Ceratizit: Werkzeuge additiv fertigen Rennerfolge dank generativer Fertigung

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Ein additiv gefertigtes Kombi-Werkzeug zum Endbearbeiten der Radträger trägt dazu bei, dass das studentische Rennteam der Uni Stuttgart sich immer wieder auf den ersten Rängen bei Auto­mobil­rennen mit elektrisch angetriebenen Fahrzeugen platzieren kann.

Statt Hörsäle und Seminare zu besuchen, entwickelt das Green Team der Universität Stuttgart, bestehend aus bis zu 70 Studenten, innerhalb eines Jahres jeweils einen Sportwagen mit elektrischem Antrieb auf dem aktuellen Stand der Technik. Mit diesen E-Rennwagen messen sich die Studenten unterschiedlicher Hochschulen und Universitäten einmal jährlich bei Automobilrennen, um die besten Konzepte und Konstruktionen zu finden. Von der Entwicklung über den Bau bis hin zur Teilnahme an den Formula-Student-Rennen übernehmen die Studenten sämtliche Arbeitsschritte. Für die Stuttgarter hat sich der Aufwand bereits mehrmals gelohnt. Seit dem Jahr 2009 zählt das Team zu den Top 10 in der Welt. Bereits zweimal überboten die Studenten den ehemaligen Weltrekord für die Beschleunigung von 0 auf 100 km/h. Als jüngsten Erfolg sicherte sich das studentische Team den ersten Platz der Weltrangliste in der laufenden Saison.

Elektrisch zum Siegerpodest

Seit dem Jahr 2016 arbeiten die in jedem Jahr immer wieder neu gebildeten Teams an zwei unterschiedlichen Fahrzeugkonzepten. Es gibt ein konventionelles Auto mit Fahrer und ein fahrerloses Fahrzeug, das dank Sensoren und künstlicher Intelligenz ohne direkten menschlichen Eingriff Rennen bestreitet. Für die Saison 2021 hatte sich das Team einmal mehr vorgenommen, der Konkurrenz davonzufahren. «Wir sind eines der besten Teams, weswegen der Sieg für uns alles bedeutet», erklärt Maximilian Ziegler, der für die Gesamtfahrzeugleitung Mechanik sowie die Entwicklung der Radträger verantwortlich ist. Eine Schlüsselrolle bei diesem Vorhaben kam laut Maximilian Ziegler den aktuell additiv gefertigten Radträgern zu. «Mit ihnen bekommt unser Modell E0711-11 EVO enormes Potenzial, wobei besonders die Verlagerung der Elektromotoren in die Räder die Aerodynamik entscheidend verbessert», erläutert er.

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Komplexe Radträger hochgenau bearbeiten

So fortschrittlich die additiv gefertigten Radträger sind, so komplex ist deren Fertigung. «Daher waren wir für deren Produktion unbedingt auf das Wissen und die Erfahrung aus der Industrie angewiesen», berichtet Maximilian Ziegler. Und so befassten sich die Studenten zunächst damit, gemeinsam mit den Experten für additive Fertigung von Renishaw die Komponenten für den 3D-Druck zu optimieren. Als problematisch erwies sich dann allerdings, an den 3D-gedruckten Bauteilen einige Flächen auf die geforderten Genauigkeiten und Oberflächengüten fertig zu bearbeiten. Ein komplexes Bauteil mit 120 mm Durchmesser, dünnen Wandungen und Tole­ranzen entsprechend Qualität IT6 innen und aus­sen zu bearbeiten, erwies sich für einige Werkzeughersteller als zu schwierig. Nach intensiver Recherche kontaktierte Maximilian Ziegler schliesslich den Werkzeughersteller Ceratizit. Dessen Team Global Project Engineering befasst sich täglich mit komplexen Fertigungsprozessen für Hersteller in der Automotivebranche. Projektmanager Tim Haudeck nahm die Herausforderung an. «Wir sind ständig mit den Grenzen des Möglichen konfrontiert und suchen immer wieder Lösungen, um solche Limits aus dem Weg zu räumen. Beim Projekt des Green Teams der Uni Stuttgart konnten wir unser Know-how für die E-Mobility unter Beweis stellen», berichtet der Projektmanager. Gemeinsam mit den Studenten und den Spezialisten von Renishaw analysierte das Team die Bauteile, das 3D-Druckverfahren und die Nachbearbeitung. Man wollte die Radträger weiter optimieren. Dafür erschien ein Standardwerkzeug als ungeeignet.

U-Achse mit 3D-Druck-Komponenten

Auch an ein Sonderwerkzeug stellte die benötigte Bearbeitung besondere Forderungen. «Um auf einer 5-Achs-Maschine zu fertigen, die Werkzeuge über eine Aufnahme HSK63 aufnimmt, war ein weitgehend gewuchtetes und besonders leichtes Werkzeug erforderlich. Ansonsten wären die geforderten Genauigkeiten nicht einzuhalten. Wo war der Ausweg? Ganz klar in einer additiv gefertigten Lösung», führt Tim Haudeck aus. Um ausreichend genau zu bearbeiten, sollten alle wichtigen Durchmesser und Passungen in einer Aufspannung bearbeitet werden. Hierfür konstruierte das Engineering-Team einen additiv gefertigten Aufsatz mit zwei Aufnahmen für Wendeschneidplatten und einem Schwingungsdämpfer, der auf eine U-Achse montiert wird. Das leichte, FEM-optimierte Design nimmt die bei der Zerspanung auftretenden Kräfte optimal auf. Dank additiver Fertigung wurde sogar eine Kühlung direkt an der Schneide realisiert. Mit diesem Werkzeug liessen sich die unterschiedlichen Aussendurchmesser in einem Ablauf auf die geforderten Genauigkeiten fertig bearbeiten. Wie Maximilian Ziegler erwähnt, habe sich der überdurchschnittliche Aufwand für die Bearbeitung gelohnt. Denn das mit den additiv gefertigten Radträgern ausgerüstete Auto schaffte es in der aktuellen Saison auf das Siegerpodest. - kmu - SMM

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