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Fallstudien zur Automobilindustrie

Prototyping ist die treibende Kraft hinter großartigen Autos

Die Autogiganten BMW und Jaguar Land Rover – sowie kleine Zubehörproduzenten wie Minimizer – haben erkannt, dass der 3D-Druck ein einzigartiges Innovationspotenzial für Automobildesign und -fertigung bietet.

Linke Seite des FDM-Prototyps von Lamborghini

Das neue Lamborghini-Flaggschiff Aventador ist ein zweisitziger Sportwagen und das Top Gear Car of the Year 2011. Er beschleunigt in 2,9 Sekunden von 0 auf 100 km/h, erreicht eine Höchstgeschwindigkeit von etwa 370 km/h und kostet etwas mehr als 300.000 Euro. Der Aventador ist 9 Prozent leistungsstärker, 20 Prozent kraftstoffsparender und 6 Prozent leichter als die Vorgängergeneration Murciélago.

Den Schlüssel für die extreme Leistung des Aventador bildet das aus kohlenstofffaserverstärktem Verbundwerkstoff gefertigte Monocoque im Inneren der integrierten Karosserie-Chassis-Konstruktion. Das Monocoque besteht aus einem einzelnen CFRC-Schale (L x B x H = 2,05 m x 1,89 m x 1,02 m), der größten CFRC-Komponente eines Serienwagens. Das Monocoque wiegt 147,2 kg und die gesamte Karosserie samt Chassis lediglich unglaubliche 229 kg.

Großer Einsatz

Rechte Seite des FDM-Prototyps von Lamborghini

Automobili Lamborghini S.p.A. gehört Audi und ist somit wie einige andere Marken, z. B. Porsche, Bugatti und Bentley, Teil der Volkswagen-Gruppe. Das Automobili Lamborghini Advanced Composite Structures Laboratory — oder kurz Lamborghini Lab — an der University of Washington führte im Rahmen einer Partnerschaft mit Lamborghini, eingehende Design-, Qualitätskontroll-, Prozessoptimierungs- und mechanische Tests für die CRFC-Komponenten durch, die 50 Prozent des Gewichts des Aventador ausmachen. Viele physische Modelle waren erforderlich, um die Einpassung der Baugruppe zu prüfen, effiziente Lastpfade zu ermitteln und Probleme zu identifizieren und zu korrigieren, die am Computer nicht zu erkennen waren.

“Die Konstruktion musste beim ersten Mal gelingen, da alleine die Werkzeuge für das Monocoque mehrere Millionen Dollar kosten”, so Paolo Feraboli, Professor für Flugzeugmaterialien und -konstruktion an der University of Washington und Leiter des Lamborghini Lab.

So hätte man beispielsweise im Rahmen des herkömmlichen Fertigungsansatzes für den Prototypen des Monocoque-Innenteils skalierte Formen hergestellt und den Prototypen mit CFRC verkleidet. Das Herstellen der Formen und das Verkleiden des skalierten Teils hätte etwa vier Monate und 40.000 Dollar beansprucht.

“Uns interessierte, ob es eine Rapid Prototyping-Methode gibt, mit der ausreichend robuste Teile gefertigt werden können, um den Belastungen bei Montage und Handling standzuhalten”, so Feraboli. “Außerdem interessierte uns das Rapid Tooling für die Verkleidung kleinerer Teile, die mechanische Festigkeit aufweisen und hohen Temperaturen widerstehen müssen.”

Ein ideales System

Unteres Monocoque des FDM-Prototyps von Lamborghini

Der Bauraum des Fortus war groß genug, um ein Modell der Karosserie und des Chassis im Maßstab 1:6 in einem Stück zu fertigen. Das Lamborghini Lab fertigte innerhalb von zwei Monaten komplette Prototypen im Maßstab 1:6, einschließlich Druck und Montage der Teile. Die Fertigung des Innenteils dauerte 6,3 Tage, und die Materialkosten beliefen sich auf 560 Dollar. Die gesamte Herstellungs- und Bearbeitungszeit einschließlich Entfernen des Stützmaterials, Schleifen, Lackieren usw. betrug 20 Tage. Die Gesamtkosten einschließlich Material, Arbeit und Maschinenlaufzeit betrugen 3.000 Dollar.

“Der Fortus war aufgrund seiner Vielseitigkeit ideal für das Drucken hochfester und -auflösender Modelle mit thermoplastischen Kunststoffen in Industriequalität sowie das Herstellen individueller Verbundwerkstoffwerkzeuge aus Hochleistungskunststoffen – und dies zu einem Bruchteil der Kosten herkömmlicher Fertigungsmethoden”, so Tom Goulet von CIMtech, dem Stratasys-Händler in Seattle.

Viele Durchgänge

“Die vielen Durchgänge während des Entwicklungsprozesses waren für die bessere Passung bei der Montage und optimiere Lastpfade unerlässlich”, so Feraboli.

Automobili Lamborghini S.p.A. im italienischen Sant’Agata Bolognese besitzt ebenfalls zwei Stratasys-Maschinen, ein Fortus 3D-Produktionssystem und einen Dimension 3D-Drucker. Maurizio Reggiani, Senior Vice President und Chief Technology Officer von Lamborghini: “Wir haben FDM ausgiebig genutzt, um funktionale Prototypen des für den Aventador neu entwickelten Siebenganggetriebes zu fertigen, das mit einer Schaltzeit von 50 Millisekunden das schnellste Getriebe eines Serienautos ist.” Das Einfachkupplungsgetriebe beruht auf dem Konzept einer unabhängigen Schaltstange und ist gemeinsam mit dem CFRC-Monocoque und den Pushrod-Federbeinen eines der Markenzeichen des Aventador.

Kurz nach der Vorstellung des Aventador gab Lamborghini bekannt, dass die Produktion des ersten Jahres bereits ausverkauft sei. “Der Aventador ist der erste Schritt”, so Feraboli. “Kohlenstofffasern eignen sich nicht nur für Sportwagen. Sie können den Kraftstoffverbrauch und die Abgase aller Autos verringern. In der gesamten Unternehmensgruppe möchten wir zunehmend mehr Kohlenstofffasern auch für die Wagen mit höheren Stückzahlen einsetzen.”

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