Fachartikel

2.05.2017
erschienen in GIESSEREI Heft 5|2017

Hyperloop-Konzept aus der Ideenschmiede der Uni Delft

Bild 4: Wachsbaum mit angebrachten
PMMA-Modellen.

Wenn es nach Visionär 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. Seine Vision für das futuristische Transportsystem: Kapseln, die mit einer Geschwindigkeit von bis zu 1225 km/h durch eine Röhre geschossen werden.

VON MATTHIAS KRAMER, FRIEDBERG

Für die Entwicklung lobte Tesla-Gründer Musk einen weltweiten Wettbewerb für Universitäten und freie Techniker-Teams aus. Voxeljet aus Friedberg unterstützte RP2 aus Etten-Leur, Niederlande, den Prototypenhersteller und Partner der Technischen Universität Delft, bei diesem Zukunftsprojekt. Als führender Anbieter von großformatigen 3-D-Druckern und On-Demand-Teile-Dienstleistungen lieferte voxeljet dem Team der TU Delft PMMA-Modelle (Polymethylmethacrylat) (Bild 1) für den Guss von Bauteilen der Transportkapsel. Zuvor holte das niederländische Team von über einhundert Teams mit seiner Idee den zweiten Platz in der ersten Wettbewerbsrunde. Nur dem US-amerikanischen MIT (Massachusetts Institute of Technology) musste es sich geschlagen geben. Dritter wurden die Teilnehmer der US-Universitäten in Wisconsin, Virginia und Kalifornien. Die drei besten Teams aus diesem Wettbewerb durften in der zweiten Phase ihren Entwurf der Hyperloop-Kapsel maßstabgetreu als Modell im Verhältnis 1:2 nachbauen (Bild 2).

voxeljet liefert präzise PMMA-Gussformen

Für die komplex geformten Aluminiumteile der Kapselaufhängung (Bild 3) suchte das Delfter Team nach einem Partner, um sie im Feingießverfahren herzustellen. Dazu wählte das Uni-Team Prototypenbauer RP2 aus, mit dem seit Jahren eine Projektpartnerschaft besteht. RP2 holte zur Unterstützung den 3-D-Druckexperten voxeljet mit ins Boot. Die PMMA-Modelle für den Guss wurden auf einer VX1000 im voxeljet-Dienstleistungszentrum in Friedberg gedruckt. Der universelle 3-D-Drucker eignet sich für unterschiedliche industrielle Anwendungen und ermöglicht eine wirtschaftliche Produktion von Einzelteilen bis zur Kleinserie. Mit einem Bauvolumen von 300 l (1000 x 600 x 500 mm²) wurden alle 25 benötigten Gussmodelle in nur einem Druckvorgang in weniger als 24 h produziert. Der hohe Detailgrad der Bauteile wurde dabei durch eine Druckauflösung von 600 dpi in Kombination mit einer Schichtstärke von nur 150 µm realisiert.

Optimale Materialwahl für geringen Aschegehalt

Für den Guss wurden die 25 verschiedenen Bauteile an RP2 versandt. Es wurde das Vakuum-Guss-Verfahren gewählt. Dazu Mike de Winter, CEO von RP2: „Das PMMA-Material funktionierte für unseren Zweck optimal, weil es mit einem sehr niedrigen Aschegehalt ausbrennt. Es weitet sich beim Ausbrennen nicht aus, was das Risiko von Rissen in der Keramikschale verhindert. Außerdem bietet es eine hervorragende Gussqualität“.

Komplexe Feingussmodelle günstig und schnell hergestellt

Die gedruckten Muster wurden für den Guss auf einem Wachsbaum aufgebracht (Bild 4). 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, die die Festigkeit verbesserte und die weitere Bearbeitung erleichterte. „Trotz der geringen Stückzahl war es dank der 3-D-Drucktechnologie möglich, die komplexen Feingussmodelle kostengünstig und in kürzester Zeit herzustellen“ (Bild 5), erläutert Florian Rauscher, Projektverantwortlicher des Customer Services bei voxeljet.

Delfter Hyperloop-Kapsel setzt auf Aerodynamik

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 ist in der Lage, sowohl Passagiere als auch Gepäck zu transportieren. Mit einer Masse von nur 149 kg wurde die Kapsel in Leichtbauweise konstruiert. Auch wenn fast kein Luftdruck innerhalb der Röhre herrscht, gibt es aufgrund des hohen Tempos, das fast der Schallgeschwindigkeit entspricht, trotzdem noch einen Rest-Luftwiderstand. Dies war auch der Grund, warum die Delfter Hyperloop-Kapsel eine aerodynamische Form erhielt. Wie in den Abbildungen zu sehen ist, ähnelt die Kapsel einem Wassertropfen, da dies die optimale Form ist, um den Luftwiderstand so gering wie möglich zu halten. Allerdings bedeutete dies eine weitere Herausforderung: Die Aufhängung musste aerodynamisch mit dieser organischen Form verbunden werden, zumal es fast unmöglich ist, eine gekrümmte oder doppelt gekrümmte Oberfläche zu fräsen. Dank seiner umfangreichen Gestaltungsoptionen fand das Delfter-Team im Gießverfahren die Lösung.

Kapseln schießen fast in Schallgeschwindigkeit durch Röhren

Kurz zur Vision des Verkehrsmittels der Zukunft: Auf Stahlbetonstützen sollen zwei parallel laufende Röhren gebaut werden, in denen sich Kapseln mit 20 bis 30 Menschen an Bord in einem Teilvakuum bewegen. Um hohe Geschwindigkeiten erreichen zu können soll der Druck in den Röhren bei etwa 100 Pascal gehalten werden, einem Tausendstel des Normaldrucks. So wäre für dieses Transportsystem nur ein Bruchteil der Energie notwendig, die herkömmliche Verkehrsmittel verbrauchen. Denn aufgrund des sehr geringen Luftwiderstands ist fast keine Antriebskraft nötig, um die magnetisch angetriebenen Fahrzeuge zu beschleunigen. Dies würde die Kosten für den Aufbau und die Erhaltung der Infrastruktur drastisch reduzieren. Der Hyperloop ist eine Technologie, die auf umweltfreundliche Art und Weise hohe Geschwindigkeit realisieren könnte.

Das Delfter-Hyperloop-Team: die Besten der Besten

Das Delfter-Hyperloop-Team besteht aus 30 Mitgliedern aus allen Fakultäten der Technischen Universität Delft, die als die Besten aus fast 200 Bewerbern ausgewählt wurden. Dieses Team nahm am „SpaceX Hyperloop Pod-Wettbewerb“ teil, der von Elon Musk 2013 ins Leben gerufen wurde, weil er das Hyperloop-Projekt nicht alleine umsetzen wollte. Mit einem einzigartigen Design und Schwebemechanismus erstellten die Niederländer ein sicheres, schnelles und kostengünstiges Fahrzeugmodell. Die Transportkapsel in halber Maßstabsgröße wurde im Januar 2017 durch die Teströhre von SpaceX in Kalifornien geschickt.

Ein Stück Hyperloop-Zukunft mitgestaltet

RP² bezieht bereits seit mehreren Jahren Feingussmodelle vom voxeljet 3-D-Druck-Dienstleistungszentrum. Um das Hyperloop-Projekt mit den nötigen Feingussmodellen zu unterstützen, war voxeljet auch diesmal die erste Wahl. „Dies ist sicherlich kein alltägliches Projekt. Wir freuen uns sehr, ein Teil dieses Transportkonzepts zu sein, das uns vielleicht schon in wenigen Jahren in nur 30 min von München nach Berlin bringen wird“, so der voxeljet Projektverantwortliche Rauscher. Auch wenn die Delfter in der ersten Runde des Hyperloop-Wettbewerbs mit dem zweiten Platz knapp am Sieg „vorbeigedüst“ ist, hat das niederländische Team in der zweiten Entscheidungsrunde im Januar 2017 auf der kalifonischen Teststrecke überzeugen können. Sie gingen als Gesamtsieger hervor, die in allen Wettbewerbskriterien jeweils mit den höchsten Durchschnittswerten punkten konnten.

www.voxeljet.de
www.rp2.nl