Aktive Aerodynamik, Funktionsintegration und ein ansprechendes Design - Mehrzieloptimierung durch 3D-Druck

• Was wurde benötigt: Aktives Heckflügel-System
• Herstellungsverfahren: Selektives Lasersintern mit SLS Pulver
• Anforderungen: Komplexes Bauteil, niedrige Reibwerte, geringes Gewicht, reduzierte Konstruktionszeit und Kosten
• Material: iglidur i3
• Branche: Automobilbranche
• Erfolg durch die Zusammenarbeit: Hohe Zeitersparnis, reduzierte Kosten, hochkomplexe Struktur der Bauteile in einem Stück herstellbar

Die Anwendung auf einen Blick:
Das Konzept „WING3D“ des Forschungsprojekts OptiAMix ist ein Heckflügel System, das durch 3D-Druck eine aktive Aerodynamik ermöglicht. Die in konventionellen Methoden hergestellten Heckflügel boten unter anderem keine Möglichkeit, in dessen Halterung eine Hydraulik zu integrieren. Das Zusammenspiel verschiedener Werkstoffe, wie Aluminium und tribologisch optimiertem iglidur Kunststoff bietet für das System eine innovative Funktionsweise in der Verstellung des Heckflügels bei gleichzeitig gesteigerter Abriebfestigkeit.

Das OptiAMix Forschungsprojekt der EDAG Group mit der igus GmbH versuchte, einen verstellbaren Heckspoiler zu bauen, der seine Stellung situativ an die Fahrdynamik des Autos anpasst. Die aktive Verstellung des Heckflügels setzt voraus, dass die Bauteile verschleißfest sind und niedrige Reibwerte aufweisen. Ein robuster Werkstoff wurde benötigt, der in seiner Konstruktion jedoch gleichzeitig genug Platz für die integrierte Hydraulik bietet. Mit den herkömmlichen Fertigungsverfahren war die Umsetzung der dafür benötigten hochkomplexen Leichtbauteile insofern kaum realisierbar, da die Planung und Fertigung dieser Bauteile zu zeitintensiv und kostspielig sind.

Beim 3D-Druck ist es möglich, jedes einzelne Bauteil so zu gestalten und zu drucken, dass es sowohl voll funktionsfähig als auch optisch ansprechend ist. Gleichzeitig ist eine hohe Vielfalt an Werkstoffen umsetzbar und ermöglicht so einen individuellen Druck der Leichtbauteile. Durch den Einsatz von 3D-gedruckten Gleitlagern aus iglidur i3, einem tribologisch optimierten igus Kunststoff, kann das Heckflügel-System deutlich reibungsärmer und wartungsfreier betrieben werden als mit einem normalen Kunststoff. Das Hochleistungspolymer weist im Vergleich zu herkömmlichen Materialien für das Lasersintern eine bis zu 30 Mal verbesserte Abriebfestigkeit auf und ist für das Verstellen des Heckflügels der perfekte Werkstoff. Im Gegensatz zu Herstellungsverfahren wie Fräsen oder Spritzguss konnten die komplexen Innenbereiche des Bauteils im 3D-Druck einfach und schnell in einem Stück umgesetzt werden.

Für das Heckflügel System wurden 3D-gedruckte Gleitlager eingesetzt. Der große Vorteil des Verfahrens ist der schnelle Druck der hochkomplexen Bauteile, die in herkömmlichen Fertigungsverfahren nicht so einfach realisierbar sind. Die spezielle Form und der komplizierte Innenraum können in der additiven Fertigung in nur einem Stück hergestellt werden. Das senkt die Kosten und sorgt für eine effiziente Produktion. Gerade im aktiven Heckflügel System ist es wichtig, ein reibungsarmes Verstellen zu ermöglichen. Bei der igus GmbH aus Köln wird im 3D-Druck eigens dafür entwickelter Kunststoff iglidur i3 zu Gleitlagern verarbeitet, die verschleißfest und gleichzeitig reibungsarm sind. Die selbstschmierenden Bauteile sind außerdem wartungsfrei und somit bestens geeignet für den aktiv verstellbaren Heckflügel.

Hergestellt wurde ein bionischer Aluminium-Halter für den Heckflügel mit integrierter Hydraulik. Diese wird durch die Bewegung eines Kolbens durch Öldruck von bis zu 90 bar realisiert, der eine Verstellung des Anstellwinkels stufenlos von 6° bis 42° ermöglicht. Mit Hilfe einer im Halter eingebauten elektrischen Leitung für den Sensor zur Lage- bzw. Winkelbestimmung des Flügels passt sich dieser aktiv an die Fahrsituation an. Ebenfalls ist eine Bremsfunktion vorgesehen, die durch ein integriertes LED-Bremslicht im Halter ergänzt wird. Zusätzlich dazu wurden 3D-gedruckte Gleitlager eingesetzt, die die Reibung reduzieren. Alle Bauteile, die in der additiven Fertigung entstanden sind, sind genau an die jeweilig anderen Bauteile angepasst ohne dabei an Funktion oder optischer Ästhetik einbüßen zu müssen – eine regelrechte Wechselwirkung von Form und Funktion, die durch den 3D-Druck auf eine neue Designebene gehoben wird.

Das Material iglidur i3 ist eigens für das Lasersintern entwickelt und hat eine bis zu 30 Mal verbesserte Abriebfestigkeit gegenüber herkömmlichen SLS-Materialien. Im Kunststoff integrierte Feinschmierstoffe optimieren die Gleiteigenschaften der Bauteile, was eine besonders hohe Lebensdauer in vielfältigen Einsatzgebieten verspricht. Mit iglidur i3 hat das aktive System das perfekte Hochleistungspolymer gefunden, um Form und Funktion zu vereinen. Die selbstschmierenden Bauteile aus dem additiven Verfahren ermöglichen ein reibungsarmes und wartungsfreies Verstellen an den Lagerstellen des Heckflügels. Damit wird eine Langlebigkeit des Systems gewährleistet, die mit anderen Kunststoffen an dieser Stelle nicht möglich wäre.