VOLLSTÄNDIG 3D-GEDRUCKTES MONOCOQUE FÜR CO2-NEUTRALES AUTO ZEM
Über TU/ecomotive
Dieses multidisziplinäre Studententeam ist an der Technischen Universität Eindhoven angesiedelt. Ihr Ziel ist es, die Zukunft der nachhaltigen Mobilität zu gestalten, indem sie die neuesten Innovationen in Konzeptautos umsetzen.
Das Team von 2022 präsentiert ZEM, was für Zero Emission Mobility steht. Das Ziel des siebten TU/ecomotive-Teams war es, die CO2-Emissionen in allen Lebensphasen zu reduzieren: bei der Produktion, beim Fahren und nach dem Leben.
Die Herausforderung
Im Jahr 2030 sollte Europa seine CO2-Emissionen im Vergleich zu 1990 um 55 % gesenkt haben. Im Jahr 2050 soll Europa der erste klimaneutrale Kontinent sein. Mit TU/ecomotive geben wir ein großartiges Beispiel dafür, wie dies auch in der (Automobil-)Industrie möglich ist, indem wir die Möglichkeiten aufzeigen, wie diese Nachhaltigkeitsziele in jeder Lebensphase des Fahrzeugs erreicht werden können.
Die Unternehmen passen ihre Produkte und Herstellungsverfahren an, um die kritischen Themen anzugehen, die unser Leben und unsere Märkte prägen. Eines dieser Probleme sind die wachsenden Auswirkungen des Klimawandels. Um dieses Problem abzuschwächen, ist die Verringerung der Produktion von Treibhausgasen, insbesondere von Kohlendioxid (CO2), unerlässlich. Dies stellt eine Herausforderung für die Automobilindustrie dar, da es erhebliche Einschränkungen bei der Materialauswahl und bei den Herstellungsverfahren erfordert. Aus diesem Grund hat sich das Studententeam der TU/ecomotive der Herausforderung gestellt, ein Konzeptfahrzeug zu bauen, das vollständig CO2-neutral ist.
The pilot project solution
Während der Produktionsphase haben wir uns für die additive Fertigung entschieden, um das Monocoque und die Karosserieteile unseres Fahrzeugs ZEM zu drucken“, sagt Jop van Aken, Projektleiter. Durch den 3D-Druck dieser Teile von Zem kann die genaue gewünschte Form gedruckt werden, wobei praktisch kein Abfallmaterial anfällt. Die für den Druck dieses Fahrzeugs verwendeten runden Kunststoffe können geschreddert und für andere Projekte wiederverwendet werden, wodurch das Ziel der CO2-Neutralität weiter vorangetrieben wird.
Wir waren auf der Suche nach neuen Lösungen für den Produktionsprozess von ZEM, und die Durchführung eines Pilotprojekts mit CEAD war eine perfekte Ergänzung. Wir wollten das Monocoque für unser diesjähriges Fahrzeug nicht aus einfachen Verbundwerkstoffplatten herstellen, wie wir es bei unserem vorherigen Konzeptfahrzeug Luca verwendet haben. Der 3D-Druck ermöglicht es uns, ein Monocoque mit weniger geometrischen Einschränkungen zu erstellen, während er gleichzeitig die Nachhaltigkeit des Produktionsprozesses und des „End of Life“-Recyclingprozesses erhöht“, erklärt Max Crutzen, Exterieur-Designer von ZEM.
Das Ergebnis
„Um ein gutes Monocoque-Chassis geometrisch zu entwerfen, müssen einige Dinge berücksichtigt werden. Zunächst ist es wichtig, die Merkmale des Monocoques zu ermitteln und zu wissen, wie sie zum Vorteil der Struktur genutzt werden können. Zweitens muss der verfügbare Platz für die Struktur in der Baugruppe definiert werden. Und schließlich ist es von entscheidender Bedeutung zu ermitteln, welche Komponenten des Fahrgestells in Bezug auf die Lastpfade und Kräfte strukturell bedeutsam sind. Vor Beginn des Prozesses wurde die Struktur so vorbereitet, dass sie entlang der ZY-Ebene symmetrisch ist.
Dies bedeutet, dass nur die Hälfte des Modells modelliert werden musste, da es am Ende des Prozesses gespiegelt wurde. Da unterschiedliche Modellierungstechniken zum Einsatz kommen, wurde der Entwurfsprozess in die Monocoque-Wanne und die Dachsäulen unterteilt“, erklärt Mateusz Michalski, Chief Mechanical bei ZEM. „Am Ende konnten wir das Auto genau so drucken, wie wir es entworfen und gewünscht hatten. Dies war ein weiterer Beweis dafür, dass man mit additiver Fertigung alles herstellen kann, was man will, sogar Autos“, erklärt Rien Becker, Exterior von ZEM. Wir haben rPETg verwendet, das aus recycelten Speiseölen hergestellt wird. Wir konnten mit diesem äußerst nachhaltigen Material drucken, wie mit jedem anderen Kunststoff auch. „Dadurch, dass wir keine Gussformen herstellen mussten, wurde die Abfallmenge stark reduziert, was zu unserer Nachhaltigkeit beiträgt“, erklärt Becker.
CEAD SICHTWEISE:
Innovation und Zusammenarbeit sind zwei Schlüsselfaktoren, die den Fortschritt in der Welt der Technik vorantreiben. Wir bei CEAD glauben, dass die Zusammenarbeit mit Studententeams nicht nur wichtig ist, um den zukünftigen Ingenieuren der Welt unsere Maschinen und Technologien vorzustellen, sondern auch neue und frische Ideen einbringt. In diesem Jahr hatten wir das Vergnügen, mit dem TU/Ecomotive-Team und ihrem ZEM-Projekt zusammenzuarbeiten.
Eine der größten Herausforderungen bei diesem Projekt war die Auswahl des richtigen Materials für das Monocoque, das ein wesentlicher Bestandteil der Fahrzeugstruktur sein würde. Das Material musste stark genug sein, um den Belastungen während der Fahrt standzuhalten. Das TU/Ecomotive-Team führte eine FEM-Analyse des Fahrzeugs durch, und auf der Grundlage der Ergebnisse entschieden wir uns zunächst für LNP™ THERMOCOMP™ AM COMPOUND DC004XXAR1 von SABIC, ein Polycarbonat mit 20 % Kohlenstofffasern, das speziell für LFAM compoundiert wurde. Wir haben mehrere Versuche durchgeführt und festgestellt, dass ein S25-Extruder für dieses zähe Polycarbonatmaterial in Kombination mit der erforderlichen Geschwindigkeit aufgrund der großen Werkzeugweglänge pro Schicht besser geeignet ist. Aus diesem Grund bieten wir mehrere Extruder in unserem Portfolio an, für unterschiedliche Anwendungen und Materialanforderungen. Da wir mit dem E25 druckten, entschieden wir uns, mit Carbon-P von Mitsubishi Chemical Europe zu drucken, einem recycelten PETG mit Kohlenstofffasern, das dennoch die erforderliche Festigkeit bietet und gleichzeitig die Kreisförmigkeit berücksichtigt.
Auch das Design des Monocoques entwickelte sich im Laufe des Projekts deutlich weiter. Wir waren in der Lage, das gesamte Monocoque unter Berücksichtigung von LFAM zu konstruieren, was uns half, konstruktive Einschränkungen wie übermäßige Lagenüberhänge zu vermeiden. Dadurch verringerte sich das Risiko von Produktionsfehlern erheblich, und wir mussten nur einige Versuche durchführen, bevor wir mit der Produktion des endgültigen Drucks beginnen konnten.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass unsere Zusammenarbeit mit dem TU/ecomotive-Team ein Erfolg war. Sie ermöglichte es uns, den zukünftigen Ingenieuren der Welt unsere Maschinen und Technologien vorzustellen, und sie brachte neue Anwendungen auf den Tisch, die wir sonst vielleicht nicht in Betracht gezogen hätten. Die Auswahl des richtigen Materials und die Überlegungen zum Design waren Schlüsselfaktoren für den erfolgreichen Druck des Monocoques. Wir freuen uns auf die zukünftige Zusammenarbeit mit dem TU/Ecomotive-Team und darauf, die Grenzen unserer LFAM-Lösungen weiter zu erweitern.
