Mehr Effizienz dank Produktion im Schichtbetrieb

3D Additive Fertigungsver­fahren finden in der Automobilindustrie immer ­grössere ­Verbreitung. Im 3-D-Drucker ­hergestellte Teile bringen ­zahlreiche ­technische und wirtschaftliche Vorteile.

Additive Fertigungsverfahren – man spricht auch von Schichtbauverfahren oder Freiformherstellung – sind Teil der umfassenden Neuausrichtung des Automobilbaus. Sie helfen dem Autohersteller, Komponenten zu günstigeren Preisen herzustellen und damit wettbewerbsfähig zu bleiben.

Der Begriff 3-D-Druck bezeichnet eine Gruppe von Verfahren im Rahmen der additiven Fertigung. Additiv steht dabei für einen Prozess, der im Gegensatz zu subtraktiven Fertigungsmethoden Objekte durch Verbinden von Materialien herstellt – in der Regel Schicht für Schicht. Bei subtraktiven Verfahren wird Rohmaterial durch Fräsen, Drehen oder Bohren abgetragen, um die gewünschte Geometrie zu erzeugen.

Dank 3-D-Druck können Teile mit komplexen ­Strukturen gefertigt werden. So sind hohe Stabilität und Leichtbau vereinbar.

Vom Prototyping zum Manufacturing
Arbeitete man im konventionellen Modellbau noch mit Designentwürfen aus Ton, Holz oder Schaumstoffen, werden heute Vorlagen für die Produktion computergestützt hergestellt. Nach dem ersten Patent im Jahr 1980 wurde 1984 mit der Stereolithografie das erste additive Verfahren entwickelt und wenig später kommerzialisiert.

Mit diesem Rapid Prototyping lassen sich kostengünstige Prototypen für die Produktentwicklung herstellen. Gewisse Verfahren ermöglichen es sogar, Teile herzustellen, die nicht nur als Prototypen dienen, sondern auch als Endprodukte genutzt werden können (Rapid Manufacturing).

Alle Arten des additiven Fertigens haben in jüngster Vergangenheit einen wahren Boom erlebt. Ausgelöst wurde der rasante Aufschwung nach dem Auslaufen des Patentes für das Druckverfahren Fused Deposition-Modeling (FDM) und der Entstehung des Open-Source-3-D-Druckers. Natürlich war die Vorstellung verlockend, neue Produkte in kurzer Zeit zu Hause ausdrucken zu können. Bis heute hat sich der 3-D-Druck aufgrund seiner fast unbegrenzten Einsatzmöglichkeiten in zahlreichen Branchen etabliert. Und ständig werden neue Materialien entwickelt, sodass sich die Einsatzmöglichkeiten für den 3-D-Druck kontinuierlich vergrössern.

Nach Wissenschaft und Forschung, Medizin, Luft- und Raumfahrt sowie Baubranche wurde additives Fertigen besonders auch für die Autoindustrie attraktiv. Die Autohersteller nutzen den 3-D-Druck für die schnelle Prototypenfertigung von Motoren und Motorkomponenten, Getriebegehäusen und vielen weiteren Bauteilen. Design­optimierungen können einfacher, schneller und kostengünstiger vorgenommen werden, da ein neuer Prototyp direkt aus einer aktualisierten Datei gedruckt werden kann. Ausserdem lassen sich im 3-D-Drucker Teile mit sehr komplexer Geometrie vergleichsweise einfach produzieren.

Metalle und Kunststoffe
Das selektive Laser-Schmelzen (Selective Laser-­Melting, SLM) ist ein additives Fertigungsverfahren zur form- und werkzeuglosen Herstellung von Bauteilen aus Metallpulver. Das zu fertigende Bauteil wird aus Metallpulver Schicht für Schicht durch Laser-Mikroschweissungen aufgebaut.

Durch den schichtweisen Aufbau können sehr komplexe Geometrien ohne Mehraufwand realisiert werden. Es ergeben sich sogar Möglichkeiten, die Funktionen komplexer Baugruppen in einem Bauteil zusammenzufassen. Grundsätzlich kann beim SLM jede schweissbare Metalllegierung verarbeitet werden. Je nach Werkstoff sind jedoch unterschiedliche Aufbereitungstechnologien notwendig. Neben verkürzten Entwicklungszeiten können mit dem SLM meistens auch Gewichts- und Kostenvorteile erzielt werden. Allerdings ist das Verfahren nicht für jeden Anwendungsfall und jede Bauteilgeometrie geeignet. Bei einfachen Geometrien ist es nur zu empfehlen, wenn dadurch ein funktionaler Mehrwert erreicht werden kann, der mit konventioneller Fertigungstechnik nicht realisierbar ist. Für einen zuverlässigen SLM-Prozess ist die Metallpulverqualität entscheidend. Hauptmerkmale hierbei sind die chemische Zusammensetzung, die Partikelform und die Partikelgrössenverteilung. Diese beeinflussen die Schüttdichte und die Fliessfähigkeit des Materials und in der Folge auch das Werkstoffgefüge.

Auch Kunststoffe werden in mehreren Verfahren additiv verarbeitet. Neben der Stereolithografie kommen das Binder-Jet-Verfahren und auch das selektive Laser-Sintern in Frage. Häufig werden Bauteile aus Kunststoff für Designprototypen verwendet, sodass die Festigkeit kaum eine Rolle spielt. Natürlich unterscheiden sich auch die Konstruktionsrichtlinien von jenen des Metall-3-D-Drucks.

Gleiche Funktion, anderer Aufbau: Teile aus dem 3-D-Drucker erhalten eine neue Konstruktion.

Zunehmendes Interesse der Hersteller
Erst vor wenigen Wochen hat BMW den neuen Additive Manufacturing-Campus offiziell eröffnet. Dort erfolgt einerseits die Produktion von Prototypen- und Serienbauteilen, andererseits werden neue 3-D-Drucktechnologien erforscht und Mitarbeiter geschult. Der Standort ist jedoch schon länger in Betrieb: Im vergangenen Jahr hat BMW dort 300 000 Teile additiv hergestellt. Die Bayern rechnen damit, dass es künftig möglich sein soll, die Fertigungskosten in der Serienproduktion um bis zu 50 Prozent zu senken.

Bei der Gewichtsreduzierung des Bugatti Chiron Pur Sport halfen unter anderem die extrem leichten und hochtemperaturfesten Abgasend­rohre aus 3-D-gedrucktem Titan. Durch additive Fertigung konnte ein sehr dünnwandiges und leichtes Bauteil hergestellt werden. Um eine perfekte Gewichtsverteilung zu erreichen, wollten die Entwickler möglichst viel Gewicht hinter der Hinterachse entfernen.

Ein spezielles Gebiet der additiven Fertigung hat Mercedes im Oldtimersektor gefunden. Mercedes-Benz Classic fertigt im 3-D-Drucker für ihre klassischen Fahrzeuge Ersatzteile aus Metall, Kunststoff und Gummi. Für das Modell 300 SL beispielsweise gibt es den Innenspiegelfuss aus ­Aluminium und den Zündkerzenhalter aus Polyamid 12 direkt aus dem Drucker, und für mehrere Limousinen-Baureihen werden die Schiebedach-Gleitbacken additiv gefertigt.

Um die Effizienz im Hochleistungsmotor des Porsche 911 GT2 RS weiter zu erhöhen, fertigt der Stuttgarter Zulieferer Mahle die Kolben per Laser-Metal-Fusion im 3-D-Drucker.

Sogar Kolben sind möglich
Auch bei Porsche kommen 3-D-Drucker bereits im Prototypenbau und in der Ersatzteilfertigung für Sportwagenklassiker zum Einsatz. Zusammen mit den Partnern Mahle und Trumpf haben die Zuffenhausener als hochbelastete Antriebsbauteile sogar die Kolben für den Hochleistungsmotor des 911 GT2 RS neu entwickelt. Die additiv gefertigten Bauteile wiegen zehn Prozent weniger als die geschmiedeten Serienkolben. Zudem verfügen sie über einen integrierten Kühlkanal im Kolbenboden, der mit herkömmlichen Verfahren nicht herstellbar wäre. Ebenfalls aus dem 3-D-Drucker stammen die Mittelbahn des Vollschalensitzes für die Modellreihen 911 und 718 sowie rund 20 nachgefertigte Teile für Porsche-Klassiker und diverse Kleinserienteile für den Einsatz im Motorsport.

«Alles, was vorstellbar ist, kann auch im 3-D-Drucklabor hergestellt werden», sagt man bei Seat. Neben den vielfältigen Designmöglichkeiten ist der wichtigste Vorteil der 3-D-Drucktechnik aber die Geschwindigkeit, mit der die Teile gefertigt werden. 80 Prozent der gedruckten Teile bei Seat sind Prototypen für die Fahrzeugentwicklung. Daneben entstehen auf diese Weise auch Werkzeuge und Gegenstände für die Montagelinie sowie Logos für Ausstellungs- und Vorführwagen. In Zukunft soll die additive Fertigung bei den Spaniern  in noch viel grösserem Umfang zum Einsatz kommen.

Fertigungsverfahren
Für die additive Fertigung gibt es eine ganze Reihe von Spezialverfahren, je nachdem, welcher Werkstoff für welche Anwendung verarbeitet werden soll. Hier eine kurze Auflistung der wichtigsten Verfahren.

Selective Laser-Melting: Das selektive Laser-Schmelzen (SLM) ist ein 3-D-Druckverfahren, bei dem Metallpulver durch einen Laser Schicht für Schicht verschmolzen wird. Die Bauteile sind mit einer Stützstruktur verbunden, die mit der Grundplatte verschweisst ist. Dadurch sind Wärmeableitung und Fixierung gewährleistet. Der Laser schmilzt das Metallpulver mit Temperaturen von bis zu 1250 Grad, ein Schutzgas verhindert die Oxidation.
Polyjet- oder Multijet-Modeling: Das Polyjet- oder Multijet-Modeling ähnelt dem herkömmlichen Tintenstrahldruck am meisten. Ein Druckkopf bewegt sich über die Bauplattform und versprüht feine Tröpfchen des flüssigen Kunststoffs. Das Material wird dann fast gleichzeitig mit UV-Licht bestrahlt und auf diese Weise direkt ausgehärtet.
Multijet-Fusion: Multijet-Fusion ist ein neues 3-D-Druckverfahren, bei dem pulverförmiger Kunststoff mit hoher Geschwindigkeit zu 3-D-Objekten aufgebaut wird. Im Gegensatz zum selektiven Laser-Schmelzen und zum selektiven Laser-Sintern werden die einzelnen Schichten nicht durch Laserstrahlung verschmolzen, sondern das Pulver wird mit zwei Bindeflüssigkeiten benetzt und durch die Wärmeenergie von Infrarotlampen verschmolzen. So entstehen 3-D-Objekte mit gleichmässiger, glatter Ober­fläche.
Selektives Laser-Sintern: Das selektive Laser-Sintern ist ein Fertigungsprinzip, bei dem ein pulverförmiger Kunststoff verschmolzen und zu einem 3-D-Objekt aufgebaut wird. Eine feine Schicht des Thermoplastpulvers wird mit einem Infrarot-Laser bis knapp unter den Schmelzpunkt erhitzt und dann aufgeschmolzen. Dann senkt sich die Bauplattform um eine Schichtdicke, der Prozess beginnt wieder von vorn.
Binder-Jetting: Beim Binder-Jetting wird Kunststoffpulver schichtweise aufgetragen und lokal mit einer Flüssigkeit verklebt. Das Ergebnis des Binder-Jetting sind dreidimensionale Objekte in praktisch jeder denkbaren Form, ohne Verwendung von Stützstrukturen. Im Gegensatz zu thermischen Verfahren wie dem selektiven Laser-Sintern wird das Material in einem kalten chemischen Prozess verarbeitet. Danach härtet der komplette Bauraum in einer Hitzekammer aus, und zum Schluss wird das Bauteil mit Glaskugeln beschossen, damit eine verdichtete Oberfläche entsteht.
Stereolithografie: Bei der Stereolithografie, die schon in den 1980er-Jahren entwickelt wurde, handelt es sich um ein Schichtaufbausystem, bei dem ein flüssiger Kunststoff in Schichtdicken von 0.025 bis 0.250 Millimetern lokal mit UV-Licht ausgehärtet wird. Danach senkt die Maschine die Bauplattform um exakt eine Schichtdicke ab, die Oberfläche wird erneut mit der Flüssigkeit benetzt, und der Belichtungsprozess beginnt erneut.

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