gie_08_2021

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SPEKTRUMPrinted CastingGedruckte Gießform fürE-Motorrad-KühlungVon Studierenden der ETH Zürich entwickelt,ist das E-Motorrad ethec city nicht nur intechnischer, sondern auch in optischer Hinsichteine gelungene Konstruktion.Ein neuartiges Kühlsystem sorgt im Elektromotorrad ethec city für eine längere Lebensdauerder Batteriezellen. Um den Studenten der ETH Zürich Fertigungsverfahren näherzu bringen, die abseits des Prototypenbaus für die Serienproduktion eingesetzt werdenkönnen, fertigte voxeljet aus Friedberg die Gießform für das innovative Batteriegehäusedes Prototypen im Binder Jetting-Verfahren.FOTOS: VOXELJETVON FREDERIK VON SALDERN, FRIED-BERGMit dem E-Motorrad rasendschnell und nahezu lautlos dieWeite der Landschaft durchqueren:Was in Science-Fiction-Filmenselbstverständlich ist, wird in der Gegenwartdurch die Tücken der Batterietechnologiekräftig ausgebremst. Hohe Geschwindigkeitund große Reichweite sindin der E-Mobilität anno 2021 praktischimmer mit extrem schweren und voluminösenEnergiespeichern verbunden. Pkwund Lkw mögen den dafür nötigen Platzbereits bieten; auf dem Weg zum klimafreundlichangetriebenen Feuerstuhlmuss die Ingenieurskunst aber erst nocheinige Hürden überwinden. Was es anvergleichsweise leistungsstarken E-Motorrädernam Markt bereits gibt, eignetsich mangels Akkukapazität bislang eherfür den Stadtverkehr als für ausgedehnteÜberlandfahrten.Prototyp aus dem 3-D-DruckerDer technologische Ansatz des etheckönnte das ändern. ETHEC steht für „ETHElectric Cruiser“, das Konzept eines Elektromotorradesvon Studenten der EidgenössischenTechnischen Hochschule Zürich.Im Rahmen von „Fokusprojekten“bekommen Studierende der ETH die Möglichkeit,ihre theoretisch erworbenenKenntnisse in reale Technologien umzusetzen.Als Projektträger fungiert die in-78 GIESSEREI 108 08/2021
spire AG, die als strategischer Partner derHochschule den Technologietransfer vonForschungsergebnissen in praktische Anwendungenbegleitet. Im 2017 gestartetenProjekt ethec sollte es darum gehen,die Effizienz von E-Motorrädern über dieRückgewinnung von Bremsenergie undeine veränderte Konstruktion der Batteriedeutlich zu steigern. Zugleich musste dasTeam aus Maschinenbau-Studierenden,angehenden Elektroingenieuren und künftigenIndustriedesignern von der ETH Zürich,der Fachhochschule Nordwestschweizund der Züricher Hochschule derKünste entscheiden, welche Verfahren zurHerstellung der benötigten Bauteile jeweilsam besten geeignet wären. Da eszunächst um einen Prototyp ging, galt dieAufmerksamkeit vor allem dem 3-D-Druck.Begrenzter Raum erschwert BatteriekühlungDie Rekuperation, also die Rückgewinnungvon Bremsenergie, realisierten dieSchweizer Tüftler über den Einbau einesRadnabenmotors ins Vorderrad der Maschine.Deutlich schwieriger gestaltetesich die Frage, wie der zusätzlich verfügbareStrom am besten zur Steigerung derReichweite gespeichert werden könne.Auf geringstem Raum eine hohe Energiedichtezu schaffen, ist eine Sache. Die imBatteriebetrieb entstehende Wärme aufeinem konstanten Niveau zu halten, gestaltetsich am Motorrad hingegenschwieriger als in einem größeren Fahrzeug.Für die Lebensdauer des Akkus istoptimales Temperaturmanagement jedochvon entscheidender Bedeutung.„Die Batteriekühlung von E-Fahrzeugenerfolgt normalerweise mit einemKühlmittel, das durch einen Schlauch oderein Rohr an den Zellen vorbeifließt“, erklärtDr. Josef Mayr, Gruppenleiter ThermischeSimulation bei der inspire AG ausZürich und Koordinator des ETHEC-Projektes.„Der Nachteil dieser Methode liegtdarin, dass lediglich Punkt- oder Linienberührungenstattfinden und ein direkterKontakt mit den Zellen eigentlich gar nichterreicht wird.“ Mit Blick auf den knappbemessenen Raum in der Mitte des Motorradrahmenskam damit letztlich nur einKonzept infrage: die komplette Einbettungaller Batteriezellen in ein Bad aus Öl.Als Vorbild diente dem ethec-Team dasKühlsystem von Transformatoren in denUmspannwerken der großen Stromnetze.Das Silikonöl hat eine ähnlich gute dielektrischeEigenschaft wie Luft, wodurch einKurzschluss in der Batterie verhindertwird, gleichzeitig ist die Wärmekapazitätaber um ein Vielfaches höher.Sandform im 3-D-Druck als Einstiegin die SerienfertigungLackiert und einsatzbereit: Die neuartige Konstruktionzur Kühlung der Batteriezellen in Silikonölverlängert die Lebensdauer des Energiespeichersund erhöht zugleich die Reichweitedes E-Motorrads ethec city.Verteilt auf zwei Module, montierten dieETH-Studierenden insgesamt 1260 Lithium-Ionen-Rundzellenmit einer Gesamtleistungvon etwa 15 kWh. Auf Basis computergestützterStrömungssimulationenentstand dann die optimale Struktur desBatteriegehäuses, das nicht nur absolutdicht sein musste, sondern auch den perfektenKontakt zwischen den einzelnenZellen und dem Fluss aus Silikonöl sicherstellensollte. Ein Objekt von der Größedes ethec-Batteriegehäuses überstiegaber die Kapazitäten der verfügbaren DirektMetalllasersinter (DMLS)-Anlagen.Und um den Studierenden, so Josef Mayr,„die Richtung vom Prototyp zur Serie aufzuzeigen“,fiel die Wahl auf das Metallgießen.Konkret: Auf eine im 3-D-Druck angefertigteSandform als Vorlage für denAbguss einer Aluminium-Kupfer-Legierung– kurz Printed Casting.Die vom ethec-Team bereitgestellten,digitalen CAD-Daten des Batteriegehäusesbildeten für den 3-D-Druckerherstellerund On-Demand-Dienstleister voxeljetdie Basis zur Herstellung einer Sandgussformim Binder Jetting-3-D-Druck. Dabeiwerden abwechselnd eine wenige Mikrometerdünne Schicht aus Quarzsand undein darauf gejettetes Bindemittel aufeinandergeschichtet,bis die vorgegebeneGeometrie des späteren Bauteils mithöchster Präzision abgebildet ist. Die Fertigstellungdes ETHEC-Batteriegehäuseserfolgte schließlich in der Aluminiumgießereivon Kupral Spa mit Sitz im italienischenBrescia.Eine vollumfängliche praktische Erprobungdes ethec-Prototyps steht derzeitnoch aus. Doch das von Studenten erdachteKonzept eines energieeffizientenE-Motorrads zeigt ein beeindruckendesPotenzial: Die Höchstgeschwindigkeit sollmaximal 160 km/h betragen und dankRekuperation und dem neuartigen Batteriekonzeptkönnte ethec city eine Reichweitevon rund 400 Kilometern erreichen.Ob das Konzept auch potenzielle Käuferüberzeugt, bleibt für den Moment offen– die Suche nach einem Partner für dieindustrielle Serienfertigung von ethec citydauert noch an.Reinigung der fertig gedruckten Sandform. Das Negativ für den Abguss zeigt bereits die feinenRippen des Batteriegehäuses. Sie sorgen für eine gleichmäßige Abgabe der entstehendenWärme der 1260 Lithium-Ionen-Zellen an die Umgebungsluft.Frederik von Saldern, voxeljet AG, Friedbergwww.voxeljet.com.GIESSEREI 108 08/2021 79
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