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Additive Fertigung für ultimativen Leichtbau

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Durch konsequenten Leichtbau erreichen die elektrisch angetriebenen Prototypen des Formula-Student-Teams der BFH ein Fahrzeuggewicht von gerade einmal gut 200 kg. Dabei ermöglichen additive Fertigungsmethoden die effiziente Herstellung von hochkomplexen, superleichten Bauteilen.

In der Entwicklung eines elektrischen Rennwagens gehört Leichtbau zu den Schlüsseltechnologien. Fahrzeuge werden dadurch nicht nur schneller, sondern auch deutlich effizienter. Die additive Fertigung (3-D-Druck) von Bauteilen eröffnet dabei neue Möglichkeiten für die optimale Gestaltung. Insbesondere bei der ungefederten Masse (z. B. Räder, Bremsen, Radträger) ist Gewichtseinsparung wichtig, da dadurch die Strassenlage (aufgrund abnehmender Radaufstandskraftvariationen) deutlich verbessert wird. Bei der Bern Formula Student (BFS) wird Metall- 3-D-Druck daher speziell in diesem Bereich eingesetzt.

Abb. 1: Der aus Aluminium im additiven Fertigungsverfahren hergestellte Motorkühlmantel wiegt 138 g.

Anwendungen im Rennwagen

Abb. 2: Der aus Alu gefräste Radträger wiegt 861 g.
Abb. 3: Der topologieoptimierte Radträger aus Titan wiegt 621 g.
Quelle: BFS

Da die neusten Rennfahrzeuge der BFS über im Radträger integrierte Elektromotoren verfügen, zählt auch die Motorenkühlung zur ungefederten Masse. Um dabei minimales Gewicht, gute Wärmeableitung sowie optimale Fluidströmung mit einer effizienten Herstellung zu kombinieren, werden die Motorkühlmäntel mittels additiver Fertigung hergestellt (Abb. 1).

Für das Fahrzeug der Saison 2017 wurden zudem topologieoptimierte Radträger (Abb. 3) entwickelt. Topologieoptimierung ist ein computerbasiertes Berechnungsverfahren, wodurch eine optimale Stabilität des Bauteils mit möglichst wenig Material ermittelt werden kann. Dabei entsteht eine Art organische Struktur, die mittels SLM-Verfahren (selektives Laserschmelzen) gefertigt wird. Im Vergleich zu einem aus hochfestem Aluminium gefrästen Radträger (Abb. 2) kann dadurch das Gewicht um rund 28 Prozent gesenkt werden.

 

Bern Formula Student (BFS)

Formula SAE (auch Formula Student genannt) ist der weltweit grösste Ingenieurwettbewerb für Studierende. Ziel ist es, die Ingenieurkenntnisse bei der Entwicklung und dem Bau eines Rennwagens anzuwenden. Seit 2015 tritt die BFS mit elektrisch angetriebenen Rennwagen in verschiedenen statischen und dynamischen Disziplinen gegen Studententeams aus der ganzen Welt an. Im Team arbeiten Studierende aus verschiedenen Studiengängen wie Automobil-, Elektro-, Maschinen- und Mikrotechnik interdisziplinär zusammen.