Youngtimer erhält funktionsintegrierte 3D-gedruckte Vorderwagenstruktur

3D-Druck schafft Möglichkeiten, Bauteile besser, leichter und kosteneffizienter zu fertigen. Doch das größte Potenzial bietet das additive Manufacturing, wenn die konventionelle Fertigung an ihre Grenzen stößt, wie auch das 3i-PRINT-Projekt zeigt. von Mirko Bromberger

Die Möglichkeiten des 3D-Drucks zeigen sich insbesondere bei Bauteilen mit sehr komplexen Geometrien, bei notwendigen Gewichtseinsparungen, die mit herkömmlichen Mitteln nicht zu erzielen sind, oder wenn mehrere Funktionen in ein Bauteil integriert werden sollen oder müssen. Dazu kommt der Vorteil, auch geringe Stückzahlen und individualisierte Produkte wirtschaftlich herstellen zu können.

Diese und weitere Gründe machen den 3D-Druck nicht nur für die Luft- und Raumfahrt, sondern auch für die Automobilindustrie zunehmend interessant, denn der Bedarf an leichten und damit treibstoffeffizienten Komponenten in Verbindung mit einem hohen Maß an Funktionsintegration ist im Automobilbau ebenso hoch wie in anderen Industrien. Dazu punktet der 3D-Druck mit einer hohen Flexibilität in der Fertigung und einer bis dato unerreichten Designfreiheit.

Von der Idee zum Prototypen

Gemeinsam haben die Unternehmen Altair, APWORKS, csi entwicklungstechnik, EOS, GERG und Heraeus ein von csi entwicklungstechnik initiiertes Projekt zum Thema 3D-Druck in der Automobilindustrie umgesetzt. Dabei galt es, eine Vielzahl von Anforderungen zu beachten, beispielsweise das Thermomanagement im Blick auf die Elektrifizierung des Antriebsstrangs, die Bauraumoptimierung und die Gewichtsreduzierung. Projektziel war, Lösungen für diese aktuellen Anforderungen aufzuzeigen und dabei gleichzeitig die erforderlichen strukturellen Anforderungen zu erfüllen, was Sicherheit, Leistung und Komfort anbelangt. Eine neu ausgelegte Vorderwagenstruktur eines Youngtimers demonstriert das Potenzial des industriellen 3D-Drucks für die Automobilindustrie. Die 3D-gedruckte Vorderwagenstruktur ist besonders leicht, gleichzeitig sehr stabil und hochgradig funktionsintegriert. Von der Idee bis zum fertig umgebauten Fahrzeug dauerte das Projekt lediglich neun Monate.

Auslegung und Optimierung

csi entwicklungstechnik, ein Engineering-Dienstleister mit Schwerpunkt in der Automobilindustrie, hat das Design, die Berechnung und die Konstruktion der Vorderwagenstruktur übernommen. Der simulationsgetriebene Auslegungsprozess, die Optimierung und die Berechnung des Bauteils führte das Unternehmen mit den Tools der Altair HyperWorks Suite durch – bei csi Standard für die methodische Auslegung und Optimierung. Von großem Vorteil war hierbei Altairs Expertise bei der lastgerechten und materialeffizienten Auslegung von Bauteilen. Mit Softwarewerkzeugen wie RADIOSS für Crash-Analysen und OptiStruct sowie solidThinking Inspire für die Optimierung konnte das organisch anmutende Design der Vorderwagenstruktur erstellt und lastgerecht ausgelegt werden, mit AcuSolve wurden darüber hinaus Untersuchungen für das Fluid- und Thermomanagement durchgeführt.

„Unsere Idee war, die additiven Fertigungsverfahren mit unserer Karosserie-Kompetenz zu verbinden und zu zeigen, wie wir einen kompletten Vorderwagenrahmen konstruieren und berechnen müssen, um viele der Vorteile der additiven Fertigung zu nutzen“, erklärt Stefan Herrmann, Leichtbauingenieur im Team Karosserie bei csi. Um sowohl die Anforderungen an Steifigkeit und Crash-Sicherheit zu erfüllen als auch das volle Potenzial des 3D-Drucks in puncto Gewichtsminimierung auszuschöpfen, erfolgte eine Topologieoptimierung in OptiStruct. Der daraus ermittelte Designvorschlag wurde mittels FE-Analyse abgesichert. Darüber hinaus wurden, insbesondere was ein optimales Wärmemanagement angeht, weitergehende Berechnungen mit dem CFD-Analysewerkzeug AcuSolve (ebenfalls von Altair) durchgeführt. So konnten aktive und passive Abkühlungsnebel direkt in die Struktur integriert und die Anzahl der erforderlichen Bauteile deutlich reduziert werden.

Umsetzung für den 3D-Druck

Die finale Auslegung der Bauteile für den 3D-Druck übernahm APWORKS, die dabei auf Erfahrungen aus dem „Light Rider“-Projekt zurückgreifen konnten, in dem sie den ersten 3D-gedruckten Motorrad-Prototypen ausgelegt und produziert hatten. „Im Vordergrund stand das bionisch inspirierte Design der Struktur, bei der die Dimensionen weit über die heute möglichen Bauräume der Druckmaschinen hinausgehen“, erklärt Sven Lauxmann, Leiter Marketing und Vertrieb bei APWORKS.

Auch in dem neuen Projekt war das Know-how von APWORKS gefragt: Denn trotz großer Freiheiten in der additiven Fertigung müssen auch für den 3D-Druck Fertigungsrandbedingungen berücksichtigt werden, da sie Einfluss auf das anfangs definierte Design haben. Durch die enge Zusammenarbeit und den kontinuierlichen, iterativen Austausch zwischen csi und APWORKS entstand so das finale technisch effiziente Design, das letztlich gedruckt werden konnte.

Einen Vorderwagen drucken

Für den tatsächlichen Bau des Vorderwagens setzte APWORKS auf das System
M 400 von EOS, Anbieter von Anlagen für den industriellen 3D-Druck von Metallen und Kunststoffen. Bei der Materialauswahl arbeitet APWORKS mit dem Metallpulverspezialisten Heraeus zusammen, der die von Airbus entwickelte hochfeste Aluminium-Legierung „Scalmalloy“ produziert. Dieses Projekt bot Heraeus eine hervorragende Möglichkeit zu zeigen, was in der Automobilindustrie mit diesem und ähnlichen Werkstoffen und insgesamt mit dem 3D-Druck möglich ist.

In der additiven Fertigung kommen heute üblicherweise bekannte Materialen zum Einsatz, die für konventionelle Verarbeitungsmethoden wie Gießen und Umformen optimiert wurden. Dass auch hier optimiert werden kann, zeigt dieses Projekt mit Scalmalloy – einem Material, das als Legierungssystem speziell für die additive Fertigung entwickelt wurde. Hier kann der Werkstoff sein Potenzial unter
anderem durch seine hohe Abkühlrate und die schnelle Verfesti­gung entfalten.

Aus vielem mach eines

Das Unternehmen GERG, ebenfalls mit Erfahrungen aus dem Light-Rider-Projekt, übernahm die Konstruktion und Fertigung der Schweißvorrichtung, den Fügeprozess und die mechanische Endbearbeitung. Die für den Vorderwagen 3D-gedruckten Einzelteile wurden wie ein 3D-Puzzle zusammengesteckt und im WIG-Schweißverfahren gefügt. Damit die Anforderungen für diesen komplexen Prozess bereits während der Designphase beachtet werden konnten, haben APWORKS, csi und GERG eng zusammengearbeitet und auch hier die Erfahrungen aus dem Light-Rider-Projekt einfließen lassen.

Im Designprozess wurden die Zugänglichkeit und die Verformungen aufgrund des Wärmeeintrags beim Schweißprozess berücksichtigt. Zudem wurden die Fügestellen bereits mit der entsprechenden Schweißnahtvorbereitung auskonstruiert, so dass die manuellen Schritte auf ein Minimum reduziert werden konnten. Um prozesssichere Verbindungen zwischen den gedruckten Einzelteilen gewährleisten zu können, führten die GERG-Ingenieure im Vorfeld Schweißparameterversuche mit dem Werkstoff Scalmalloy durch.

Initiiert von csi fungiert das 3i-PRINT-Projekt als agile Engineering-Plattform für Forschung und Entwicklung, auf der innovative Prototypenkonzepte präsentiert werden. Das Konzept baut auf dem Einsatz neuer Entwicklungswerkzeuge und -methoden auf. Dabei war es das vorrangige Ziel, das Potenzial moderner Fertigungsverfahren aufzuzeigen und komplett auszuschöpfen.

Neuartige Prototypenkonzepte

„Wir sind stolz darauf, den klassischen
Caddy beispielhaft mit innovativer Vorderwagenstruktur präsentieren zu können. Diese zeigt eindrucksvoll, welches Potenzial der industrielle 3D-Druck mit seinen enormen Möglichkeiten zur Funktionsintegration gerade auch für die Automobilindustrie bietet“, fasst Stefan Herrmann von csi das Projekt zusammen.jbi |

Autor: Mirko Bromberger ist Marketing Director bei Altair Engineering in Böblingen.