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3D-Sanddruck im CFK-Formenbau

: voxeljet


Verkehr und Mobilität ist heute allgemein verbunden mit hohem Energie- und Ressourcenverbrauch. Luftverschmutzung, Lärm und Stress sind die Nebenwirkungen. Hier ist eine tiefgreifende Veränderung überfällig. Und da kommt die Vision von Thomas Viebach ins Spiel. Viebach ist der Mann hinter pedilio, dem ersten Solar Velomobil aus deutscher Fertigung. Denn der Ingenieur findet, dass Mobilität frei von Lärm und Schadstoffen sein sollte. Dafür hat er mithilfe von 3D-Druckexperte voxeljet Werkzeuge für die nahezu allwettertaugliche Karosserie aus Carbonfaserlaminat für sein futuristisches Vehikel konzipiert und durch den on demand 3D-Druckservice von voxeljet Realität werden lassen.

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pedilio ist ein Velomobil mit besonders kleinen Außenmaßen für eine Person und bietet sicheren Überblick durch gleiche Augenhöhe mit dem Autoverkehr. Im Gegensatz zum Pedelec, also zum Fahrrad mit elektrischem Hilfsmotor, ist pedilio allwettertauglich. Denn durch die ausgefeilte Karosserie ist der Fahrer sogar im tiefsten Winter vor den ärgsten Wettereinflüssen geschützt. (Bild: Viebach)

pedilio ist ein Velomobil mit besonders kleinen Außenmaßen für eine Person...

„Technisch war das Solar Velomobil bereits voll funktionsfähig, doch das entscheidende Feature für den Endkunden konnte ich erst mit 3D-Druck realisieren“, erklärt Erfinder-Ingenieur Thomas Viebach. Es ging darum, die Außenverkleidung für einen Prototyp zu bauen. Als harmonischen Anschluss an die wetterschützende Dachkonstruktion. Aus gleichermaßen robustem und leichtem CFK (carbonfaserverstärkter Kunststoff). Ingenieur Viebach: „Als Startup muss ich die Kosten im Blick behalten und schnell sollte es auch noch gehen. Da passte die on demand Teilefertigung von voxeljet perfekt.“

Die Fakten zu pedilio

Das Solar Velomobil pedilio ist für Geschwindigkeiten von bis zu 45 Kilometern in der Stunde und, je nach Akku, einer Reichweite von 60 bis 120 Kilometern ausgelegt. Im Gegensatz zum Pedelec, also zum Fahrrad mit elektrischem Hilfsmotor, ist pedilio allwettertauglich. Denn durch die ausgefeilte Karosserie ist der Fahrer sogar im tiefsten Winter vor groben Wettereinflüssen geschützt. Seine Energie bezieht pedilio neben dem traditionellen Pedalantrieb zudem umweltschonend aus seinen Solarzellen auf dem Dach. Daher auch der Name des Projekts: „Ped“ steht für den Pedalantrieb und „ilio“ ist griechisch und bedeutet Sonne. Erfinder Viebach stellte sein pedilio Ende April 2018 auf der Spezialradmesse in Germersheim der Öffentlichkeit vor. pedilio ist sogar schon für die Straße zugelassen und als Leichtkraftfahrzeug bis 45 km/h (Klasse L6e) klassifiziert.

Industrieller 3D-Druck für den Prototypenbau

Für den pedilio-Prototyp suchte Viebach nach einer schnellen und kostengünstigen Methode zur
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Das leichte pedal-elektrisch angetriebene Fahrzeug sollte einen Kofferraum aus Carbonfaserlaminat, eine Frontverkleidung, einen wasserdichten Fußraum und Kotflügel erhalten. Aus Gewichtsgründen wählte Ingenieur Thomas Viebach die leichte und robuste Carbonfaser. (Bild: Viebach)

Das leichte pedal-elektrisch angetriebene Fahrzeug sollte einen Kofferraum aus...

Herstellung der Laminier- und Tiefziehformen, die er für die Außenhaut des Gefährts plante. Das leichte pedal-elektrisch angetriebene Fahrzeug sollte einen Kofferraum aus Carbonfaserlaminat, eine Frontverkleidung, einen wasserdichten Fußraum und Kotflügel erhalten. Aus Gewichtsgründen wählte der Entwicklungsingenieur für Feinwerktechnik die leichte und robuste Carbonfaser. Als Verfahren für die Herstellung der komplexen Werkzeuggeometrien der Bauteile kam der moderne industrielle 3D-Druck von voxeljet zum Einsatz.

3D-Druck in Sand ist kostensparend und schnell

Der 3D-Druck mit Sand bietet die Möglichkeit, auch großformatige CAD-Modelle in reale Formen zu überführen. Hingegen wäre das Fräsen der großen Teile aus Plattenmaterial dramatisch teurer. Alternativ hätte Viebach die Modelle im konventionellen Modellbau aus Holz und Hartschaum anfertigen müssen, was wesentlich zeitaufwändiger gewesen wäre. „Der industrielle 3D-Druck, wie voxeljet ihn anbietet, bietet enorme Zeit- und Kostenvorteile“, sagt Viebach. „Außerdem eignet sich das Verfahren für die Erstellung von Tiefziehformen und Laminierformen gleichermaßen.“ Viebach: „Für den pedilio-Prototyp brauchte ich insgesamt sieben verschiedene Verkleidungsteile, die wir im Faser-Laminat-Verfahren hergestellt haben. Die Urmodelle der Formen ließ ich direkt bei voxeljet als Positivform drucken, um davon in einem Zwischenschritt teilbare, leichte Negativformen abzunehmen. Für eine angenehmere Handhabbarkeit.“

Problemlos zu komplexen Geometrien

„Die Geometrie des Kofferraums beispielsweise habe ich gemeinsam mit dem voxeljet-on demand
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3D sandgedruckte Tiefzieh- und Laminierwerkzeuge von voxeljet. Diese wurden teilweise ausgehöhlt, um das Gewicht zu reduzieren.

3D sandgedruckte Tiefzieh- und Laminierwerkzeuge von voxeljet. Diese wurden...

Printing Team in einer 3D-CAD-Software konstruiert. Wegen der späteren Entformbarkeit des Kofferraumbauteils, musste die Form dreiteilig ausgeführt werden.“ Für das Laminieren der Negativform fügte Viebach einen breiten Überstand an den Rändern des Modells hinzu. Außerdem sind die Formstücke aus Gewichtsgründen hohl aufgebaut, mit Verstärkungsrippen im Innenraum. „Selbst diese komplizierte Geometrie des Kofferraums war für die 3D-Druckspezialisten von voxeljet keine größere Herausforderung“, erinnert sich Viebach.

Zum Infiltrieren trug Erfinder Viebach dünnflüssiges Epoxydharz mehrmals nass-in-nass auf, sodass sich die Formoberfläche zur Stabilisierung gut mit Harz vollsaugen konnte. Nach dem Schleifen und der Versiegelung der Oberfläche waren die Formen einsatzbereit.

„Durch das voxeljet 3D-Sanddruckverfahren war es möglich, die Urmodelle für die Faserlaminatteile direkt nach computermodellierten 3D-Daten auszudrucken. Im folgenden Zwischenschritt konnte ich dank der voxeljet-Positivform, gut handhabbare, leichte Negativformen abnehmen“ erklärt Thomas Viebach.

Thermoformen oder Vakuumtiefziehen

Das Thermoformen, auch Vakuumtiefziehen genannt, hat aufgrund seiner Wirtschaftlichkeit seit mehreren Jahren seine Daseinsberechtigung in industriellen Anwendungen gefunden. Da die Werkzeugkosten im Vergleich zum traditionellen Spritzguss nahezu entfallen, ist das Thermoformen bei kleinen
und mittleren Losgrößen besonders kostengünstig.

Vom 3D-Sanddruck zum Tiefziehformen

Die 3D-gedruckten Teile infiltriert Viebach mit Epoxydharz, um die Oberflächenfestigkeit zu steigern, gleichzeitig aber die Gasdurchlässigkeit, für eine gleichmäßige Verformung des Materials, beizubehalten. Es folgt das Schleifen der Oberfläche der Sandform. Die behandelten Sandmodelle konnten so direkt in die Tiefziehmaschine eingelegt werden. Um das Formengewicht möglichst gering zu halten hat Viebach die Sandformen hohl aufgebaut. Um aber die Kräfte beim Tiefziehvorgang aufnehmen zu können, fügte Viebach Stützrippen im Inneren der Form hinzu. Diese Formen sind mehrmals wiederverwendbar. Für die Seitenfensterelemente, die Heckscheibe sowie Scheinwerfergehäuse von pedilio formte Viebach glasklares, zwei Millimeter starkes PET-Material um.

pedilio ist ein Velomobil mit besonders kleinen Außenmaßen für eine Person und bietet sicheren Überblick durch gleiche Augenhöhe mit dem Autoverkehr. Im Gegensatz zum Pedelec, also zum Fahrrad mit elektrischem Hilfsmotor, ist pedilio allwettertauglich. Denn durch die ausgefeilte Karosserie ist der Fahrer sogar im tiefsten Winter vor den ärgsten Wettereinflüssen geschützt. (Bild: Viebach)
Das leichte pedal-elektrisch angetriebene Fahrzeug sollte einen Kofferraum aus Carbonfaserlaminat, eine Frontverkleidung, einen wasserdichten Fußraum und Kotflügel erhalten. Aus Gewichtsgründen wählte Ingenieur Thomas Viebach die leichte und robuste Carbonfaser. (Bild: Viebach)
3D sandgedruckte Tiefzieh- und Laminierwerkzeuge von voxeljet. Diese wurden teilweise ausgehöhlt, um das Gewicht zu reduzieren.
Die poröse und raue Struktur der Sandmodelle wurde durch Infiltration mit Kunstharz und Schleifen der Oberfläche verfestigt und fein geglättet.
Aufgebrachtes und ausgehärtetes CFK-Laminat.
Fertiglaminiertes Bauteil in CFK (carbonfaserverstärkter Kunststoff) mit Schutzfolie.
Workflow Laminieren: 1. 3D-gedrucktes Bauteil, 2. Infiltration, 3. Schleifen der Form, 4. Poren füllen, 5. Gel Coating, 6. Gelcoat, 7. Laminat, 8. Entformung.
Workflow Thermoforming: 1. 3D-gedrucktes Bauteil, 2. Schleifen Oberfläche, 3. Infiltration, 4. Zweiter Schliff, 5. Oberflächenversiegelung, 6 & 7. Tiefziehvorgang.


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Binderjetting (BJ)

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Trumpf zählt zu den Maschinenpionieren im Bereich der Metall-Additiven Fertigung. Nach einem starken Einstieg im Jahr 2003 hat sich das Unternehmen aus dem Bereich zurückgezogen, um etwa zehn Jahre später ein umso fulminanteres Comeback zu feiern. Nach wie vor zählt der Maschinenbauer aus Ditzingen (D) zu den technologischen Vorreitern. Dr. Thomas Fehn, General Manager Trumpf Additive Manufacturing, schildert, wie Trumpf den Markt um die Additive Fertigung einschätzt. Das Interview führte: Georg Schöpf, x-technik
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