Team Octane Racing und EOS optimieren die Motorkühlung des Autos mit AM

COEP Technologische Universität | Erfolgsgeschichte

Gestaltungsfreiheit für komplexe Innengeometrien
Gewährleistet hohe strukturelle Festigkeit
Das integrierte Design verbessert die Wärmeaufnahme

Bei Team Octane Racing glauben wir, dass technische Spitzenleistungen Schicht für Schicht gesintert werden. Mit dem hochmodernen Metall-3D-Druck von EOS haben wir das perfekte Gehäuse für unsere Nabenmotoren entwickelt und damit Indiens ersten FS-Rennwagen mit Nabenmotoren zum Leben erweckt.

Piyush Goyal | Kapitän, Team Octane Racing

Das Team Octane Racing hat ein ehrgeiziges Projekt in Angriff genommen: den Bau des ersten indischen Formula Student-Rennwagens, der mit zwei nabenmontierten Permanentmagnet-Synchronmotoren (PMSM) ausgestattet ist.

Herkömmliche Fertigungsmethoden erwiesen sich als unfähig, das erforderliche komplexe, integrierte Design zu produzieren. Dies veranlasste das Team, die additive Fertigung (AM) von EOS zu untersuchen.

Das Ergebnis war ein bahnbrechendes, leichtes Motorgehäuse mit integrierten, konformen Kühlkanälen, das im DMLS-Verfahren hergestellt wurde und die thermische Belastung erfolgreich bewältigt und eine optimale, dauerhafte Motorleistung ermöglicht.

Der Kunde und das Projekt

Team Octane Racing ist das offizielle Formula Student Team der COEP Technological University, Pune, Indien. Das 2010 gegründete Team kann auf eine lange Geschichte bei der Entwicklung und dem Bau von Rennwagen im F1-Stil für renommierte nationale und internationale Wettbewerbe wie Formula Bharat und Formula Student Germany zurückblicken. Sie haben Erfahrung im Bau mehrerer Rennwagen mit Verbrennungsmotoren und Elektrofahrzeugen.

Ziel des Projekts war die Entwicklung des ersten indischen Formula Student-Rennwagens, der mit zwei Permanentmagnet-Synchronmotoren hoher Leistungsdichte ausgestattet ist, die direkt in die Radnaben eingebaut sind. Ein entscheidender Teil dieses Projekts bestand in der Entwicklung und Herstellung eines neuartigen, maßgeschneiderten Gehäuses für diese Motoren, das ein effektives Kühlsystem beinhaltet.

Diese Motoren mit hoher Leistungsdichte stellten in Verbindung mit den heißen Umgebungsbedingungen eine große Herausforderung für das Wärmemanagement dar. Da sie viel Wärme erzeugen (bis zu 2,2 kW Wärmeableitung erforderlich), war eine effektive Kühlungslösung erforderlich, die den engen Platzverhältnissen in der Radnabe gerecht wird.

Die Herausforderung

Die wichtigste technische Anforderung bestand darin, ein maßgeschneidertes Gehäuse mit effektivem Wärmemanagement für die neuen PMSM-Nabenmotoren mit hoher Leistungsdichte zu entwickeln.

Die Motoren erzeugen erhebliche Wärme, bis zu 2,2 kW pro Motor, die abgeführt werden muss. Unkontrollierte Wärme verringert den Wirkungsgrad und die Leistung des Motors drastisch und kann zum Ausfall von Komponenten führen, z. B. zum Ausfall der Isolierung, zu Lagerfehlern, Wicklungsschäden und zur Entmagnetisierung des Magneten. Daher war eine effektive Kühlung für die Aufrechterhaltung der Spitzenleistung und die Gewährleistung der Langlebigkeit des Motors von größter Bedeutung.

Mehrere konstruktive Beschränkungen erschwerten die Aufgabe. Der Motorhersteller gab eine enge Gehäusehülle vor: 90 mm Innendurchmesser, 120 mm Außendurchmesser und 105 mm Länge. Außerdem war der Platz in der Radbaugruppe extrem begrenzt, so dass kein separater Kühlmantel außerhalb des 120-mm-Gehäusedurchmessers angebracht werden konnte. Dies erforderte die Integration des Motorgehäuses und eines effizienten Kühlsystems, insbesondere eines konformen Kühlmantels, in eine einzige, integrierte Komponente. Das Design musste sowohl die strukturelle Integrität als auch die Wärmeableitungsfähigkeit maximieren.

Herkömmliche Fertigungstechniken wie Zerspanung oder Gießen boten keine ausreichende Gestaltungsfreiheit für die erforderlichen komplexen internen spiralförmigen Kühlkanäle. Die nahtlose Integration von Gehäuse und Kühlmantel war mit diesen Methoden schwierig, wenn nicht gar unmöglich. Das Erreichen der gewünschten Leistungsziele mit herkömmlichen Methoden hätte wahrscheinlich zu einem deutlich schwereren, größeren Bauteil mit schlechter Materialausnutzung (schätzungsweise 25-30 %) geführt.

Die Lösung: EOS Additive Fertigung

Nach umfangreichen Design-Iterationen und Machbarkeitsstudien wurde das DMLS-Verfahren mit einer EOS M 290 als die ideale Fertigungslösung identifiziert. DMLS bot die notwendige Gestaltungsfreiheit für komplexe Innengeometrien, bot ein erhebliches Potenzial zur Gewichtsreduzierung und gewährleistete eine hohe strukturelle Festigkeit. Eine Aluminiumlegierung, insbesondere EOS Aluminium AlF357, wurde aufgrund ihrer günstigen Wärmeleitfähigkeit, ihres Verhältnisses von Festigkeit zu Gewicht, ihrer Korrosionsbeständigkeit und ihrer Bearbeitbarkeit ausgewählt.

Das Team entwarf ein innovatives, integriertes zylindrisches Gehäuse mit internen, spiralförmigen, konformen Kühlkanälen. Dieses integrierte Design maximiert die Kontaktfläche zwischen den Kühlkanälen und den wärmeerzeugenden Motorkomponenten und verbessert so die Wärmeabsorption. Potenzielle Leckagepunkte, wie sie bei mehrteiligen Baugruppen häufig auftreten, wurden so von vornherein vermieden. AM ermöglichte eine präzise Ausrichtung der Flüssigkeitsein- und -auslässe sowie der Befestigungspunkte für eine nahtlose Integration in die komplexe Radbaugruppe. Das endgültige Design führte zu einer äußerst kompakten und vereinfachten Motorbaugruppe.

EOS spielte eine entscheidende Rolle, indem es sein Fachwissen zur Verfügung stellte, um die Druck- und Nachbearbeitungsparameter so zu optimieren, dass die Festigkeit und Duktilität des AlF357-Prozesses die Kneteigenschaften der Aluminiumsorte 6061 gemäß den internationalen Normen übertreffen konnte. Der Kunde konnte Musterteile drucken und gründlich testen, um sicherzustellen, dass die endgültigen Komponenten keine Porosität, eine glatte Oberflächenbeschaffenheit und eine mechanische Festigkeit aufweisen, die mit der Aluminiumqualität AA6061 vergleichbar ist.

Das Überqueren der Ziellinie: Die Ergebnisse

Das AM-Bauteil erreichte eine bemerkenswerte Wärmeableitung. Dank dieser hervorragenden Kühlung blieb die Oberflächentemperatur des Motors unter der kritischen Schwelle von 50 °C, so dass die Motoren mit konstanter Spitzenleistung arbeiten konnten. Das additiv gefertigte Gehäuse wog nur 1,3 kg und halbierte damit das geschätzte Gewicht (mindestens 2,5 kg) eines vergleichbaren traditionell bearbeiteten Bauteils. Darüber hinaus erfüllte das AM-Teil alle strukturellen Festigkeitsanforderungen und übertraf die Eigenschaften von 6061er Knetaluminium (~300 MPa mit einer Duktilität von >10%). Darüber hinaus hat sich EOS Aluminium F357 als starker Konkurrent für den Ersatz von AA6061 in anspruchsvollen Anwendungen erwiesen und bietet nicht nur eine vergleichbare Leistung, sondern auch eine deutlich größere Designfreiheit im Vergleich zu herkömmlichen Fertigungsmethoden.

Abgesehen von den Leistungskennzahlen bot AM deutliche Vorteile bei Design und Herstellung. Es ermöglichte die erfolgreiche Integration des Motorgehäuses und der konformen Kühlkanäle in ein einziges, monolithisches Teil. Das Team erreichte eine hochkomplexe innere und äußere Geometrie, die genau auf die spezifischen Verpackungs- und Leistungsanforderungen des Fahrzeugs zugeschnitten war. Die Materialausnutzung konnte drastisch auf über 95 % verbessert werden - ein krasser Gegensatz zu den geschätzten 25-30 % bei der subtraktiven Fertigung. Letztendlich ermöglichte die EOS AM-Technologie dem Team Octane Racing das Erreichen seines ehrgeizigen Ziels, das erste indische Formula Student-Auto zu bauen, das von zwei Nabenmotoren angetrieben wird.

Die Zukunft

Die Additive Manufacturing Technologie von EOS erwies sich für das Team Octane Racing als unverzichtbar, da sie die entscheidende Lösung zur Bewältigung der komplexen Herausforderungen bei der Designintegration und Herstellung der Kühlung ihrer Hochleistungs-Nabenmotoren lieferte. Der Einsatz von DMLS lieferte greifbare Vorteile: ein vollständig integriertes Gehäuse und Kühlsystem, ein überlegenes Wärmemanagement, das zu einer anhaltenden Spitzenleistung des Motors führt, eine erhebliche Gewichtsreduzierung und die Realisierung eines komplexen Designs, das mit herkömmlichen Mitteln nicht zu erreichen ist. Dieses Projekt verdeutlicht das immense Potenzial von AM für die Entwicklung komplexer, leichter und thermisch effizienter Komponenten in anspruchsvollen Hochleistungs-Automobilanwendungen und darüber hinaus. Insbesondere übertrafen die resultierenden Eigenschaften die des Knetaluminiums 6061 im T6-Zustand, was die Material- und Designvorteile verdeutlicht, die AM erschließen kann.

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