Formen zur Herstellung von Kohlenstofffaserteilen gedruckt, die anders nicht möglich gewesen wären.

Endverbrauchsteile: Etwa 30 Endteile des Wagens wurden direkt 3D-gedruckt, von Knopfhalterungen über die Schaltung am Lenkrad bis zu Schläuchen und Sensorverbindungen des Kühlsystems.

Niklas Werner, der technische Leiter, Felix Hilken, Team Lead Carbon Fiber and Aerodynamics, haben uns durch den FaSTTUBe-Arbeitsbereich geführt und uns diese Anwendungen vorgestellt.

Eines der ikonischsten Teile jedes Rennwagens ist das Lenkrad. In der letzten Saison nutzte das Team einen Schneidlaser, um eine Kohlenstoffplatte anzufertigen, und selektives Lasersintern (SLS), um die Griffstücke und das Gehäuse für die Elektronik zu drucken.

Gewichtsverringerung ist beim Bau von Rennwagen entscheidend. Also versuchte man es mit dem Druck ausgehöhlter Griffe. Diese waren allerdings nicht stark genug, um dem festen Griff des Fahrers standzuhalten. Dieses Jahr entschieden Sie sich für Teile aus Kohlenstofffaser. Das ist ein großartiges Material zur Gewichtsreduzierung, welches ebenso stark oder sogar noch stärker ist.

Hilken entwickelte einen Arbeitsprozess, in dem 3D-gedruckte Formen zur Nasslaminierung eingesetzt werden. Das ist eine großartige Methode, mit minimalen Voraussetzungen Kohlenstofffaserteile herzustellen.

Dank der Verwendung von Kohlenstofffaser verringerte das Team das Gewicht des Lenkradgehäuses von 120 g auf 21 g. Hilken benötigte dabei einen Tag zum Design und Bau der Form. Dabei konnte das Team im Design Geometrien verwirklichen, die mit traditionellen Fertigungsmethoden nur überaus schwer umzusetzen sind.

„Das Tolle am 3D-Druck ist, dass sich komplexe Körper genauso leicht herstellen lassen wie einfache. Der Arbeitsaufwand ist der gleiche und die Ausrüstung ebenfalls. Einige dieser Elemente können mit anderen Verfahren tatsächlich nicht bezahlbar umgesetzt werden“, verrät uns Hilken.

Hilken laminierte drei Kohlenstofffaserlagen über einer 3D-gedruckten Form und setzte dann eine Negativform auf, um die Lagen fest zusammenzudrücken.

Hilken verwendete dafür Tough 1500 Resin, da dieses ein gutes Gleichgewicht aus Dehnung und Modul bietet. Teile, die aus diesem Material gedruckt werden, lassen sich stark verbiegen und kehren schnell wieder in ihre ursprüngliche Form zurück. Das erleichtert die Entformung des Teils. Mit dieser Technik kann man Hilkens Einschätzung nach etwa zehn Teile mit einer Form anfertigen. Da dies ein manueller Arbeitsprozess ist, hängt alles davon ab, wie sorgfältig die Person arbeitet, z. B. können Fasern stecken bleiben oder es kann beim Entformungsprozess zu Beschädigungen der Form kommen.
Nasslaminierung mit 3D-gedruckten Formen ist eine großartige Methode, mit minimalen Voraussetzungen Kohlenstofffaserteile herzustellen.

„Würde ich die Form über CNC-Bearbeitung herstellen, müsste ich mir Spezialwerkzeuge beschaffen und darauf warten, dass die Maschine mal frei wird. Und selbst dann hätte ich diese Geometrie nicht hinbekommen. Insbesondere einige der kleinen Ecken. Ich bräuchte ein Design ganz ohne Schrauben, damit die Positionierung des Teils keine Rolle spielt“, so Hilken.
www.formlabs.com

 

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