3D-Metalldruck Wieso der neue Hypersportwagen von Rodin 3D-Druck braucht

| Aktualisiert am 30.08.2021Autor / Redakteur: Scott Cost* / Stefan Guggenberger

Der Rodin FZero soll auf Rennstrecken sogar Formel-1-Boliden abhängen. Dazu setzt das Unternehmen auf belastbare und nahtlose Titanbauteile aus dem 3D-Drucker, die auch ein einzigartiges Getriebe ermöglichen.

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Der FZero hat nur einen Sitz, leistet mehr als 1.000 PS und soll Formel-1-Geschwindigkeiten für Hobbyrennfahrer möglich machen.
Der FZero hat nur einen Sitz, leistet mehr als 1.000 PS und soll Formel-1-Geschwindigkeiten für Hobbyrennfahrer möglich machen.
(Bild: Rodin Cars)

Der neue Rennwagen FZero von Rodin besteht hauptsächlich aus Kohlefaser und Titan. Ziel ist es, einen Wagen zu konstruieren, der auf Rennstrecken Höchstleistungen erbringt und insgesamt nur etwa 650 Kilogramm wiegt. Um diese Ziele zu erreichen, setzt der neuseeländische Automobilhersteller auf 3D-gedruckte Titankomponenten. „Unser Ziel war es, jede Komponente dieses Fahrzeugs so gut wie möglich zu bauen. Der Rodin FZero kann nur mit additiver Fertigung hergestellt werden“, erklärt Adam Waterhouse, leitender Ingenieur, Rodin Cars. Für die Umsetzung vertraut man auf das DMP-Factory-500-System von 3D Systems. Damit werden komplexe Titanbauteile gefertigt, die an die speziellen Anforderungen des FZeros angepasst wurden. Das sequentielle Achtganggetriebe mit Maßen von 400 mm x 650 mm x 300 mm ist dabei das größte 3D-gedruckte Teil.

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Herausforderung: Herstellung qualitativ hochwertiger Titanteile im Großformat

Die Optimierung von Gewicht und Funktion bei gleichzeitiger Verwendung eines nicht korrosiven Materials, das Leistungsfähigkeit und Aussehen über lange Zeit erhält, hatten bei dem gedruckten Getriebe oberste Priorität.
Die Optimierung von Gewicht und Funktion bei gleichzeitiger Verwendung eines nicht korrosiven Materials, das Leistungsfähigkeit und Aussehen über lange Zeit erhält, hatten bei dem gedruckten Getriebe oberste Priorität.
(Bild: Rodin Cars)

Mit einem Zielgewicht von nur 650 Kilogramm und 4.000 Kilogramm Abtrieb ist der einsitzige Rodin FZero (für ‚Zero Restrictions‘) darauf ausgelegt, die Runden einer Rennstrecke schneller zu fahren als ein aktueller Grand-Prix-Formel-1-Rennwagen. Mit der Hilfe einer neuen Technologie beabsichtigte Rodin Cars alle Komponenten für die jeweiligen Bauteile grundlegend zu optimieren.

Bei der Nutzung der additiven Fertigung für Bauteile aus Titan im gesamten Fahrzeug wuchsen die Herausforderungen mit der Größe der Teile. Für die spezifikationsgemäße Fertigung von Komponenten wie des Getriebes war ein Druckvolumen erforderlich, das über die Leistungsfähigkeit der meisten Metalldrucker hinausgeht. Die Rückkehr zu herkömmlichen Methoden wie Magnesiumguss war jedoch keine Option, da sowohl das Verfahren als auch das Material den Anforderungen von Rodin Cars nicht entsprachen. Für den FZero legte Rodin Cars die Prioritäten fest:

  • Optimierung von Gewicht und Funktion durch additive Fertigung.
  • Verwendung von Titan als hochwertiges, rostfreies Material, das seine Leistungsfähigkeit und sein Aussehen über die Zeit beibehält. 

Die Lösung: Innovative Konstruktion und ein bewährter Werkstoff.

1. Innovation zur Konstruktion eines Leichtbaugetriebes

Der erste Schritt zur Optimierung des Getriebes war die Erstellung eines kundenspezifischen Designs zusammen mit dem renommierten Getriebehersteller Ricardo. Spezialwissen über die Vorteile und Fähigkeiten des Designs und des Fertigungsverfahrens, das Rodin Cars durch die enge Zusammenarbeit mit 3D Systems bei der Einführung der additiven Fertigung erworben hatte, gab das Unternehmen an Ricardo weiter. Rodin Cars benötigte sehr spezielle Getriebeübersetzungen und Gehäuseabmessungen und stellte fest, dass die Entwürfe nur additiv herzustellen waren. Die Reduzierung überschüssiger Masse hatte ebenfalls hohe Priorität, was in einigen Bereichen zu dünnen Wänden führte, von denen manche nur 2 mm dick sind. Beim Entwurf der von Rodin Cars gewünschten Geometrie arbeiteten die beiden Unternehmen eng zusammen. Integriert wurden interne Galerien und Flüssigkeitskanäle, so dass sich die Baugröße des endgültigen Getriebes auf 400 mm x 650 mm x 300 mm reduzieren ließ.

Für die additive Fertigung von Teilen aus Titan mit den erforderlichen Abmessungen und gewünschten Eigenschaften entschied sich Rodin Cars wegen der Fähigkeit, großformatige Teile zu drucken, sowie der bewährten Qualität und Reproduzierbarkeit für den Direktmetalldruck (DMP) von 3D Systems. 

2. Bewährter Titan-Workflow

Mit den Anlagen von 3D Systems konnte Rodin stabile und präzise Teile mit hoher chemischer Reinheit und der für die Serienproduktion erforderlichen Reproduzierbarkeit drucken.
Mit den Anlagen von 3D Systems konnte Rodin stabile und präzise Teile mit hoher chemischer Reinheit und der für die Serienproduktion erforderlichen Reproduzierbarkeit drucken.
(Bild: Rodin Cars)

Die Optimierung des Verhältnisses von Leistung und Gewicht ist entscheidend bei Hochleistungsfahrzeugen. Dass die komplexen Metallkomponenten aus Titan gedruckt werden können, trug entscheidend dazu bei, dass Rodin Cars seine Vision verwirklichen konnte – nämlich außergewöhnliche Leistung auf der Rennstrecke zu liefern und gleichzeitig im gesamten Fahrzeug so viel Gewicht wie möglich zu sparen. Die Beständigkeit von Titan als ein nicht-korrosives Material bedeutet auch, dass weder das Aussehen noch die Leistung mit der Zeit nachlassen, was dem Gründer von Rodin Cars, David Dicker, wichtig war. 

Laut Adam Waterhouse wird praktisch jede Komponente, die aus Metall besteht und keine Schraube ist, im 3D-Druck hergestellt: „Jede Halterung bis hin zum Getriebe wurde gedruckt“, so Waterhouse. „Die Vielfalt der Teile ist enorm. Es ist praktisch ein komplett gedrucktes System.“ Das endgültige Titan-Getriebe wird in LaserForm Ti Gr23 (A) gefertigt und wiegt nur 68 Kilogramm, inklusive der Stahleinbauten. 

3. Großformatiger 3D-Metalldruck

Rodin Cars plante ursprünglich, das Getriebe in mehrere kleinere Komponenten aufzuteilen und diese im Haus auf den vorhandenen ProX-DMP-320-Maschinen zu drucken. Dieser Mehraufwand konnte schließlich durch die Verwendung des größeren DMP-Facotry-500-Systems verhindert werden. Auf dieser Plattform kann das Getriebe in Form von vier Baugruppen in einem einzigen Build produziert werden. 

Der DMP Factory 500 verfügt über gute Sauerstoffwerte (< 25 ppm) und eine inerte Atmosphäre in der Druckkammer, so dass die Herstellung außergewöhnlich robuster und genauer Teile mit hoher chemischer Reinheit und der für die Serienproduktion erforderlichen Reproduzierbarkeit gewährleistet ist. Laut Waterhouse wurde diese Qualität bei den dünnwandigen, nur zwei Millimeter dicken Gehäusen des Getriebes bis an die Grenzen getrieben.

„Diese Drucke mussten extrem präzise sein“, sagte Waterhouse. „In unserem größten Abschnitt mit enormen Ausmaßen gab es nur 0,2 Grad Drehung im Teil, was wirklich beeindruckend ist. Ganz zu schweigen davon, dass wir mit den internen Kanälen und den dünnen Wänden alle Vorteile der additiven Fertigung haben, die auf andere Weise unmöglich zu erreichen wären.“

4. Metall-Kompetenz der Application Innovation Group

Der DMP Factory 500 macht es möglich, qualitativ hochwertige Großteile aus Metall nahtlos in einer Größe von bis zu 500 mm x 500 mm x 500 mm zu produzieren.
Der DMP Factory 500 macht es möglich, qualitativ hochwertige Großteile aus Metall nahtlos in einer Größe von bis zu 500 mm x 500 mm x 500 mm zu produzieren.
(Bild: MoMac)

Beim Druck des ersten Titangetriebes arbeitete Rodin Cars mit der Application Innovation Group (AIG) von 3D Systems zusammen. So ließ sich der Zugang zum Metalldruck in großem Maßstab noch vor der Installation des eigenen DMP Factory 500 beschleunigen. Die AIG von 3D Systems ist eine Ressource, die mit der Erfahrung und der Technologie ausgestattet ist, um additive Fertigungsanwendungen in vielen Branchen weltweit zu unterstützen. Sie kann bei Projekten in jeder Phase beraten und unterstützen, von der Anwendungsentwicklung und dem Frontend-Engineering bis zu Gerätevalidierung, Prozessvalidierung und Teilequalifikation. 

Seit Rodin Cars die additive Fertigung eingeführt hat, unterstützt 3D Systems das Unternehmen mit kontinuierlichem Wissens- und Technologietransfer und hilft ihm dabei, die notwendigen Prinzipien besser zu verstehen und den Erfolg des Designs und der Produktion mit additiver Fertigung sicherzustellen. Die Umstellung auf das große Druckformat erforderte jedoch eine neue Reihe von Best Practices. Die AIG von 3D Systems unterstützte Rodin Cars bei der Erprobung des Konzepts und lieferte Services für Engineering und Anwendungsentwicklung, einschließlich der endgültigen Programmierung der vier Getriebekomponenten und des Drucks des ersten Getriebes. 3D Systems lieferte auch die programmierten Build-Dateien und beschleunigte mit dem Technologietransfer den Weg von Rodin Cars zum erfolgreichen Metalldruck in großem Maßstab nach der Installation des DMP Factory 500 im Werk von Rodin Cars. 

* Scott Cost arbeitet als Solutions Manager im Motorsports Segment bei 3D Systems.

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