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Case Study: Leistungsverbesserungen durch 3D-gedruckte Wärmetauscher

Mit additiver Fertigungstechnologie konnte das Formula Student Racing Team E-Stall der Hochschule Esslingen erfolgreich die Kühlung des elektrischen Antriebsstrangs und der Leistungselektronik ihres Rennwagens verbessern. Mit höchster Genauigkeit auf dem EP-M260 von EPlus3D gedruckt, können die aus Aluminium gefertigten Teile die erzeugte Wärme leicht ableiten und somit die Leistung des Rennwagens verbessern.

Das Rennteam E-Stall der Hochschule Esslingen konstruiert und baut einen Elektro-Rennwagen für den Wettbewerb Formula Student. Zusammen mit EPlus3D konnten drei Komponenten verbessert werden, von denen zwei Wärmetauscher sind.

Der Formular Germany Wettbewerb

In Formula Student baut ein Studententeam einen einsitzigen Formel-Rennwagen, mit dem es gegen andere Teams aus der ganzen Welt antritt. Den Wettbewerb gewinnt nicht allein das Team mit dem schnellsten Auto, sondern das Team mit dem besten Gesamtpaket aus Design, Performance sowie Finanz- und Absatzplanung.

Die Formula Student fordert die Teammitglieder heraus, während ihres Studiums einen Schritt weiter zu gehen, indem sie intensive Erfahrungen in Konstruktion und Fertigung sammeln sowie die wirtschaftlichen Aspekte der Automobilindustrie in ihr Projekt mit einfließen lassen. Die Teams simulieren, dass sie ein Hersteller sind, der einen Prototyp entwickelt, der für die Produktion evaluiert werden soll. Die Zielgruppe ist der nicht-professionelle Wochenendrennfahrerr. Der Rennwagen muss sehr gute Fahreigenschaften wie Beschleunigung, Verzögerung und Handling aufweisen. Er sollte zu einem sehr vernünftigen Preis angeboten werden und zuverlässig zu fahren sein. Darüber hinaus erhöht sich die Wertung des Fahrzeugs durch andere Faktoren wie Ästhetik, Komfort und die Verwendung von leicht verfügbaren, serienmäßigen Kaufkomponenten.

Die Herausforderung für die Teams besteht darin, ein Gesamtpaket bestehend aus einem gut konstruierten Rennwagen und einem Verkaufsplan zusammenzustellen, der diesen gegebenen Kriterien am besten entspricht. Die Entscheidung trifft eine Jury aus Experten aus der Motorsport-, Automobil- und Zulieferindustrie. Die Jury bewertet die Fahrzeug- und Verkaufspläne jedes Teams anhand von Konstruktion, Kostenplanung und Verkaufspräsentation. Der Rest der Wertung findet auf der Strecke statt, wo die Studenten in einer Reihe von Leistungstests zeigen, wie gut sich ihre selbstgebauten Rennwagen in realer Umgebung schlagen.

Die Anwendung

E-Stall ist seit vielen Jahren fester Bestandteil und bewährtes Mitglied der Formula Student. Basierend auf den Erkenntnissen der vergangenen Rennsaisons wollten sie das Kühlsystem ihres Elektro-Rennwagens in Sachen Zuverlässigkeit verbessern. Der bisherige Kühlmantel des E-Stall-Teams bestand aus einem zweiteiligen temperaturbeständigen Polymer, das direkt um den Elektroantrieb angebracht wurde. Der Kühlmantel hat die Aufgabe, die Temperatur des Antriebs zu regulieren und eine Überhitzung zu vermeiden. Ohne ausreichende Kühlung ist die Gefahr von Schäden im Motor recht hoch. Während der Saison mit dem Polymer-Kühlmantel zeigte sich, dass eine Zweikomponentenlösung leckageanfällig und damit problembehaftet ist.

In einem elektrischen Allrad-Rennwagen müssen die leistungsstarken Elektromotoren gekühlt werden. Da diese Motoren eine hohe Leistungsdichte von 10kW/kg haben, würden sie ohne Kühlung unter Volllast überhitzen. Es gibt zwei Kühlkreisläufe, einen für jede Seite. Alle vier Motoren werden gekühlt, ebenso wie die entsprechenden Umrichter.

Durch den Einsatz der Design-for-Additive-Manufacturing-Expertise von EPlus3D und ihrer neuesten Metall Laserschmelzanlage EP-M260 Dual-Laser konnte das Leckageproblem der Kühlkomponenten gelöst und die Leistung deutlich gesteigert werden.

Dank der Vielseitigkeit der Technologie des Metall-3D-Drucks konnte das E-Stall-Team neue Formen testen, welche mit herkömmlichen Methoden bisher nicht herstellbar waren. Gleichzeitig kann durch die die hohe Wärmeleitfähigkeit des Aluminiummaterials die gesamte Oberfläche des Kühlmantels zur Wärmeabfuhr genutzt werden.

„Der 3D-gedruckte Kühlmantel wird ein effizientes und zuverlässiges Produkt sein. Wir konnten komplexe Strukturen schaffen, die auf konventionelle Weise undenkbar sind. Mit Hilfe von EPlus3D und deren neuester additiver Fertigungstechnologien konnten wir aufgrund der hohen Genauigkeit des 3D-Druckers die Wandstärke und damit ebenfalls die Gesamtgröße der Teile reduzieren.“

Neben dem Kühlmantel unterstützte Eplus 3D E-Stall mit einer Kühlplatte für ihre Wechselrichter und einer Lenkungskomponente. Beide haben die Funktionen mehrere vorangegangenen Komponenten integriert, was in einer Leistungssteigerung und allgemeinem Leichtbau resultiert.

Leistungsverbesserungen

Durch die Funktionsintegration von Kühlsystem, Steckern und Befestigungen werden Montageschritte eingespart und das nun ausfallsichere Design ist nicht mehr leckageanfällig. Die minimale Wandstärke des Teils trägt dazu bei, den Gesamtdurchmesser zu reduzieren und damit mehr Platz für andere Fahrwerkskomponenten zu schaffen, die um den Elektromotor herum angeordnet sind.

Die hohe Qualität der Drucke ist entscheidend für deren Funktion. Ein gut sitzender, eingepresster Kühlmantel war ebenso wichtig wie die Geradheit der Kühlplatte für die Wechselrichter. Beide Teile konnten ihre Funktionen gut erfüllen und hielten die Motoren und Umrichter unter 65 °C, was laut dem Team ein „unglaublich gutes Ergebnis“ ist. Im Vergleich zur letzten Saison, in der die Motoren regelmäßig 120 °C erreichten, zeigt sich der Vorteil des Herstellungsprozesses von EPlus3D, der die Integration des Designs ermöglicht, deutlich.

Das Design des Kühlmantels ermöglichte eine simulierte Kühlleistung von 3,8kW. Durch die niedrige Temperatur der Komponenten können sie effizienter arbeiten, was zu einer größeren Reichweite des Gesamtfahrzeugs sowie einer verbesserten Beschleunigung führt.

Fazit

Aufgrund des großartigen Engineerings von Komponenten und Gesamtteilen und des Engagements des gesamten E-Stall-Teams haben sie den 4. Platz bei den Engineering-Design-Wettbewerben in FS Czech und FS Alpe Adria erreicht. „Diese Disziplin ist die wichtigste aller statischen Disziplinen und bewertet das technische Wissen des Teams und die Prozesse, mit denen das Auto konstruiert wird“, so Felix Wenzelburger, Teilprojektleitung Antrieb E &Fahrdynamik.

In Kroatien absolvierten sie das Endurance Event und belegten den ersten Platz in der Kategorie Efficiency. Das Endurance Event testet die Zuverlässigkeit des Autos und jeder Komponente. Außerdem werden für diese Disziplin die meisten Punkte vergeben. Aus diesem Grund ist ein erfolgreiches Endurance Event das Hauptziel eines jeden Formula Student Teams und damit ein großer Meilenstein für sie. Diese Dauerveranstaltung zeigt die hohe Zuverlässigkeit und Funktionalität von Wärmetauschern, die in der metallischen additiven Fertigung hergestellt werden. In Zukunft werden wir eine steigende Nachfrage nach solchen Anwendungen in Bereichen sehen, in denen Leichtbau und Leistung entscheidend sind.

Die Case Study basiert auf einer Pressemitteilung von EPlus3D.

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David ist Redakteur bei 3Druck.com.