Eindhovense ZEM 3D geprint met gerecycled materiaal

Iets waar een gemiddelde autofabrikant vier jaar over doet, hebben de studenten van TUe Automotive in amper een jaar geflikt: een nieuwe auto ontwikkelen en bouwen. Design- en simulatiesoftware is de eerste tool die de studenten geholpen heeft; 3D printen de tweede. Het chassis, de bodypanelen, de dakstructuur en een deel van het interieur zijn in Nederland geprint. Met uitsluitend gerecyclede kunststof.

---

Een auto die niet alleen CO2 neutraal is, maar zelfs tijdens het rijden CO2 uit de lucht haalt, opslaat en schonere lucht weer terug in de omgeving brengt: dat is ZEM, de Eindhovense Zero Emission auto. Tien van deze auto’s die elk 20.0000 mijl per jaar afleggen, halen net zoveel CO2 uit de lucht als tien bomen. Het team dat ZEM ontwikkelde, heeft een andere invalshoek gekozen dan de vorige studententeams van TUe Automotive. “De meeste teams hadden de focus op de gebruiksfase. Wij wilden de meest duurzame auto maken met focus op de totale levensduur”, schetst Philip van Veelen, Chief Design, de aanpak. Fabrikanten leggen volgens de studenten vaak de nadruk op de zero emissie tijdens het rijden, maar als je het hele productieproces meerekent, ziet het plaatje er heel anders uit. “Mensen moeten ook de cijfers zien als het om een EV gaat, niet alleen de marketingpraat.” Daarnaast moest de auto de look and feel krijgen van een auto zoals die in de perceptie van velen uitziet; niet té futuristisch voor de consumentenmarkt, maar vooruitstrevend genoeg om op te vallen.

Design en ontwikkelfase

De eerste schetsen van het exterieur, dashboard en stuur zijn op papier gemaakt. Daarna heeft het team design ze in Blender digitaal uitgewerkt om deze ontwerpen uiteindelijk om te laten zetten in SolidWorks 3D CAD-modellen. Het mechanical engineering team heeft de technische componenten ontwikkeld, gebruik makend van SolidWorks. Het gebruik van de CAD-software in het 3D Experience platform bood de studenten de kans om volop simulaties te doen. Philip: “Het model hebben we weer opengesneden om de losse onderdelen, zoals de bodypanelen, verder te onderzoeken op deellijnen en assemblage. Ook zijn er simulaties gedaan met FEM voor de belasting.” Hoewel de studenten toen al wisten dat er geen formele homologatie van de ZEM gedaan zou worden, hebben ze wel ingezet op een zo veilig mogelijke auto te bouwen.

Voor de productie van de bodypanelen heb je anders grote mallen nodig. Die zijn niet alleen duur, maar je gebruikt het materiaal slechts eenmalig

Duurzaam

Het ging de studenten vooral om maximale duurzaamheid in de totale levensfase van de auto, dus inclusief de productie ervan. Mede daarom hebben ze gekozen om de auto praktisch volledig te 3D printen met gerecyclede kunststoffen. Philip vindt 3D printen bijdragen aan de duurzame productie van een on-off zoals de ZEM. “Voor de productie van de bodypanelen heb je anders grote mallen nodig. Die zijn niet alleen duur, maar je gebruikt het materiaal slechts eenmalig.” 3D printen werkt zonder tooling – een materiaalbesparing- en ze hebben een secundaire afvalstroom kunnen gebruiken door met gerecycled materiaal te printen. Hij vindt 3D printen met name voor start-ups interessant, omdat ze de investering in mallen uitsparen. “Voor grote series is 3D printen nog niet snel genoeg en kost vooral de afwerking veel tijd; voor prototypes is de technologie rijper en toegankelijker.”

Groot formaat 3D printen

Het chassis van de auto, de monoque, is door CEAD geprint met PP versterkt met carbonvezels. Geen gemakkelijke klus, erkent de Chief Design. Uiteindelijk bleek versie 34 goed te zijn. Deze bestaat uit vier delen omdat zelfs de CEAD printer te klein bleek de hele basis van de ZEM in een keer te printen. De vier delen zijn met laserlassen aan elkaar gelast. Een bewuste keuze omdat het materiaal hierdoor als de auto aan het eind van de levensfase komt, weer gerecycled kan worden. Het lassen – dat enkel met warmte gebeurt – voegt geen extra materiaal toe. De bodypanelen, zoals de spatborden, zijn geprint door Royal 3D, waarbij een robotprinter is ingezet die met PP versterkt met glasvezel heeft geprint. Ook dit materiaal was gerecycled. Fontys heeft met de CEAD robotprinter het interieur, waaronder het dashboard, geprint.

Je ziet het duurzame met het blote oog aan de printlijnen. Het geeft een unieke uitstraling

Van model naar print niet gemakkelijk

Een van de lessen die het team heeft geleerd, is dat 3D printen geen kwestie is van de startknop indrukken. Een digitaal model uit de computer halen en er een fysiek model van maken, is niet gemakkelijk. Philip van Veelen geeft als voorbeeld de voor- en achterspatborden. “De robotprinter kan alleen een gesloten cirkel printen. Support kan evenmin. We zijn lang bezig geweest de modellen zo te draaien dat er zo min mogelijk overhang was. En we hebben de voor- en achterspatborden als een geheel geprint omdat we dan een gesloten cirkel hadden voor de robot.”  Dat is met meer onderdelen gedaan. Ze zijn naderhand mechanisch gescheiden van elkaar. De afwerking van de geprinte onderdelen is een ander punt dat het team veel werk heeft gekost: met name de bodypanelen zijn geschuurd en daarna gelakt met een CO2 negatieve lak (carbon black van gerecyclede autobanden) omdat de wagen er gelikt uit moest zien. De dakconstructie is met een printer gemaakt die onder een hoek van 45 graden print. In het interieur zijn de printlijnen nog zichtbaar, een bewuste keus van het team. “Je ziet het duurzame hierdoor met het blote oog. En het geeft een unieke uitstraling”, zegt Philip van Veelen.