Sintratec: Generativ fertigen Bauteile für Rennwagen per 3D-Druck

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Studierende der ZHAW (Zürcher Hochschule für Angewandte Wissenschaften) in Winterthur bauen im Rahmen des Wettbewerbs Formula Student einen Elektrorennwagen. Dazu fertigen sie mit 3D-Druck Bauteile aus Kunststoffen auf einer Anlage von Sintratec.

Die Rennen um die Formula Student sind die grössten internationalen Konstruktionswettbewerbe, bei denen Studierende aus aller Welt mit selbst entwickelten Rennwagen in diversen Kategorien gegeneinander antreten. Die Herausforderung liegt darin, sich in dynamischen und statischen Disziplinen wie Engineering, Performance, Finanzen oder Ästhetik gegen andere Hochschulteams durchzusetzen. «Der Wettbewerb ist für mich einzigartig, da man theoretisches Wissen aus dem Studium direkt anwenden und so praktische Erfahrungen an echten technischen Herausforderungen sammeln kann», berichtet Moreno Apicella. Er ist Teamleiter des Teams Zurich UAS Racing. Auch die enge Zusammenarbeit mit Fachleuten aus der Industrie bietet für das Team einen wichtigen Austausch und Einblicke in eine mögliche berufliche Zukunft.

Vielfältige Fertigungstechnologien

In der Werkstatt der Fachhochschule stehen die Rennwagen der letzten beiden Jahre und die diesjährige Variante, die noch aus einem Gitterrohrrahmen mit Radträgern besteht. Bis zum Rollout im Mai haben die Studierenden noch Zeit, das Auto fertigzustellen, bevor dann im Juli die Events beginnen. Auch wegen des engen Zeitplans und Budgets setzen Apicella und seine Kommilitonen bei der Realisierung ihres Fahrzeugs auf additive Fertigungstechnologien. «Der 3D-Druck ist für unser Team entscheidend, da er die schnelle Erstellung von Prototypen und die individuelle Anpassung komplexer Teile mit hoher Präzision ermöglicht», erklärt der Maschinenbaustudent Moreno Apicella. Gerade die Konstruktionsfreiheit sei für die Optimierung des Elektroautos unerlässlich.

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Generativ schneller zum Bauteil

Das Team nutzt unterschiedliche 3D-Druck-Verfahren, beispielsweise Fused Deposition Modeling (FDM) für die Laminierformen des Aerodynamikpakets. Für Bauteile, die direkt im Fahrzeug eingebaut werden, benötigt es jedoch leistungsfähigere Technologien: «Unsere Anforderungen an 3D-gedruckte Rennwagenteile sind ein gutes Verhältnis von Eigengewicht zu Festigkeit und hervorragende mechanische Eigenschaften, zum Beispiel wasserdichte Komponenten», erläutert Moreno Apicella. Hier kommt FDM rasch an seine Grenzen. Deshalb nutzen die Studierenden Selektives Lasersintern (SLS). Im Rahmen eines Sponsorings wurden so unterschiedliche Bauteile von Sintratec, einem Schweizer Hersteller von 3D-Druckern, gefertigt.

Ergonomie integriert

Ein konkretes Beispiel für den Einsatz von SLS ist das Lenkrad. Hier war von Anfang an klar, dass man additive Technologien nutzen würde. «Wir haben einen Handabdruck unseres Fahrers erstellt und diesen dreidimensional gescannt», beschreibt Moreno Apicella und ergänzt: «Basierend darauf konnten wir das Lenkrad ergonomisch gestalten und so perfekt an die Hände anpassen.» Nach Fertigstellung des CAD-Modells wurde das Bauteil auf einer 3D-Druckanlage Sintratec S3 aus robustem Kunststoff PA12 (Nylon) gedruckt und anschliessend mit integrierter Elektronik im Rennwagen eingebaut. Da es sich um ein individuell erstelltes Einzelstück handelt, wäre eine traditionelle Fertigung nicht nur wesentlich kostenintensiver, sondern auch nicht in gleichem Umfang individualisierbar gewesen.

Per spanenden Verfahren nicht herstellbar

Als ein weiteres Bauteil des Rennwagens haben die Studierenden einen Kühlmantel für den Elektro­antrieb im Verfahren 3D-Druck verwirklicht. Diese wichtige Komponente des Antriebsstrangs leitet die Kühlflüssigkeit zu den vier Motoren, um dort die Temperatur zu regulieren. Hier konnte das Team die Designfreiheit des 3D-Drucks voll ausnutzen: «Wir haben eine sehr komplexe Struktur in unseren Kühlmantel integriert, vor allem auf der Innenseite», erklärt Moreno Apicella. «Diese Geometrie ist mit spanenden Verfahren praktisch nicht herstellbar, weshalb wir uns für SLS entschieden haben.» Da laut Reglement der Formula Student keine Flüssigkeit am Auto austreten darf, sind auch die wasserdichten Eigenschaften des Kunststoffs PA12 bei dieser Anwendung entscheidend.

Potential für die Automobilindustrie

Fortschrittliche Fertigungstechnologien wie das selektive Lasersintern sind bereits heute fester Bestandteil in der modernen Fahrzeugentwicklung und -produktion. Der Mehrwert liegt daher auch für das Team an der Zürcher Hochschule auf der Hand. «Den Hauptvorteil von SLS für die Automobilindus­trie sowie für unser Projekt sehe ich in der hohen Designflexibilität und der Geschwindigkeit», betont Moreno Apicella. «Das macht die Technologie zu einer guten Wahl für die Herstellung von Strukturkomponenten, kundenspezifischen Vorrichtungen und Ersatzteilen, die letztendlich zu einer verbesserten Leistung und Effizienz beitragen.» In Winterthur ist man deshalb zuversichtlich, dass sich die im Laser-Sinterverfahren hergestellten Bauteile auch im Härtetest auf der Rennstrecke bewähren werden.

Schweizer Kooperation erfolgreich

Sintratec hat in der Vergangenheit bereits Projekte der Formula Student mit 3D-gedruckten Rennwagenteilen unterstützt, bisher allerdings noch keine aus der Schweiz. Im Falle des Teams Zurich UAS Racing war die Kooperation aufgrund der geografischen Nähe umso naheliegender und unkomplizierter. «Die Zusammenarbeit mit Sintratec war sehr zufriedenstellend», resümiert Moreno Apicella. «Wir hatten eine ausgezeichnete technische Unterstützung und erhielten mit SLS ein effektives Herstellungsverfahren mit dem idealen Werkstoff für unsere Anforderungen.» Für den Studenten ist klar, dass diese 3D-Druck-Technologie auch in zukünftigen Projekten für eine Vielzahl von Anwendungen zum Einsatz kommen wird.

(kmu)

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