3i-PRINT individualize - integrate - innovate

1. Idee. 9 Monate. 6 Parter. Das Ergebnis: Geballte Kompetenz.

Die Idee

„…Additive Manufacturing in Metall funktioniert im Karosseriebau schon heute. Wir wollten 3D-Druck be-GREIF-bar machen.“

Tweet: #3iPRINT: individualize – integrate – innovate

Im Hintergrund von 3i-PRINT stehen die Karosserie-Kompetenz der csi entwicklungstechnik GmbH, die Virtuelle Produktentwicklung und die Additive Fertigung.

Am Beispiel der komplexen, crashbelasteten Vorderwagenstruktur eines Youngtimers vom Typ Volkswagen CADDY I zeigen wir Potenzial und Mehrwert des industriellen metallischen 3D-Drucks für die Automobilindustrie.

Projektziel ist es Impulse und Ausblicke in die Zukunft des Karosseriebaus zu geben und diese mit der Hand be-GREIF-bar zu machen. Vor dem Hintergrund der Elektrifizierung im Automobilbereich, zum Beispiel bei Antrieb und Aktuatoren, sind Wärmemanagement, Bauraum- und Gewichtsreduzierung entscheidende Punkte für die Konstruktion des Konzepts. Zukunftsthemen sind Flexibilität, Individualisierbarkeit, Funktionsintegration und ressourcenschonender Leichtbau.

„Das erzielte finale Gesamtgewicht des kompletten Rahmens von nur 34 kg kann sich sehen lassen.“

Das Ergebnis

„…durch den Zeitdruck hatten wir bei nahezu allen Aufgaben nur einen einzigen Versuch – das war eine Team-Herausforderung über mehrere Unternehmen hinweg. Da müssen Konstruktionskonzept, 3D-Druck, Schweißnähte und Fahrzeugaufbau passen.“

Das Ergebnis unserer gemeinsamen Arbeit ist die weltweit erste, komplett metallisch im Maßstab 1:1 additiv gefertigte, funktionsintegrierte Vorderwagenstruktur auf neuestem technischen Stand.

Im Rahmen von 3i-PRINT wurde unser funktionsintegriertes Vorderwagenkonzept aus additiv gefertigter, hochfester und hochzäher Scalmalloy® Aluminiumlegierung gemeinsam erdacht, simuliert, konstruiert und gefertigt. Parallel dazu wurde seitens des Team Konzeptwerkstatt der csi entwicklungstechnik GmbH ein Youngtimer vom Typ Volkswagen CADDY I liebevoll und detailorientiert vollständig restauriert.

3i-PRINT ist eine agile Engineering-Plattform für Forschung und Entwicklung zur schnellen Umsetzung von Ideen gemeinsam mit unseren Partnern. Auf dieser Plattform können Prototypenkonzepte zeitnah präsentiert werden. 3i-PRINT ist eine offene Plattform für Zusammenarbeit, bei der gern auch Ihre Idee umgesetzt werden kann.

Scalmalloy® ist eine Werkstoffentwicklung der AIRBUS APWORKS GmbH gemeinsam mit den Experten von AIRBUS. Weitere Informationen zu diesem Werkstoff finden Sie hier:

- Scalmalloy® Materialdatenblatt
- Scalmalloy® Überblick

„…Scalmalloy® weist eine spezifische Festigkeit nahezu von Titan auf und ist gleichzeitig hoch zäh und korrosionsbeständig.“

Das Vorderwagenkonzept wurde vollständig virtuell von der Topologieoptimierung startend durch die csi entwicklungstechnik GmbH mit Altair Tools in unserer Produktivumgebung ausgelegt. Genutzt wurden hierbei reale Lastfälle der Automobilindustrie (Steifigkeit, Festigkeit) und die Struktur wurde auf Erfüllung aktuellster Anforderungen hinsichtlich Crash und Fahrzeugsicherheit ausgelegt. Für die Auslegung von Thermomanagement-Funktionen wurden CFD-Simulationen durchgeführt.

Um eine virtuelle digitale Datenbasis des Fahrzeugs zu erreichen, haben wir den Rohbau unseres Youngtimer-Fahrzeugs komplett 3D gescanned. Dies war für die Konstrukteure der csi entwicklungstechnik GmbH eine zusätzliche Herausforderung gegenüber gewöhnlichen Serienentwicklungen, da die 3D-Scan-Flächen nicht parametrisch und mathematisch beschrieben sind, sondern es sich um eine Vielzahl von Dreiecksflächen handelt. Somit musste für den erfolgreichen Verbau des Rahmens ein kluges Toleranzkonzept gefunden werden. Nach der Fertigung und Nachbearbeitung wurde der Rahmen vermessen. Alle geforderten branchenüblichen Toleranzen konnten eingehalten werden und es gab keine nennenswerten thermischen Verzüge.

Das erzielte finale Gesamtgewicht des kompletten Rahmens von nur 34 kg (gemessen vor Verbau am Fahrzeug) kann sich dabei sehen lassen. Bei der Konstruktion wurde hierbei die Herstellbarkeit und Fügbarkeit des Konzepts kontinuierlich zwischen den Unternehmen csi entwicklungstechnik, AIRBUS APWORKS und GERG abgestimmt.

Die Methode

Kern des Vorderwagenkonzepts ist die Nutzung der Vorteile von Additive Manufacturing:

Freie Werkstoffwahl, Flexibilität, keine Werkzeuge
Funktionsintegration
Medienspeicherung
Thermomanagement
Lastpfad- und crashgerechte Topologie
Gestalterische Freiheit

Freie Werkstoffwahl, Flexibilität, keine Werkzeuge:

beim Prozess des 3D-Drucks entfallen Auslegung, Konstruktion und Beschaffung aufwendiger und komplexer Werkzeuge. Man kann die „Bauteile neu denken“. Gerade bei kleinen Serien und Nischenanwendungen spielt der 3D-Druck bereits heute seine Vorteile aus, wenn man ganzheitlich rechnet. Ebenso ist die Werkstoffauswahl und die damit verbundene Flexibilität sehr groß: egal ob Sie Ihre Struktur wie wir in Aluminium (z.B. Scalmalloy®), oder Stahl oder gar Titan fertigen wollen. Das Pulverbettverfahren und die Anlagen von EOS lassen all dies und noch viel mehr zu.

Funktionsintegration:

wir glauben daran, dass der 3D-Druck dann Sinn ergibt, wenn wir möglichst viele Funktionen in das gedruckte Bauteil integrieren. Denn das Bauteil druckt gleich lang, egal ob es komplex oder einfach aufgebaut ist. Wenn wir wie heute üblich nur z.B. Gussteile ersetzen, dann werden wir den Möglichkeiten der Additiven Fertigung nicht gerecht. Neuartige Konstruktion erfordert natürlich im 3D-Druck erfahrene Konstrukteure und einen kooperativen Blick auf das Gesamtsystem. Wir haben in das Vorderwagenkonzept aus diesem Grund als Impuls verschiedenste Funktionen integriert. Ein Nebeneffekt ist die Optimierung des zur Verfügung stehenden Packages, denn Bauraum ist auch in Elektrofahrzeugen knapp bemessen.

Medienspeicherung:

in unser Vorderwagenkonzept haben wir im Bereich des Federbeindoms den Wischwasserbehälter integriert. Ebenso lassen sich Kühlmittel und Kältemittel der Klimaanlage in der Tragstruktur speichern. In ferner Zukunft können wir sogar darüber nachdenken in der Tragstruktur flüssige oder gasförmige Kraftstoffe unterzubringen. Hierzu brauchen wir weitere Forschung und Entwicklung gemeinsam mit unseren OEM-Kunden.

Thermomanagement:

wenn die Tragstruktur durch integrierte Kühlkanäle und Kühlrippen oder Luftfluss-Kanäle einen Teil der im Fahrzeug notwendigen Kühlung durch Wärmeabfuhr übernimmt, dann lassen sich z.B. notwendige Kühler oder auch Laser-Leuchten platzsparender bauen. Das spart am Ende Gewicht, Energie und schont damit die Umwelt. Ziele sind hier z.B. die Kühlung von Batteriepacks im Elektrofahrzeug oder auch die Bremsen.

Lastpfad- und crashgerechte Topologie:

das wertvolle Material soll heutzutage nur da landen, wo es für die Erfüllung der mechanischen Anforderungen auch tatsächlich benötigt wird. Aus diesem Grund ist das organisch anmutende Konzept mit Tools von Altair wie HyperWorks, Evolve und Inspire rein virtuell aus der Simulation entstanden. Bei kurzem Vorderwagen lässt sich mit unserem Konzept durch multiple Lastpfade und die Nutzung der Bauteil-Innenseite ein verbessertes Crashverhalten erzielen.

Gestalterische Freiheit:

mit der additiven Fertigung lassen sich Strukturen vollständig individualisieren. Wie wäre es, wenn Sie in Zukunft wirklich IHR Auto hätten? Designer können Dank additiver Fertigung auch neue attraktive Designs umsetzen, die mit klassischen Fertigungsverfahren gar nicht möglich gewesen sind. Es sind u.a. Schalenbauweisen, Hohlstrukturen und auch Lattice-Kristallstrukturen möglich.

Langfristige Zukunftsperspektive Multi-Material-Druck und Integration von elektrischen Schaltkreisen, Platinen und Sensorik:

heute noch in der Forschung und Zukunftsmusik. Unser Vorderwagenkonzept zeigt als Impuls auf, wohin sich die Technik entwickeln kann. Belastungssensorik für Structural Health Monitoring und ins Bauteil integrierte Chips werden neue Möglichkeiten des Leichtbaus und damit der Energieeinsparung eröffnen.

Crash-Optimierung:

unser neuartiges, optimiertes Crash-Management-System hat eine hohe spezifische Energieaufnahme, da es komplett frei von Fertigungs-Einschränkungen auf die Anforderungen angepasst werden kann. D.h. es wiegt bei gleicher Funktion weniger als vergleichbare konventionell gefertigte Systeme.

Vereinfachung des Füge- und Montageprozesses:

mit der additiven Fertigung lässt sich die Bauteilzahl im Extremfall deutlich verringern. Somit kann z.B. unser Vorderwagen einfach als komplettes Modul an das restliche Fahrzeug angebracht werden. Durch die Verringerung der Anzahl an Fügestellen erhöht sich gleichzeitig auch die lokale dynamische Steifigkeit, was dem Fahrkomfort und der Fahrdynamik zu Gute kommt.

Das perfekte schnelle und unkomplizierte Zusammenspiel von Partnerunternehmen wird immer wichtiger und macht es möglich, aus einer Idee über einen kurzen Zeitraum von neun Monaten hinweg Ergebnisse zu erschaffen, die den Stand der Technik nach vorn bewegen.

Von der Idee zur Hardware

Die csi entwicklungstechnik GmbH initiierte 3i-PRINT und übernahm die methodische Ideenfindung, Projektmanagement, Design, Auslegung, Simulation, Konstruktion sowie die Fahrzeugaufbereitung.

Gestartet sind wir mit der für uns typischen methodischen Ideenfindung. Hierbei wurden im Team auf Basis von Handskizzen erste Entwürfe der Struktur erarbeitet. Im Mittelpunkt stand dabei immer der sich für den Nutzer am Ende ergebende Mehrwert.

Im Anschluss daran ist die Struktur vom Team Simulation der csi entwicklungstechnik GmbH virtuell ausgelegt worden.

Durch das Team Karosserie der csi entwicklungstechnik GmbH sind im Anschluss die Ergebnisse der Optimierungsläufe in einem eigens für Additive Manufacturing etablierten Prozess zu unserem Vorderwagenkonzept auskonstruiert worden.

Altair lieferte die HyperWorks-Suite sowie SolidThinking Evolve und Inspire, mit deren Hilfe das Vorderwagenkonzept in der Simulation virtuell ausgelegt und optimiert wurde. Integriert hat die csi entwicklungstechnik diese Werkzeuge in ihre typische Produktivumgebung, wo sich die Tools nahtlos integrieren.

AIRBUS APWORKS GmbH übernahm den metallischen 3D-Druck der Einzelbauteile, aus denen das funktionsintegrierte Vorderwagenkonzept besteht. Kritisch ist hierbei die Expertise und Erfahrung bei der Parameterwahl für den 3D-Druck. Es gab bei jedem Bauteil und dem kompletten Vorderwagen bei der kurzen verfügbaren Zeit nur jeweils einen einzigen Versuch.

Auf einem System EOS M 400 zum industriellen 3D-Druck wurden die Einzelbauteile des Konzepts gefertigt. Die Firma EOS hat hierbei ihr Anlagen- und Prozess-Knowhow beigesteuert und dafür gesorgt, dass der Bauauftrag stabil und zuverlässig funktionierte. Im Ergebnis konnte eine exzellente und porenfreie Bauteilqualität erreicht werden.

Heraeus lieferte das Werkstoff-Expertenwissen und Metallpulver, das notwendig ist um ein solches Konzept verzugsfrei und in höchster Qualität zu fertigen.

Modell- und Formenbau Blasius Gerg übernahm den Rahmenbau aus den additiv gefertigten Einzelbauteilen und die Nachbearbeitung. Das Vorderwagenkonzept musste für den erfolgreichen Einbau in unseren Youngtimer engste Fertigungstoleranzen aufweisen.

Während des Prozesses war allen Beteiligten klar:
Es gibt keinen zweiten Versuch!

Wenn wir Sie begeistern konnten, dann materialisieren wir auch gern Ihre Ideen. Nehmen Sie einfach Kontakt zu uns auf!