Mit 3D-gedruckten Rennwagenteilen zum Erfolg

Schweizer Studierende der ZHAW bauen im Rahmen des Formula Student Wettbewerbs ein elektrisches Rennauto. Zum Erfolgsrezept des Teams gehören auch 3D-gedruckte Rennwagenteile, die von Sintratec im selektiven Lasersinterverfahren hergestellt werden.

Schweizer Team gibt Vollgas

An der Zürcher Hochschule für Angewandte Wissenschaften ZHAW in Winterthur empfängt uns Moreno Apicella und führt uns in eine Werkstatt. Der Maschinenbaustudent ist neben seinem Masterstudium als Teamleiter von Zurich UAS Racing tätig. Das Ziel des Projekts: innerhalb eines Jahres einen elektrischen Rennwagen zu konstruieren und sich damit für mindestens drei Formula Student Events in Europa zu qualifizieren. Dabei kann der angehende Ingenieur auf ein breites Spektrum an Fachwissen zurückgreifen: «Wir haben derzeit rund 65 Mitglieder – mehrheitlich aus dem technischen Bereich, aber auch aus betriebs- und wirtschaftswissenschaftlichen Studienrichtungen», so Apicella. Als junges Team möchte man 2024 bei der vierten Teilnahme die Ergebnisse der letzten Jahre übertreffen.

Moreno Apicella ist der Teamleiter des Zurich UAS Racing Teams und für die Fahrzeugentwicklung verantwortlich.

Innerhalb eines Jahres entwickeln rund 65 Studierende der ZHAW ein elektrisches Rennauto.

Praxiserfahrung auf der Rennstrecke

Die Formula Student Events 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 die anderen 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», betont Apicella. Auch die enge Zusammenarbeit mit Fachleuten aus der Industrie bietet für das Team einen wichtigen Austausch und Einblick in eine mögliche berufliche Zukunft.

Vielfältige Fertigungstechnologien

In der Werkstatt der Fachhochschule stehen die Rennwagen der letzten beiden Jahre und das diesjährige Modell, das 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. Gerade die Konstruktionsfreiheit sei für die Optimierung des Elektroautos unerlässlich.

Auf der Grundlage des Vorgängermodells baut das UAS Racing Team seinen Rennwagen für 2024.

Bauteile aus dem 3D-Drucker

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

Mit dem Sintratec S3 Drucker wurden diverse Bauteile im SLS-Verfahren aus PA12-Material gefertigt.

Basierend auf einem Handscan des Fahrers wurde das Lenkrad ergonomisch designt und 3D-gedruckt.

Ein ergonomisches Lenkrad

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 3D-gescannt», beschreibt Apicella. «Basierend darauf konnten wir das Lenkrad ergonomisch designen und so perfekt an die Hände anpassen.» Nach Fertigstellung des CAD-Modells wurde das Teil auf der Sintratec S3 mit robustem PA12-Nylon 3D-gedruckt und anschliessend im Wagen mit der Elektronik verbaut. Da es sich um ein massgeschneidertes Einzelstück handelt, wäre eine traditionelle Fertigung nicht nur wesentlich teurer, sondern auch nicht in gleichem Umfang individualisierbar gewesen.

Wasserdichte Kühlmäntel

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

Der PA12-Kühlmantel wird zusammengebaut und im Fahrzeug installiert.

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 UAS Racing Team auf der Hand. «Den Hauptvorteil von SLS für die Automobilindustrie sowie für unser Projekt sehe ich in der hohen Designflexibilität und der Geschwindigkeit», betont 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 SLS-Bauteile auch im Härtetest auf der Rennstrecke bewähren werden.

Dank additiver Verfahren wie SLS können Automobilteile freier gestaltet und schneller produziert werden.

Hohe Genauigkeit und Robustheit vereint: SLS eignet sich für eine Vielzahl von industriellen Anwendungen.

Erfolgreiche Schweizer Kooperation

Sintratec hat in der Vergangenheit bereits Formula Student Projekte mit 3D-gedruckten Rennwagenteilen unterstützt, bisher allerdings noch keine aus der Schweiz. Im Falle des Zurich UAS Racing Teams 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.