Fachartikel

7.06.2016
erschienen in GIESSEREI Heft 6|2016

Google und Amazon als zukünftige Autozulieferer?

Der SWIM-Prototyp des zukünftigen 3-D-gedruckten Serienfahrzeugs LM3D.

Die additive Fertigung könnte die klassische automobile Wertschöpfungskette auf den Kopf stellen – weniger bei den klassischen OEMs, die die Vorteile der additiven Fertigung bei der Herstellung von Ersatzteilen und als Hilfsmittel bei der Entwicklung neuer Fahrzeuge nutzen, als bei Start-ups mit additiver Fertigung als Basis.

VON BARBARA STUMPP, FREIBURG

Bei BMW entstehen gegenwärtig ca. 100 000 Bauteile pro Jahr mit 3-D-Druck. Für die BMW i-Fahrzeuge z. B. konnten – mangels Vorgängerfahrzeuge – keine Komponenten übernommen werden und so fertigte man die ersten Prototypenfahrzeuge zu einem großen Teil additiv. Auch zur Herstellung von Ersatzteilen älterer Modelle lohnt sich der 3-D-Druck, aber für Großserien ist die konventionelle Fertigung kostengünstiger und schneller. BMW testet nun die neue Variante CLIP (Continuous Liquid Interface Production). Im Vergleich zum konventionellen, schichtweisen Drucken ist das Verfahren 25 bis 100 Mal schneller. Darüber hinaus entstehen hier Objekte ohne sichtbare Schichten.

Der Vorteil, keine teuren Werkzeuge zu brauchen, sticht vor allem bei der Entwicklung von Concept Cars. So nutzte Peugeot für seinen Fractal den 3-D-Druck, um Komponenten für den Innenraum zu fertigen, die durch ihre spezielle Oberfläche die Akustik im Fahrzeug verbessern. Der Audi-Werkzeugbau prüft gerade die Technologie des metallischen 3-D-Drucks. Zunächst geht es um kleine Segmente mit einer Größe von DIN A4 bis DIN A3. Dies sind z. B. Angussverteiler für das Druckgießen und Segmente von Warmumform-Werkzeugen. Primär stehen Funktionserweiterungen im Fokus, mit denen sich bestimmte Prozesse optimieren lassen. So z. B. der Einsatz von Sandprint- statt Styroporformen, wodurch sich der Aufwand bei der Bearbeitung auf der Fräsmaschine reduzieren lässt. Ob das additive Fertigen von Karosserien für Audi technisch überhaupt machbar ist, werden die Entwicklungsfortschritte der nächsten Jahre zeigen.

Den Gegenbeweis, ob Autos mehr oder minder ganz 3-D-druckbar sind, zu liefern, darin versuchen sich fast ausschließlich Start-ups. Zwei Grundkonzepte scheinen sich hier zu etablieren: die selbsttragende Karosserie und der Spaceframe. Lonnie Love, Gruppenleiter Automation, Robotics, and Manufacturing, am Oak Ridge National Laboratory (ORNL) und sein Team druckten die1960er-Stilikone Shelby Cobra mit selbsttragender Karosserie mittels BAAM (Big Area Additive Manufacturing). Hierbei werden Kunststoffpellets erwärmt und durch eine Düse extrudiert. Entsprechend rau sind die Teile danach, sprich ohne Nachbearbeitung geht es hier nicht. Aber vom Konzept bis zum fertigen Shelby brauchte man nur sechs Wochen. Eines der ersten für den 3-D-Druck konzipierten Autos war der Strati. Dahinter stehen Local Motors, Sabic, ORNL und Cincinnati (Mitentwickler des BAAM). Sabic hat zusammen mit ORNL dafür gesorgt, dass Material und Drucker zueinander passen. Im Gegensatz zum Shelby Cobra hat der Strati eine monolithische Karosserie von 635 kg Gewicht und brauchte ca. 40 h zum Druck. Bis jetzt benutzte man die große Version eines kommerziellen 3-D-Druckers mit einer 3-Achs-Führung. Der Einsatz eines Roboters würde hier weitere Möglichkeiten eröffnen. Das Nachfolgemodell ist der LM3D Swim. Der SWIM brauchte gerade mal zwei Monate vom Design zum Prototypen. Im Rahmen der LM3D-Serie sollen in der neuen Local Motors Microfactory, die gerade in Knoxville, Tennessee, USA, entsteht, weitere Automodelle im 3-D-Druck gebaut werden. „Natürlich ist eine Anpassung an Kundenwünsche möglich, aber aus Sicherheitsgründen wird der Unterbau in der ganzen Serie gleich sein“, so Florian Feise, Brand-Manager bei Local Motors. Mit der 3-D-gedruckten Fahrzeugskulptur Genesis zeigte EDAG, welches Potential in der generativen Fertigung ruht. Genesis basiert auf bionischen Mustern einer Schildkröte mit ihrem Panzer. Die 3-D-gedruckte Schale besitzt feine, innenliegende Knochenstrukturen, die Festigkeit und Stabilität geben, und kann nicht konventionell hergestellt werden.

Im Gegensatz zu diesen Monocoque-Strukturen sind die Basis des BLADEs von Kevin Czinger, CEO von Divergent Microfactories (DM), so genannte „Nodes“ bzw. Knoten aus Aluminium, 3-D-gedruckt mit Carbonfaser-Röhren dazwischen. Damit lässt sich ein sehr festes, leichtes Chassis in gut 20 min ohne Spezialwerkzeuge montieren. Das Chassis besteht aus ca. 70 solcher Aluknoten. Zum genauen Profil der Nodes ließ Kevin Czinger nur verlauten, dass sie nicht gießbar sind. Gebaut werden kann mit diesem Baukastensystem alles, von einem 2-Sitzer-Sportwagen bis zu einem Pickup. Der BLADE wiegt ca. 635 kg. Da seine Karosserie nicht tragend ist, kann sie theoretisch sogar aus Lycra gefertigt werden. Ziel von DM ist eine weltweite Lizenzvergabe an Teams, die dann ihre eigene Mikrofabrik aufbauen. Eine solche sollte bis zu 10 000 Autos pro Jahr bauen können. Kevin Czinger schätzt, dass eine Mikrofabrik Startup-Kosten von weniger als 20 Mio. Dollar hätte. Das Concept Car Light Cocoon von EDAG hat eine bionisch optimierte Spaceframestruktur, kombiniert mit einer wettersicheren äußeren Textilhaut von Jack Wolfskin. „Die ungewöhnliche Kombination von Skelettstruktur und Stoff ermöglichte zudem die Integration eines neuartigen Beleuchtungskonzepts. Ein LED-Hinterleuchtungssystem macht nicht nur die Struktur des Cocoon sichtbar. Der Kunde kann das Aussehen seines Fahrzeugs jederzeit durch Wahl seiner Wunschfarbe ändern“, so Johannes Barckmann, Designchef bei EDAG.

Die Kombination generativ hergestellter, multifunktionaler Karosserieknoten mit konventionell gefertigten Profilen aus hochfesten Stählen erlaubt, verschiedene Fahrzeugvarianten ohne zusätzliche Werkzeug-, Betriebsmittel und Anlaufkosten in einer hochflexiblen Produktionszelle „on demand“ zu fertigen. Die Spaceframe-Knoten können durch unterschiedliche Wanddicken und bionische Geometrien den vorgegebenen Laststufen angepasst und werkzeuglos gefertigt werden. Zu dem Light Cocoon gehört noch ein ultraleichtes, multifunktionales Gehäuse eines On-Board-Ladegeräts für Elektrofahrzeuge, hergestellt im 3-D-Druck, das gerade einmal 900 g wiegt – das konventionell gegossene wiegt 1900 g. Ebenfalls dazu gehört ein 3-D-gedruckter Scheinwerfer, der mittels bionischer Kühlstrukturen den Wirkungsgrad der verwendeten LEDs erhöht und gleichzeitig Gewicht und Werkzeuginvestitionen reduziert. „Die Zunahme der Geschwindigkeit in den generativen Fertigungsverfahren, die Vergrößerung der Bauvolumen und die entsprechende Automatisierungstechnik lassen langfristig eine Produktivitätssteigerung um das bis zu 100-fache erwarten“, ist sich Christian Kleinhans, Partner bei Berylls Strategy Advisors, sicher. Als großen Vorteil zeigt seine Studie die Möglichkeit, Werkstoffe in hybriden Strukturen mit Blech, Guss, Faserverbund etc. zu kombinieren. Weiter können Werkzeuge und Vorrichtungen um bis zu 80 % schneller gefertigt werden. „Werkzeugänderungen sind vor und nach SoP (Start-of-Production) äußerst effizient umsetzbar.

Die Produktion kleinerer Losgrößen wird wirtschaftlicher und schnellere Reaktionen auf Marktschwankungen sind möglich“, so Christian Kleinhans. Dazu entfallen Fügeschritte, Funktionsbaugruppen werden direkt generiert und wenn nötig mit verstärkenden Elementen bestückt. Das braucht weniger Produktions- und Logistikflächen. Die Fertigung ist flexibler, wobei Umbau- und Rüstzeiten sinken oder ganz entfallen. „Dazu kommt die Möglichkeit, Komponenten vor Ort zu fertigen. Dadurch entfallen Transport- und Logistikkosten, Lagerhaltung und Vorlaufzeiten werden reduziert“, schätzt Christian Kleinhans ein. So können theoretisch Service-Anbieter Druckaufträge übernehmen. Damit können auch neue Player wie Google oder Amazon in die automobile Zulieferkette eintreten. Bei dem dazu nötigen Online-Datenaustausch der 3-D-Datenmodelle aus dem CAD (computer aided design) könnten dann allerdings die- selben Probleme auftreten, die es bei Musik und Filmen schon gibt.