Eine Publikation der Swissprofessionalmedia AG
Ausgabe 09/2016, 09.09.2016

3D-Druck «verknotet» Autofahrwerke

Die additive Fertigung könnte in absehbarer Zeit im Automobilbau neue Wege bieten, um anpassungsfähige Karosseriekonzepte wirtschaftlich zu fertigen. Solche sind angesichts einer zunehmenden Anzahl von Antriebskonzepten gefordert. Den Schlüssel dazu bieten additiv herzustellende, funktionsintegrierte, bionisch optimierte Fahrzeugleichtbaustrukturteile, wie sie in einer Kooperation von Edag mit Concept Laser entstanden sind.

(msc) Automobilhersteller sind gefordert, eine zunehmende Anzahl an Antriebskonzepten und Energiespeichersystemen in Fahrzeugstrukturen zu integrieren. Die Karosserien von Morgen müssen im Hinblick auf alternative Antriebssysteme in variantenintensiven Kleinserien nicht nur leichter, sondern vor allem hochflexibel konzipiert werden. Die Folge ist eine steigende Anzahl an Fahrzeugderivaten, die nach anpassungsfähigen und wirtschaftlich zu fertigenden Karosseriekonzepten verlangen.

Hier bietet die additive Fertigung neue Wege. Das zeigt das Concept Car «Light Cocoon», ein kompakter Sportwagen mit einer bionisch gestalteten und teilweise additiv hergestellten Fahrzeugstruktur, die mit einer wetterbeständigen Textilaussenhaut überzogen ist.

Der Light Cocoon soll bestehende Denkmuster in der Fahrzeugkonzeption aufbrechen. Entwickelt wurde er in einem Gemeinschaftsprojekt von der Edag Engineering GmbH aus Wiesbaden, dem Laser Zentrum Nord GmbH aus Hamburg und der BLM Group aus dem italienischen Cantù. Beteiligt ist auch die Concept Laser GmbH aus Lichtenfels, auf deren Anlagen die topologieoptimierten Knoten des «NextGen» Fachwerkrahmens additiv gefertigt wurden.

Dank dieser Fertigungsweise können die 3D-Knoten multifunktional gestaltet werden, was es ermöglicht, unterschiedliche Fahrzeugvarianten ohne zusätzliche Werkzeug-, Betriebsmittel- und Anlaufkosten «On demand» und vor Ort für die jeweilige Variante zu produzieren. Die Anzahl und Form von integrierten Versteifungen in den Knoten erlaubt es, sie an jede Laststufe anzupassen. So kann jede Rahmenvariante gewichts- und funktionsoptimal für das jeweilige Fahrzeugmodell ausgeführt werden.

Dies gilt auch für die Profile aus Stahl, mit denen die Knoten verbunden werden. Sie werden mit unterschiedlichen Wandstärken und Geometrien ebenfalls einfach an die vorgegebenen Laststufen angepasst. Vor der Montage werden sie zunächst durch 3D-Biegen und anschliessend durch 2D- und 3D-Laserschneidverfahren in die gewünschte Form und Länge gebracht. Dann werden sie in die Karosserieknoten gesteckt, wobei sie automatisch durch den Knoten ausgerichtet und fixiert werden. Anschliessend werden die Bauteile im Laserschweissverfahren mittels Kehlnaht am Überlappstoss geschweisst. Geometrische Grundlage ist die komplett umlaufende Einschuhung der Profile.

Die Hybridbauweise überbrückt mit den Profilen die geforderten Distanzen der Struktur, während die Knoten zur Verbindung der Profile dienen. Beide Elemente werden zuvor im CAE/CAD optimiert und gewährleisten die Erfüllung der geforderten Anforderungen der jeweiligen Karosseriestruktur.

Das Konzept bietet hinsichtlich der Kostenstruktur der Fertigung und einer möglichen Zeiteinsparung hohe Potenziale.

Die additive Fertigung der Spaceframe-Knoten

Ermöglicht wird das Konzept erst durch den Laseraufschmelzprozess (Selective Laser Melting, SLM), der die Produktion von komplexen geometrischen Bauteilen ohne Werkzeug und damit die Herstellung der unterschiedlichen Formen der 3D-Knoten erlaubt. Diese wären in konventioneller Herstellung unmöglich wirtschaftlich zu fertigen.

Um einen fehlerfreien Aufbau im SLM-Vorgang sicherstellen zu können, muss an Flächen mit einem Winkel kleiner 45° zur Bauplattform eine Supportstruktur vorgesehen werden. Neben einer reinen Stützfunktion nimmt der Support vor allem Eigenspannungen auf und verhindert einen Verzug der Bauteile. Aufgrund der komplexen Knotengeometrie ist eine saubere Supportaufbereitung die Grundlage einer erfolgreichen Produktion. Danach wird der 3D-Datensatz des Bauteils in einzelne Schichten geschnitten.

Nach dem Datentransfer auf die «X line 1000R»-Anlage von Concept Laser, deren Bauraum 630 × 400 × 500 mm misst, werden die entsprechenden Prozessparameter zugewiesen und der Bauprozess wird gestartet.

Der Grundgedanke des NextGen-Spaceframes, die lastpfadoptimierte Spaceframe-Struktur, vereint die Vorteile des 3D-Drucks, wie Flexibilität und Leichtbaupotenzial, mit der Wirtschaftlichkeit bewährter konventioneller Profilbauweisen. Die topologieoptimierten Knoten ermöglichen einen maximalen Leichtbau und einen hohen Grad an Funktionsintegration.

Zudem können sowohl Knoten als auch Profile ohne Zusatzaufwand an neue Geometrien und Lastanforderungen angepasst werden. So kann jedes einzelne Teil laststufengerecht ausgelegt werden, anstatt dass – wie bisher – die Dimensionierung der Bauteile an der grössten Motorisierung beziehungsweise Laststufe ausgerichtet werden muss.


Concept Laser: Neutec AG
6405 Immensee, Tel. 041 854 45 00
info@neutec-ag.ch



Das Concept Car «Light Cocoon»: eine Aussenhaut aus wetterbeständigem Textil mit variablem Lichtdesign überzieht die bionisch optimierte Fahrzeugstruktur. (Bilder: Edag)


Der NextGen-Spaceframe basiert auf einem Laststufenkonzept mit punktgenau in der CAE ausgelegten Karosserievarianten und massgeschneiderten, generativ gefertigten Knotenstrukturen.