Im Vorjahr haben Studierende an der ETH Zürich mit Ethec City ein teilweise mit 3D-Druckern hergestelltes Elektromotorrad vorgestellt. Nun wurde das Kühlsystem verbessert, wodurch das Ethec City-E-Bike ersten Schätzungen zufolge eine Reichweite von 400 km erreichen kann. Das dazu nötige Batteriegehäuse entstand mit einer 3D-gedruckten Gussform von voxeljet.

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Forscher der ETH Zürich und das 3D-Druck-Unternehmen Sintratec haben im Vorjahr ein Elektromotorrad mit Bauteilen aus dem 3D-Drucker vorgestellt, das im Rahmen des „Ethec City“-Projekts der ETH Zürich entstanden ist. Mit einem neuartigen Kühlsystem konnten sie nun die Lebensdauer der Batteriezellen und die Reichweite des Elektromotorrades erhöhen. Das 3D-Druck-Unternehmen voxeljet fertigte jetzt laut einer Fallstudie des Unternehmens die Form für das innovative Batteriegehäuse des Prototypen im Binder-Jet-3D-Druckverfahren.

Details zum Ethec City Elektromotorrad

Bisher eignen sich leistungsstarke Elektromotorräder mehr für den Stadtverkehr. Das neue Kühlsystem soll das ändern. Ethec steht für „ETH Electric Cruiser“ und ist ein Fokusprojekt von Studenten der ETH Zürich. Das Ziel war es, durch Rückgewinnung von Bremsenergie und ein modifiziertes Batteriedesign die Effizienz von Elektromotorrädern zu steigern.

Es galt die Probleme zu lösen, dass auf kleinstem Raum eine hohe Energiedichte geschaffen werden musste und die erzeugte Wärme auf einem Motorrad konstant gehalten werden sollte. Dabei musste ein optimales Temperaturmanagement entwickelt werden, um eine lange Lebensdauer der Batterie zu ermöglichen.

Dr. Josef Mayr, Gruppenleiter Thermische Simulation bei der AG Inspire und Koordinator des Ethec-Projekts, sagte:

„Die Batteriekühlung in E-Fahrzeugen erfolgt normalerweise mit einem Kühlmittel, das durch einen Schlauch oder ein Rohr an den Zellen vorbeiströmt. Der Nachteil dieser Methode ist, dass nur Punkt- oder Linearkontakt hergestellt wird und kein direkter Kontakt mit den Zellen tatsächlich erreicht wird.“

Die Entwickler entschieden sich für die vollständige Einbettung der Batteriezellen in ein Ölbad. Das Ethec-Team verwendete das Kühlsystem von Transformatoren in den Umspannwerken der großen Stromnetze als Vorlage.

„Beim Einschalten der Ausrüstung fliegen Funken“, sagte Mayr, „aber da die Geräte vollständig in Silikonöl schwimmen und somit kein Sauerstoff vorhanden ist, kann es keinen Kurzschluss geben.“

Umsetzung des neuen Kühlsystems

Insgesamt verbauten die ETH-Studierenden 1.269 Lithium-Ionen-Rundzellen mit einer Gesamtleistung von 15 kWh. Die computergestützte Strömungssimulation half, die optimale Struktur des Batteriegehäuses zu finden, die nicht nur dicht sein musste, sondern auch einen perfekten Kontakt zwischen den einzelnen Zellen und dem Fluss des Silikonöls gewährleisten sollte.

Für den 3D-Druck waren die verfügbaren DMLS (Direct Metal Laser Sintering)-Geräte zu klein, weshalb sich die Verantwortlichen für den Metallguss entschieden. Eine 3D-gedruckte Sandform entstand als Schablone und wurde zum Gießen einer Aluminium-Kupfer-Legierung verwendet.

Die Sandgussform hat voxeljet mit dem Binder-Jetting-3D-Druck hergestellt. Vollständige praktische Tests müssen noch durchgeführt werden, aber die Studenten gehen davon aus, dass eine Reichweite von rund 400 km erreicht werden kann.

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