Drive to Survive – Additive Manufacturing im Motorsport
Die Formel-1-Saison ist bereits in vollem Gange, und mit ihr wächst auch das Interesse an der neuesten Staffel von Netflix‘ „Drive to Survive“. Doch was viele Fans nicht wissen: Additive Manufacturing hat mittlerweile Einzug in die Königsklasse des Motorsports gehalten. Was vor zehn Jahren noch undenkbar war, ist heute Standard auf den Rennstrecken der Welt.
Additive Manufacturing in der Formel 1
Die additive Fertigung hat einige Zeit gebraucht, um sich im Hochleistungsmotorsport zu etablieren. Die COVID-Pandemie, Regulation Freezes und Cost Caps haben zunächst den Fortschritt ausgebremst. Der Motorsport stellt höchste Qualitätsansprüche, Ausfälle durch Materialversagen oder Fahrzeuge, die nicht ins Ziel bei einem Rennen kommen, sind nahezu ausgeschlossen. Die Entwicklung der additiven Fertigung hat entscheidend dazu beigetragen, diese Standards zu erfüllen.
Pankl hat über Jahre hinweg intensiv in den Ausbau und die Forschung und Entwicklung investiert, insbesondere im Bereich des Leichtbaus. Heute kommen additiv gefertigte Bauteile in vielen Bereichen der Formel 1 zum Einsatz. Besonders im Bereich der Aerodynamik sind additiv gefertigte Flügelkonstruktionen eine bevorzugte Lösung, da sie schnell modifiziert und an die neuesten Entwicklungen angepasst werden können. Doch auch hydraulische Komponenten und Motorteile profitieren von der Technologie, insbesondere durch Gewichtsersparnis und optimierte Strömungseigenschaften.
Sorgt für die Sicherheit: Der Überrollbügel
Ein sehr wichtig additiv gefertigtes Bauteil ist der Roll Hoop, der Überrollbügel eines Formel-1-Autos. Dieses sicherheitskritische Teil sitzt oberhalb des Fahrers, am höchsten Punkt des Fahrzeugs und übernimmt zwei essenzielle Aufgaben. Zum einen definiert es den Lufteinlass für den Motor, zum anderen schützt es den Fahrer im Falle eines Unfalls, insbesondere bei einem Überschlag. Entscheidend für die Schutzwirkung ist, dass der Helm des Fahrers stets unter einer festgelegten Sicherheitslinie bleibt – einer imaginären Verbindung zwischen der vorderen Halo-Befestigung und einem definierten Punkt am Fahrzeugheck.
Dank additiver Fertigung können Überrollbügel mit komplexen, hochoptimierten Strukturen gefertigt werden, die maximale Stabilität bei minimalem Gewicht bieten. Der Einsatz von Carbonstrukturen und Titanbauteilen sorgt für eine ideale Kombination aus Festigkeit und Leichtbau. Zudem ermöglicht der 3D-Druck eine schnelle Anpassung an neue Designanforderungen und aerodynamische Optimierungen. Die Entwicklung erfolgt parallel zum Chassis-Design und durchläuft mehrere Iterationen, um höchste Sicherheits- und Leistungsanforderungen zu erfüllen.
Additive Fertigung: Schlüsseltechnologie der Zukunft?
Pankl beschäftigt sich seit mehr als zehn Jahren mit der additiven Fertigung. „Wir sehen diese Technologie als zukunftsweisend, jedoch nicht als Ersatz, sondern als Ergänzung zu konventionellen Fertigungsmethoden. Unsere Strategie besteht darin, die additive Fertigung gezielt dort einzusetzen, wo sie den größten Nutzen bringt“, so Stefan Seidel, CTO Pankl Racing Systems AG.
Ein entscheidender Faktor für den Erfolg dieser Technologie liegt in der durchgängigen Qualitätssicherung. Pankl arbeitet eng mit Partnern wie EOS oder voestalpine Böhler Edelstahl zusammen, um neue Pulver zu entwickeln und deren Qualität, Konsistenz und Eigenschaften zu optimieren. Zudem wurde vor Jahren in die Hot Isostatic Pressing (HIP) investiert, eine Technologie, die die Ermüdungseigenschaften von Bauteilen signifikant verbessert und damit für noch höhere Sicherheit sorgt.
„Durch unsere geschlossene Wertschöpfungskette – von der Pulverentwicklung über die Fertigung bis hin zur Endkontrolle – schaffen wir es, die additive Fertigung in neue Anwendungen zu bringen und die Performance von Rennsportkomponenten auf ein neues Level zu heben“, so Seidel.
Additive Fertigung treibt Innovationen bei Pankl voran: Ansys-Softwarelösungen ebnen den Weg
In der Planung des 2018 eröffneten High-Performance-Werks in Kapfenberg wurden auch Räumlichkeiten für eine noch sehr junge Fertigungstechnologie berücksichtigt: Mit dem Additive Manufacturing Competence Center ist es Pankl gelungen, die Additive Fertigung in die Obersteiermark zu holen und die Forschungsbemühungen führender Unternehmen wie EOS, Quintus oder voestalpine Böhler Edelstahl unter einem Dach zu vereinen.
Cleon Regensburger, Entwicklungsingenieur bei Pankl, arbeitet mit seinen Kolleg:innen im Bereich Additive Manufacturing (AM) an unserem Standort in Kapfenberg und beschäftigt sich mit der herausfordernden Fragestellung: Wie schaffen wir es, mittels additiver Fertigung hochbelastete und komplexe Produktsysteme – wie beispielsweise Motor- und Antriebskomponenten – für den Motorsport und die High-Performance-Automotive-Industrie herzustellen und dabei die Potentiale hinsichtlich Design und Leichtbau auszuschöpfen?
Additive Fertigung: Von der Vision zur Realität
Der im Automotive-Bereich hauptsächlich zur Anwendung kommende additive Fertigungsprozess ist das „Selektive Laserschmelzen“ bzw. „Selective Laser Melting (SLM)“, wobei es sich um ein sogenanntes Pulverbettverfahren handelt. Beim SLM wird feinkörniges Metallpulver durch einen Laser aufgeschmolzen und bei der anschließenden Abkühlung verfestigt. In einem iterativen Prozess entsteht so Schicht für Schicht ein physisches Bauteil direkt vom digitalen Modell.
Durch dieses Arbeitsprinzip ermöglicht das SLM-Verfahren eine werkzeuglose Herstellung von Bauteilen mit Werkstoffeigenschaften, die vergleichbar oder teilweise sogar über denen des jeweiligen Stabmaterials liegen, da sich die Mikrostruktur bei gleicher chemischer Zusammensetzung unterscheidet. Der große Vorteil sind die sehr kurzen Lieferzeiten und eine erweiterte Designfreiheit, die extreme Potentiale für den Leichtbau eröffnet. Die Designkomplexität steht dabei in keinem direkten Zusammenhang mit den Herstellungskosten, wie das bei anderen Fertigungsverfahren üblich ist. Beim SLM können grundsätzlich alle schweißbaren Metalle verarbeitet werden, dies resultiert in einem großen Materialportfolio und erlaubt somit vielseitige Anwendungsmöglichkeiten.
„Die SLM-Technologie und ihre rapide Weiterentwicklung in den letzten Jahren hat durch ihre Vielseitigkeit hinsichtlich verarbeitbarer Materialien, Fertigungsgenauigkeit, Oberflächenqualität und mechanischer Eigenschaften viele Türen zur Verwendung additiv gefertigter Bauteile geöffnet. Dies gilt insbesondere für funktionelle Bauteile, die strukturellen und thermischen Anforderungen ausgesetzt sind und in hochbeanspruchten Systemen zum Einsatz kommen – was sich perfekt mit unseren Ansprüchen bei Pankl deckt. Somit kann allgemein gesagt werden, dass sich das Anwendungsfeld vom reinen Prototypenbau mittlerweile definitiv hin zur Fertigung von Endbauteilen entwickelt hat.“, so Regensburger.
Pankl und Ansys: Zusammenarbeit auf dem Next Level
Um die verhältnismäßig junge Fertigungstechnologie am Markt stärker zu etablieren, hat Pankl in den letzten Jahren gemeinsam mit Partnern den Fokus auf die Weiterentwicklung der gesamten Prozesskette gelegt. In Anbetracht der Tatsache, dass im AM-Bereich die einzelnen Glieder der Wertschöpfungskette noch stärker interagieren als bei vielen anderen Fertigungsmethoden, ist ein solch holistischer Ansatz besonders wichtig. Das übergeordnete Ziel dieser Bemühungen ist eine weitere Industrialisierung der Technologie, um auch in höheren Stückzahlen zuverlässig und in einem attraktiven Preisniveau für den Kunden produzieren zu können, aber gleichzeitig die Flexibilität und Potentiale voll auszuschöpfen.
Als Teil davon kooperiert die Additive Manufacturing Business Unit mit dem Unternehmen Ansys, um das Design und die Produktion konventionell hergestellter Automotive-Teile für die additive Fertigung neu zu denken und zu optimieren. Ansys gilt als einer der führenden Anbieter von Software für die Bereiche 3D-Design und Simulation.
Durch den Einsatz von „State-of-the-Art“ Software mit neuen Designansätzen und Optimierungsmöglichkeiten für (AM-)Bauteile kann Pankl die Entwicklungsleistung steigern und Innovation nicht nur schneller, sondern auch kostengünstiger vorantreiben. Der Wettbewerbsvorteil, der dadurch erzielt wird, kommt unter anderem auch der Vermarktung dieser Technologie bei Pankl zugute.
„Additive Manufacturing als Fertigungstechnologie bietet Pankl eine Reihe von Vorteilen, wie kürzere Produktionsvorlaufzeiten, größere Funktionalität der Komponenten und Designfreiheit. Es treibt die Innovation einfach schneller an.“, so Regensburger. „Und wenn es eine Branche gibt, die an der schnellen Entwicklung innovativer Komponenten interessiert ist, dann ist es der Rennsport. Als renommierter Lieferant von Hochleistungsbauteilen für Antriebs- und Motorsysteme, aber auch Komponenten für die Luft- und Raumfahrt ist es für Pankl naheliegend, einen derart potentialreichen Prozess zu implementieren und zu erforschen. Unser Fokus liegt darauf, unseren Kunden leistungsstarke Produkte durch Innovation zu liefern. Der Einsatz von AM unterstützt uns bei diesem Ziel enorm.“
Die Additive Fertigung und die Bedeutung der Prozesssimulation
Ein grundlegendes Thema in der additiven Fertigung allgemein ist der Bedarf an sogenannten Stütz- bzw. Supportstrukturen. „Aufgrund der Tatsache, dass die SLM-Technologie prinzipiell als Schweißprozess einzuordnen ist, spielen thermische Effekte eine große Rolle. Thermisch induzierte Eigenspannungen durch das wiederholte Aufschmelzen und den extrem hohen Abkühlraten resultieren in Bauteilverzug und diversen, damit einhergehenden Prozessproblemen. Generell wird diesen mittels Supportstrukturen begegnet, welche die Bauteile an die Bauplattform binden und stabilisieren, aber auch eine entsprechende Wärmeableitung ermöglichen.
Besonders wenn Bauteile für eine konventionelle Fertigung ausgelegt worden sind – wie zum Beispiel bei Ersatzteilen, die mittels AM nachproduziert werden – ist es oft so, dass übermäßige Mengen an Supportstrukturen benötigt werden, die mitunter auch die Masse des Bauteils selbst übersteigen können. Ansys hilft uns mittels Simulationsmöglichkeiten nicht nur dabei, effizientere Supportstrukturen auszulegen, sondern auch Strategien und Setups zu erarbeiten, um die Abhängigkeit davon zu reduzieren. Die Reduktion von Supportstrukturen kommt nicht nur dem Bauteilpreis, sondern auch der möglichen Lieferzeit entgegen.“, führt Regensburger weiter aus. Bei den komplexen Tasks im gesamten Produktionsprozess, wie unter anderem Materialkalibrierung und Parameterentwicklung, Geometrie- bzw. Supportdefinition, Druck und Wärmebehandlung, kann Pankl mittels Ansys-Software jeden Schritt computergestützt analysieren und optimieren. Essentiell dabei ist die Prozesssimulation des eigentlichen Druckvorganges.
„Die Simulation mit Ansys-Software hilft uns sehr, kostspieligen Ausschuss zu vermeiden und Prozessprobleme vorherzusagen“, sagt Regensburger. „Aber es unterstützt uns auch dabei, unsere Job-Setups im Allgemeinen zu verbessern und die Qualität der Fertigteile zu steigern.“
Pankl und Ansys: Weiterentwicklung der additiven Fertigung
Gemeinsam entwickeln Pankl und Ansys Toolkits und Best-Practices der additiven Fertigung weiter, um diese Technologie mehr in Richtung industrieller Anwendung zu pushen. „Wir bei Pankl sind dafür bekannt, innovative Technologien zu nutzen, um komplexe Produkte zu liefern, die höchsten Ansprüchen gerecht werden. Daher passt die Ansys-Software in der Anwendung perfekt zu unseren Bedürfnissen. Mit der Ansys-Softwareunterstützung haben wir am Ende einen reibungslosen Druckjob und ein hoch-qualitatives Produkt.“, sagt Regensburger.
Die langfristige strategische Zusammenarbeit der beiden Unternehmen ebnet den Weg für Innovationen sowohl im Automotive-Bereich, als auch in der additiven Fertigung. Die Partnerschaft hilft Pankl, Verbesserungen in der neuen Technologie noch stärker voranzutreiben, um Anwendungsfelder zu erweitern und die Akzeptanz zu erhöhen.
„Wir sind eine Partnerschaft mit Ansys eingegangen, um unsere Kräfte zu bündeln und auf beiden Seiten Weiterentwicklungen zu verstärken. Mittels Ansys Software können wir unsere Produkte verbessern und gleichzeitig kann Ansys mithilfe unseres Feedbacks und Erfahrungen aus der Praxis deren Software optimieren – was nicht nur Unternehmen, die Ansys AM-Software nutzen, sondern auch der Marktakzeptanz und Nachfrage für additive Fertigung bei unseren Kunden zugutekommt.“, schließt Regensburger ab.
IndyCar-Serie fährt erstmalig mit additiv gefertigten Aeroscreens
Die IndyCar-Rennserie hat als erste Formel-Serie weltweit eine Schutzscheibe. Diese ist dazu da, um den Fahrer vor herumfliegenden Trümmerteilen zu schützen. Der Top Frame Bügel dafür wurde von Pankl additiv in Kapfenberg hergestellt.
Die IndyCar-Rennserie zeichnet sich durch eher gerade Rennstrecken aus, die mit sehr hoher Geschwindigkeit befahren werden. Dabei erreichen die Fahrzeuge oftmals eine Geschwindigkeit von bis zu 400km/h. Um den Fahrern bei diesen extremen Geschwindigkeiten besseren Schutz zu bieten, wurde von der Red Bull Advanced Technologies (RBAT) ein Top Frame mit einer Schutzscheibe entworfen. Um diese neue Form der Sicherheit auch streckentauglich zu machen, musste ein verlässlicher Produktionspartner her, der die Teile auch schnell produzieren konnte. Deshalb griffen die Designer auf die Methode der additiven Fertigung zurück und Pankl wurde als Tier-1-Lieferant ausgewählt.
Deshalb setzt IndyCar auf Additive Manufacturing
Eine der größten Vorteile des Additive Manufacturing ist die Flexibilität, die man vor allem bei Formen und Geometrien hat. Durch das Verfahren ist es uns bei Pankl möglich, auf verschiedenste Wünsche einzugehen. Beim Aeroscreen haben wir es zudem auch geschafft, dass wir das Gewicht auf 12,25 Kilogramm reduzieren – was natürlich essentiell im Motorsport ist. Dennoch ist das Teil stabil, hält den Gegebenheiten auf der Rennstrecke stand und das obwohl die Spitzengeschwindigkeiten oftmals 400 km/h betragen!
Ein zusätzlicher Vorteil der additiv gefertigten Teile ist auch die zeitliche Komponente: Jede Komponente wurde gefertigt, intern geprüft und danach professionell zusammengeschweißt, da der Top Frame nicht in einem Guss gedruckt wird, sondern aus einigen Teilen besteht, die nachträglich zusammengebracht werden.
Das ganze Projekt war für uns sehr spannend, da wir dabei nicht nur erstmalig eine Sicherheitskomponente für den Motorsport in der additiven Fertigung produziert haben, es gab auch einen sehr straffen Terminplan, den wir mit verschiedenen externen Partnern koordiniert haben. Nichtsdestotrotz hat das Ganze sehr viel Spaß gemacht und es ist ein tolles Gefühl, dass wir mittels unserer In-House-Technologie nicht nur zur Schnelligkeit, sondern auch zur Sicherheit der Fahrer in der IndyCar-Rennserie beitragen können. Zudem wurde uns für dieses gemeinsame Projekt der Louis-Schwitzer-Award 2020 verliehen.
So funktioniert die additive Fertigung
Meistens werden Formen aus einem Material-Block ausgeschnitten oder in Formen gegossen, woraus fertige Teile entstehen. Bei der Additiven Fertigung funktioniert die Produktion etwas anders: Hierbei werden Bauteile aus einem Pulver Schicht für Schicht – also additiv – aufeinandergereiht, mittels Energie (wie z.B. elektronischem Laser) zusammengedrückt, um so fest zu werden. Danach kommt die nächste Schicht Pulver auf die Oberfläche und das Prozedere beginnt von vorne. Der Vorgang wird so lange wiederholt, bis das Teil quasi fertig „gedruckt ist“. Dadurch, dass die zwei-dimensionalen Layer auf der x-Achse nacheinander aufgereiht werden und wachsen, wird diese Fertigungstechnologie auch gerne „3D-Druck“ genannt.
Da die Produktion Schicht für Schicht erfolgt, ist es wichtig, dass die Zeichnung des additiv gefertigten Produkts von den Konstrukteuren auch Schicht für Schicht im CAD-Programm angelegt wird. Nach der Produktion wird das fertige Teil mittels eines bestimmten Saugers abgesaugt und dann intern bei Pankl in der Qualitätssicherung überprüft.
Welche Vorteile bieten additiv gefertigte Produkte?
Der wohl größte Vorteil dieser Produktionstechnik ist die fast unendliche Möglichkeit, der vielen Formen und Geometrien, die mit dieser Technik hergestellt werden können. Zudem gibt es auch die Option, Bauteile innen hohl zu gestalten und trotzdem eine funktionale Stabilität zu gewährleisten. Dies ist vor allem für den Motorsport relevant, da durch diesen Herstellungsvorgang eine Gewichtsreduktion beim Fahrzeug möglich ist. Zudem können kleine Stückmengen ohne hohe Vorlaufs-Kosten oder zusätzlich anzuschaffende Formen schnell produziert werden. Genau aus diesen Vorteilen wurde Pankl mit der Herstellung des Top Frame beauftragt.
Das Additive Manufacturing Competence Center bei Pankl
Gemeinsam mit den Unternehmen EOS und Böhler haben wir bei Pankl im High Performance-Werk ein Competence-Center errichtet, welches mit Maschinen für die Additive Fertigung ausgestattet ist. und auch mit dem Zertifikat EN9100 ausgezeichnet wurde. Weltweit gibt es nur wenige Unternehmen, die in der metallischen additiven Fertigung tätig sind und diese Fertigungstechnologie anbieten.
