Delfter Hyperloop-Kapsel

Die Delfter Hyperloop-Kapsel erhielt eine aerodynamische Form und ähnelt einem Wassertropfen – die optimale Form für einen geringen Luftwiderstand. - Bild: Voxeljet

Wenn es nach Tesla-Gründer Elon Musk geht, soll der Hyperloop das Verkehrsmittel der Zukunft werden. Er soll so schnell sein wie ein Flugzeug und so viel Komfort bieten wie ein Zug. Die Vision: Kapseln, die mit einer Geschwindigkeit von bis zu 1225 km/h durch eine Röhre geschossen werden und dabei wesentlich weniger Energie benötigen als herkömmliche Verkehrsmittel. Für die Entwicklung rief Musk einen weltweiten Wettbewerb für Universitäten und freie Technikerteams aus. Dabei war auch das Team der Technischen Universität Delft, unterstützt von dem Prototypenhersteller RP2 und dem 3D-Druck-Anbieter Voxeljet.

Aluminiumteile im Feingussverfahren herstellen

In der ersten Wettbewerbsrunde holte das Team mit seiner Idee den zweiten Platz von über hundert Teams. Nur das Team des US-amerikanischen MIT war besser. Dritter wurden die Teilnehmer der Universitäten in Wisconsin, Virginia und Kalifornien. Die drei Besten durften in der zweiten Phase ihren Entwurf der Hyperloop-Kapsel maßstabsgetreu als Modell im Verhältnis 1:2 nachbauen.

Trends µ-genau

3D-Druck als Teil des Prozesses
Wenn es um komplexe Formen geht, ist es häufig hilfreich, unterschiedliche Herstellungsmethoden in Betracht zu ziehen. Der 3D-Druck konnte in diesem Falle da weiterhelfen, wo andere Verfahren zu kompliziert gewesen wären. Die Modelle, mit denen die Kavität der komplexen Formen für die Hyperloop-Teile erstellt wurde, wurden von Voxeljet aus PMMA gedruckt. RP2 nutzte diese Modelle zur Herstellung von Keramikformen für den Aluminiumguss. Das Material PMMA ermöglichte dabei ein genaues und unkompliziertes Ausbrennen.

Für die komplex geformten Aluminiumteile der Kapselaufhängung suchte das Delfter Team nach einem Partner, um diese im Feingussverfahren herzustellen. Das Uni-Team wählte den Prototypenbauer RP2 aus, mit dem seit längerem eine Projektpartnerschaft besteht. RP2 wiederum bezieht seit mehreren Jahren Feingussmodelle von Voxeljet. Um das Hyperloop-Projekt mit den nötigen Modellen zu unterstützen, fiel auch diesmal die Wahl auf Voxeljet. Als ein führender Anbieter von großformatigen 3D-Druckern und On-Demand-Teile-Dienstleistungen lieferte Voxeljet dem Team der TU Delft PMMA-Modelle (Polymethylmethacrylat) für den Guss von Bauteilen der Transportkapsel.

Profil

Voxeljet
Voxeljet wurde 1999 in Augsburg gegründet und ist ein Hersteller industrietauglicher 3D-Drucksysteme. Voxeljet betreibt Dienstleistungszentren in Deutschland, Indien UK und USA für die On-Demand-Fertigung von Formen und Modellen für den Metallguss. Hauptanwendungen sind dabei Formen und Kerne für den Sandguss, Kunststoffmodelle für den Feinguss sowie Anschauungsmodelle für unterschiedlichste Industriezweige. Zum Kundenkreis des Unternehmens zählen Automobilhersteller und ihre Zulieferer, Gießereien sowie Unternehmen aus der Kunst-, Architektur- und Designbranche.

Die PMMA-Modelle wurden auf einer VX1000 im Voxeljet-Dienstleistungszentrum Friedberg gedruckt. Der 3D-Drucker eignet sich für verschiedenste Anwendungen und soll eine wirtschaftliche Produktion von Einzelteilen bis zur Kleinserie ermöglichen. Mit einem Bauvolumen von 300 l (1000 x 600 x 500 mm3) wurden alle 25 benötigten Gussmodelle in einem Druckvorgang in weniger als 24 h produziert. Der hohe Detailgrad der Bauteile wurde dabei mit einer Druckauflösung von 600 dpi bei einer Schichtstärke von 150 µm realisiert. Für den Guss wurden die 25 verschiedenen Bauteile an RP2 versandt. Dort wurden mit dem Vakuum-Guss-Verfahren gegossen.

Mike de Winter
Mike de Winter, CEO von RP2. - Bild: Voxeljet

"Das PMMA-Material funktionierte für unseren Zweck optimal, da es mit sehr niedrigem Aschegehalt ausbrennt", berichtet Mike de Winter, CEO von RP2. "Es weitet sich beim Ausbrennen nicht aus, was das Risiko von Rissen in der Keramikschale verhindert. Zudem bietet es eine hervorragende Gussqualität." Die gedruckten Muster wurden für den Guss auf einen Wachsbaum aufgebracht. Der Baum wurde in Keramik eingebettet, die dann zum Aushärten in den Ofen kam. Nach dem Ausbrennen des Wachses und der PMMA-Gussformen konnte das Aluminium gegossen werden. Am Ende erhielt das Aluminium eine T6-Wärmebehandlung, um die Festigkeit zu verbessern und die weitere Bearbeitung zu erleichtern.

Zitat

"Das 3D-gedruckte PMMA-Material funktionierte für unseren Zweck optimal, da es mit sehr niedrigem Aschegehalt ausbrennt." Mike de Winter

Optimale Form dank Gussverfahren

Das Ergebnis kann sich sehen lassen: Die Delfter Hyperloop-Kapsel ist sicher, schnell, zuverlässig und effizient. Das Modell im Maßstab 1:2 kann Geschwindigkeiten von mehr als 400 km/h erreichen und Passagiere sowie Gepäck transportieren. Die Kapsel wurde mit nur 149 kg in Leichtbauweise konstruiert. Auch wenn fast kein Luftdruck in der Röhre herrscht, gibt es wegen des hohen Tempos trotzdem einen Rest-Luftwiderstand. Das war der Grund, warum die Hyperloop-Kapsel eine aerodynamische Form erhielt. Die Kapsel ähnelt einem Wassertropfen - die optimale Form, um den Luftwiderstand möglichst gering zu halten. Allerdings ergab dies eine weitere Herausforderung: Die Aufhängung musste aerodynamisch mit der organischen Form verbunden werden. Die Lösung dafür war das Gussverfahren, dank der umfangreichen Gestaltungsmöglichkeiten. Mit dem einzigartigen Design und Schwebemechanismus erstellten die Niederländer ein sicheres, schnelles und kostengünstiges Fahrzeugmodell.

Auch wenn das Delfter Team in der ersten Runde des Wettbewerbs mit dem zweiten Platz knapp am Sieg vorbeigedüst ist, hat es in der zweiten Runde im Januar 2017 auf der kalifornischen Teststrecke überzeugen können. Es ging als Gesamtsieger hervor und konnte in allen Wettbewerbskriterien mit den höchsten Durchschnittswerten punkten. ta

Profil

RP2
RP2 ist spezialisiert auf die Produktion von Prototypen und kleine Serienproduktionen aus Kunststoff und Metall. Die Kombination von modernen Technologien zur additiven Herstellung und Handwerkskunst soll die Herstellung von Produkten mit hoher Qualität ermöglichen. Das Unternehmen verfügt über verschiedene High-End-3D-Drucker, welche detaillierte Teile mit hoher Oberflächenqualität drucken können. Mit dem 3D-Druck sollen schnell Gussformen aus Kunststoffen, Silikongummis und verschiedenen Metalllegierungen erstellt werden können. Das ermöglicht die Herstellung von kleineren Serien zum Testen oder für den Endbenutzer und vermeidet Kosten für die Werkzeugerstellung.