Industrieller 3D-Druck entscheidet über Erfolge in der Formula Student

Von 0 auf 100 km/h in nur 2,3 Sekunden – solche Beschleunigungen kennt man üblicherweise nur aus der Formel 1. Doch handelt es sich hier um einen Elektro-Rennwagen, mit dem ein Team der Universität Stuttgart zur kommenden Saison in der Formula Student antreten wird. Der nun in der fünften Generation vorgestellte Elektro-Bolide des „GreenTeams“ wurde von Studierenden aus den Fachbereichen Maschinenbau, Fahrzeug- und Motorentechnik sowie Elektrotechnik selbst konstruiert und aufgebaut.

Mit weltweit über 110 Teams mit elektrischen Antrieben und über 600 Teams mit Verbrennungsmotoren hat sich die Anfang der 1980er Jahre initiierte Formula Student zu einer ernstzunehmenden internationalen Disziplin entwickelt. Nennleistungen von bis zu 100 kW und Geschwindigkeiten bis zu 130 km/h verlangen bei dieser studentischen Variante der Formel 1 höchste Ingenieurleistungen.

Das GreenTeam ist eine studentische Gruppe der Universität Stuttgart und formierte sich 2009 zum Bau eines elektrisch angetriebenen Rennwagens zur Formula Student. Bereits im Folgejahr 2010 konnte das GreenTeam bei den Wettbewerben in Hockenheim und Italien internationale Siege verzeichnen, ebenso im letzten Jahr Siege in Italien und China. Auf Ihrer Sponsorenliste tummeln sich mittlerweile namhafte Unternehmen der Automobilindustrie. Mit jährlich vollständig neu aufgebauten Fahrzeugen wurde im Mai 2014 die fünfte Fahrzeuggeneration für die kommende Saison vorgestellt.

Neben Motorleistung oder Traktionssteuerung trägt letztlich auch das Fahrzeuggewicht erheblich zur Rennperformance bei. Der mit vier unabhängig ansteuerbaren Elektromotoren ausgestattete Einsitzer des GreenTeams ist mit 178 kg ein Leichtgewicht. Möglich wurde dies neben dem Einsatz von Kompositmaterialien bei der Karosserie durch intelligenten Leichtbau im Bereich des Fahrwerks. „Gerade bei solchen funktionalen Metallbauteilen ist der Leichtbau nicht ganz so einfach.“, erklärt Benedikt Bauersachs, Gesamtfahrzeugleiter Mechanik des GreenTeams, „denn auf der Rennstrecke sind diese Bauteile hohen Belastungen und Kräften ausgesetzt, was folglich gründliche FEM-gestützte Berechnungen und Simulationen notwendig macht“.

Beim GreenTeam entschied man sich zunächst, bei den Aluminium-Radträgern anzusetzen. Schnell wurde klar, dass nur die Kombination aus einer kräfteoptimierten und materialreduzierten Konstruktion und eines sehr zugfesten und leichten Materials wie Titan das Gewicht des Radträgers weiter reduzieren konnte. Während das GreenTeam an der Konstruktion entwickelte, suchte man zunächst vergeblich nach einem Sponsor, der die Radträger nach einer solchen Optimierung fertigen konnte. Denn durch die Gewichts- und Kräfteoptimierung entstehen Bauteilmerkmale (z.B. Hohlräume), die kaum mit konventionellen Werkzeugen realisierbar sind. Zudem lässt sich Titan nur sehr schwer zerspanen.

Das britische Technologieunternehmen und neuer Premiumsponsor des GreenTeams Renishaw erfüllte mit seinem generativen Fertigungssystem auf Metallpulverbasis genau diese Anforderungen. Hierbei wurde der bisherige Alu-Radträger durch eine „3D-gedruckte“ Version aus einer industriellen Titanlegierung, kurz Ti64 genannt, ersetzt. „Diese Titanlegierung hat sich wegen ihrer hohen Zugfestigkeit und der hohen relativen Dichte bereits in der Luft- und Raumfahrt bewährt.“, bestätigt Jan-Peter Derrer, Sales Manager Renishaw GmbH. Der „3D-Druck“ oder das Schichtaufbauverfahren erlaubt zwar nahezu jede Geometrie, aber die Konstruktion muss üblicherweise an den Fertigungsprozess angepasst werden. „Da wir die vom studentischen Team optimierte Konstruktion des Radträgers unverändert übernehmen und fertigen wollten, haben wir dazu die neuesten Fertigungsstrategien angewendet.“, fügt Derrer hinzu. Benedikt Bauersachs vom GreenTeam ist mehr als zufrieden: „Im Vergleich zu den bisherigen Alu-Radträgern konnten wir insgesamt 1,5 kg am Fahrzeug einsparen und werden nun mit unserem bisher leichtesten Fahrzeug ins Rennen gehen.“ Bleibt nur noch die Rennen zu gewinnen, welche in der kommenden Saison in Deutschland, Italien und Spanien stattfinden werden.

Formula Student
Die Formula Student ist ein international ausgetragener, studentischer Konstruktionswettbewerb, der 1981 von der „Society of Automotive Engineers“ (SAE) in den USA ins Leben gerufen wurde und seit 1998 in Europa ausgetragen wird. Die internationalen Wettbewerbe finden in loser Reihenfolge auf Rennstrecken in Europa, den USA und in Asien statt. Jedes Team entscheidet individuell, an welchen Wettbewerben es teilnehmen möchte. Der bekannteste Wettbewerb ist die Formula Student Germany in Hockenheim, denn hier treten die erfolgreichsten Teams aus allen Nationen der Welt gegeneinander an.
Bei der Formula Student werden neben der Performance auf der Rennstrecke auch die Ingenieursleistung der Studenten, die Kosten des Autos und eine Marketingstrategie für das Rennfahrzeug vor einem fiktiven Investor bewertet. (Quelle: GreenTeam Stuttgart)

Renishaw
Renishaw ist ein weltweit tätiges Technologieunternehmen mit Kernkompetenzen in den Bereichen Messtechnik, Motion Control, Spektroskopie, Präzisionsbearbeitung und generativer Fertigung. Seit der Gründung im Jahre 1973 setzt das Unternehmen kontinuierlich neue Standards zur Steigerung der Produktivität und Fertigungsqualität bei seinen Kunden. Mit mehr als 70 Standorten in 32 Ländern und über 3.400 Mitarbeitern bietet Renishaw weltweit professionelle Beratung und umfassenden Service vor Ort.

(c) Picture & Link: Renishaw / GreenTeam Stuttgart