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Automobil: Formula Student – Batteriebehälter mit integrierten Kabel- und Kühlkanälen mit industriellem 3D Druckverfahren gefertigt

40% Gewichtsreduzierung bei der additiven Fertigung von Batteriebehältner aus PA12 Material  mit EOS Kunststoff-Laser-Sinter System

Internationale Zusammenarbeit: Das Elektrofahrzeug des Teams Global Formula Racing ist das erste und bisher einzige, welches von Studenten einer deutschen und amerikanischen Universität konstruiert und gefertigt wurde (Quelle: Global Formula Racing).
Internationale Zusammenarbeit: Das Elektrofahrzeug des Teams Global Formula Racing ist das erste und bisher einzige, welches von Studenten einer deutschen und amerikanischen Universität konstruiert und gefertigt wurde (Quelle: Global Formula Racing).

„Wenn das Rennen um drei beginnt, musst du um drei bereit sein. Sie werden nicht warten“, sagte einst der legendäre Ferry Porsche. Ein Satz, den sich auch das Team Global Formula Racing beim Bau seines Elektrofahrzeugs für die Formula Student – eine Rennserie für Hochschulen und Nachwuchsingenieure – zu Herzen genommen hat. Global Formula Racing ist das erste und bisher einzige Formula Student Team, das von Studenten von zwei verschiedenen internationalen Universitäten gegründet wurde: der Oregon State University und der Dualen Hochschule Baden-Württemberg (DHBW-R) in Ravensburg. Das internationale Team nutzte die EOS-Technologie zur Konstruktion und Fertigung eines sicheren und extrem kompakten Behälters für das erforderliche Batteriepack seines Rennwagens.

Herausforderung

Die Formula Student entstand in den USA als internationaler Konstruktionswettbewerb für Hochschulen. Studenten sollte die Möglichkeit gegeben werden, einen Formelrennwagen bis zum Renneinsatz zu entwickeln und auf internationalen Wettbewerben gegeneinander antreten zu lassen. Die Serie fährt in mittlerweile zwei Klassen, eine für Verbrennungsmotoren, eine für Fahrzeuge mit Elektroantrieb. Dabei reicht es nicht, ein schnelles Auto zu bauen: Die Teilnehmer müssen auch Kosten- und Sicherheitsaspekte beachten und zahlreiche weitere Voraussetzungen in einem nachvollziehbaren und transparenten Plan darlegen.
 
Auf der Rennstrecke selbst zählen unter anderem die Beschleunigung, die Zeit auf dem Rundkurs und die Kraftstoffeffizienz als Erfolgsfaktoren für den Gesamtsieg – Faktoren, die einen hohen Anspruch an die verwendeten Technologien darstellen. Das Team Global Formula Racing hatte sich zum Ziel gesetzt, insbesondere die Herausforderungen der vergangenen Saison unter die Lupe zu nehmen und dort gezielt nach Optimierungsmöglichkeiten zu forschen. Wie bei allen Kraftfahrzeugen mit Elektroantrieb kam dabei der Batterie – eigentlich dem Akkumulator – ein besonderes Augenmerk zu.

An erster Stelle steht natürlich grundsätzlich die Sicherheit. Darüber hinaus zählen jedoch weitere Faktoren: So muss das Gewicht der Gesamtkonstruktion und damit aller Einzelteile möglichst niedrig sein, und damit zusammenhängend muss auch die Größe der Teile sprichwörtlich im Rahmen bleiben. „2011 hat uns hierbei vor allem der Batteriebehälter Kopfzerbrechen bereitet. Das System der Vorsaison bestand noch aus einem lose zusammengesetzten Batterieverbund, der nur mit viel Mühe in zwei Container passte. Die Container waren recht groß und schwer. Auch die Wärmeableitung war nicht optimal. Außerdem gestaltete sich die Verkabelung der einzelnen Batterie-Stacks recht komplex“, erklärt Salvatore Decker von Global Formula Racing.

Lösung

Nachdem die Ingenieure mit Hilfe von EOS auf das generative Fertigungsverfahren zugreifen konnten, eröffneten sich völlig neue Gestaltungsräume für den Bau des gesamten Energiespeichers. So planten die Konstrukteure des Rennteams von Anfang an mit einem optimierten Gesamtsystem. Wegen der gestalterischen Freiräume des Trägerbehälters konnten sie das gesamte Akkupaket kompakter arrangieren. Der eigentliche Gestaltungsprozess zeigte sich dabei dank der CAD-Konstruktion sehr einfach für das Team – die üblichen Vorgehensweisen bis zur Fertigung konnten weiter genutzt werden.
„Nachwuchsingenieure sind in Zeiten des Fachkräftemangels wichtiger für den Standort Deutschland als je zuvor. Aus diesem Grund unterstützen wir auch die Formula Student: Junge Techniker können hier experimentieren und völlig neue Wege gehen. Dazu passt unsere Technologie natürlich perfekt“, erklärt Nikolai Zaepernick, Business Development Manager Automotive bei EOS. „Laser-Sintern eröffnet Konstrukteuren komplett neue Möglichkeiten beim Design und Bau ihrer Werkstücke. Additive Fertigungsverfahren erlauben es Ingenieuren, völlig neue Designs zu erarbeiten und innerhalb von wenigen Stunden herzustellen.“
 
Im konkreten Fall nutzte das Team von Salvatore Decker die EOS-Technologie mit einem Kunststoffgranulat, genannt PA12. Nachdem das Rennteam die zuvor erstellten CAD-Daten auf die Maschine übertragen hatte, begann Schicht für Schicht die Fertigung. Für die Erstellung der CAD-Vorlage konnten die Ingenieure auf ihre gewohnten Standard-Programme zugreifen. Das Bauteil konnte so innerhalb weniger Tage von den ersten Skizzen bis zum fertigen Werkstück überführt werden. Da dieses Schichtbauverfahren absolut präzise ist, passte der Batteriebehälter sofort an seinen vorgesehenen Platz.
 

Ergebnisse

Im Vergleich zu 2011 konnte das Team auf diese Weise das Volumen des Batteriebehälters um die Hälfte, das Gewicht um 40 % senken. Die Abmessungen des Behälters betrugen damit nur noch 20 x 14 x 9 cm, was für die Aufnahme von 36 Batteriezellen ausreicht. Der Aufbau der Batterie erfolgte im 2012er-Auto modular mit acht Batteriepacks, was die Wartung des Systems extrem vereinfachte.
 
Erwähnenswert ist die Tatsache, dass die Konstrukteure die Kabelschächte und das Kühlsystem während des Fertigungsprozesses direkt in den Behälter integrieren konnten. Eine aufwendige Nachbearbeitung des Behälters war damit nicht erforderlich, und die Führung der Kühlkanäle konnte ohne Einschränkung erfolgen. Auf diese Weise gestaltete sich folglich die Verkabelung für das Team leichter, und auch die Wärmeableitung verbesserte sich wie geplant.
 
Dem Sicherheitsgedanken folgend ist das verwendete Material feuerfest, ein wichtiger Punkt in der unmittelbaren Nähe zu den Energiespeichern. Bei den zum Glück zwar seltenen, aber nie ganz zu vermeidenden Crashs dürfen die Bauteile kein Feuer fangen. Zudem besteht potenziell die Möglichkeit, dass defekte Batteriezellen überhitzen – auch hier muss das Material klaglos standhalten.
 
„Die Konstruktionsfreiheit des generativen Fertigungsverfahrens hat uns extrem weitergeholfen. Damit konnten wir das Design an unsere Ansprüche anpassen und eine optimale Kompatibilität mit unserem selbst entwickelten System zum Batterie-Management erzielen – und das innerhalb kürzester Zeit, zu geringen Kosten und in absoluter Leichtbauweise. Die Technologie ist perfekt für unsere Arbeit“, schwärmt Decker weiter. Ferry Porsche hätte jedenfalls sicher seine Freude an der Leidenschaft der jungen Ingenieure und an ihrem Elektrorenner gehabt – sie werden nicht zuletzt dank der ihnen zur Verfügung stehenden Technologien auch in der nächsten Saison rechtzeitig zum Rennen bereit sein.
Mithilfe der EOS-Technologie konnte das Volumen des Batteriebehälters um die Hälfte und das Gewicht um 40 % reduziert werden (Quelle: Global Formula Racing).
Mithilfe der EOS-Technologie konnte das Volumen des Batteriebehälters um die Hälfte und das Gewicht um 40 % reduziert werden (Quelle: Global Formula Racing).

„Die Konstruktionsfreiheit des generativen Fertigungsverfahrens hat uns extrem weitergeholfen. Damit konnten wir das Design an unsere Ansprüche anpassen und eine optimale Kompatibilität mit unserem selbstentwickelten System zum Batterie-Management erzielen – und das innerhalb kürzester Zeit, zu geringen Kosten und in absoluter Leichtbauweise.“

Salvatore Decker, Global Formula Racing


Kurzprofil

Global Formula Racing ist die erste globale Zusammenarbeit dieser Art sowohl in der Geschichte der amerikanischen als auch der europäischen Formula Student Wettbewerbe. Das ehemalige BA Racing Team der Dualen Hochschule Baden-Württemberg-Ravensburg (DHBW-R) und das Beaver Racing Team der Oregon State University (OSU) aus den USA haben ihre Kräfte kombiniert, um als Einheit anzutreten.
 
Global Formula Racing e.V. 
Fallenbrunnen 2 
88045 Friedrichshafen (Deutschland)

Kontakt 

Wiebke Jensen
EOS GmbH
Electro Optical Systems
Wiebke Jensen
Robert-Stirling-Ring 1
D-82152 München
Tel: +49 89 893 36 2485
wiebke.jensen@eos.info

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