Neue Leichtbau-Ära durch werkzeuglose Fertigung

München. Von den landläufig als 3D-Druck bezeichneten Fertigungsverfahren dürfte bald auch die Automobilindustrie profitieren. Die von Automobilwoche befragten Experten erwarten solche Produktionsprozesse in drei bis fünf Jahren in der Branche, Einzelanwendungen gibt es bereits. Beim Entwicklungsdienstleister Edag geht man davon aus, dass „auf den Konsumentenhype zeitnah industrielle Anwendungen folgen werden“. Auch auf der Hannover Messe fanden die Verfahren jüngst viel Beachtung.

Verfahren wie Selective Laser Melting (SLM), Selective Laser Sintering (SLS), Fuse Deposition Modelling (FDM) & Co. locken mit riesigen Potenzialen. Da sie Bauteile Schicht um Schicht aus Metall oder Kunststoff aufbauen, fallen geometrische Einschränkungen klassischer Fertigungsverfahren weg – fast jede Form ist machbar. Und die Produktion erfolgt ohne Werkzeuge – so entfallen Zeit und Kosten für den Werkzeugbau, individuelle Teile in Losgröße 1 sind kein Problem mehr. Auch Ersatzteilfertigung „on demand“ wäre denkbar.

Was machbar ist, demonstriert beispielsweise Edag mit zwei Projekten. Der Entwicklungsdienstleister zeigte beim Genfer Automobilsalon das Konzept "Genesis", einen entfernt karosserieähnlichen Schutzpanzer, der nach bionischen Prinzipien konstruiert und aus einem Stück gefertigt wurde. Wesentlich weniger eindrucksvoll, aber näher an der Realität ist ein ultraleichtes und multifunktionales Metallgehäuse für eine Leistungselektronik. Weil die Konstruktion sich allein an den Bauteilanforderungen orientieren konnte und nicht auf Restriktionen der Fertigungsverfahren geachtet werden musste, wurde es über 50 Prozent leichter als das Referenzbauteil. Dieses Bauteil „verkörpert somit eine neue Größenordnung des metallischen Leichtbaus“, betont Martin Hillebrecht, bei Edag Leiter des Bereichs Leichtbau, Werkstoffe, Technologien. Zudem ließ sich die Funktionalität verbessern und Kühlkanäle direkt in das Bauteil integrieren.

Für Prototypen sind die als additive oder generative Verfahren bezeichneten Prozesse bereits seit Jahrzehnten etabliert. War man anfangs auf Epoxidharze beschränkt, so können zunehmend auch Serien- oder seriennahe Materialien eingesetzt werden. Damit liegt der nächste Schritt in die Produktion nahe.

„Ein direkter Transfer auf die (Klein-)Serienfertigung ist nach heutigem Stand jedoch noch nicht möglich“, erläutert Dominik Rietzel aus dem Rapid Technologie Center der BMW Group. Allerdings setze BMW in DTM-Rennwagen „bereits hoch belastete Teile aus generativen Fertigungsverfahren ein“. Für einen Produktionseinsatz in nennenswertem Umfang seien noch einige Verbesserungen erforderlich betonen Rietzel und Sandro Piroddi aus dem Rapid Technology Center von Ford in Merkenich unisono: Die Materialeigenschaften müssten noch verbessert und die Reproduzierbarkeit der Ergebnisse gesteigert werden. Zudem müssten die Materialkosten sinken und das Produktionstempo gesteigert werden. Ford setzt diese Verfahren daher noch nicht außerhalb des Prototypenbaus ein. Dominik Rietzel ist trotz der noch vorhandenen Restriktionen „überzeugt, dass sich weitere Anwendungsfelder erschließen werden“.

Als Hersteller von Anlagen zum Laserschmelzen oder Lasersintern hat EOS einen Überblick über bereits realisierte Anwendungen. Nikolai Zaepernick, der bei EOS Strategie und Business Development verantwortet, sagt: „Über den Prototypenbau hinaus gibt es bereits heute schon vor allem bei kleinen Serien – etwa Nullserien, Sonderfahrzeuge oder im Luxussegment – Anwendungsfelder für die EOS-Technologie.“ Im Innenraum und „unter der Haube“ würden additiv gefertigte Teile bereits heute „nach unterschiedlichen Nachbearbeitungsprozessen“ verbaut. Zaepernick erläutert weiter: „Insgesamt ist die Automobilbranche – abgesehen vom Luxussegment – sehr preissensitiv. Insbesondere bei hohen Losgrößen können additive Verfahren in puncto Stückkosten heute noch nicht mit existierenden Fertigungsverfahren konkurrieren.“ Hauptziel der Entwicklung bei EOS sei es daher, über Produktivität und innovative Technologieverbesserungen die Stückkosten stetig zu senken.

Die Experten von Edag haben gemeinsam mit externen Fachleuten eine Roadmap für die additiven Verfahren entworfen. Martin Hillebrecht erläutert: „Wir erwarten den ersten Serieneinsatz des SLM-Verfahrens in drei bis vier Jahren.“ Das FDM-Prozess, der geschmolzene thermoplastische Kunststoffe durch eine Düse aufträgt, befinde sich noch im Forschungsstadium; hier geht Edag von mindestens fünf bis zehn Jahren bis zum Serieneinsatz aus. Der Charme dieses Prozesses: Wenn es gelingt, gezielt etwa Endloskohlefasern einzulegen, entstehen hoch belastbare Teile.

Da aktuell die hohen Kosten ein großer Nachteil der Generativen Verfahren sind, sieht Hillebrecht am ehesten Chancen für Bauteile, bei denen zum Beispiel durch SLM eine so hohe Funktionsintegration erreicht werden kann, dass dadurch die Mehr kosten teilweise ausgeglichen werden. Realistisch seien „zunächst Bauteile mit recht untergeordneten semistrukturellen Anforderungen oder einer hohen Funktionsdichte auf engem Raum, geringen Stückzahlen und einen hohem Grad an Individualisierung und Derivatisierung, etwa bei Anwendung in Premiumfahrzeugen, Sport- Sonder, oder Ländervarianten“.

Zwar geht Edag davon aus, dass die Produktivität der Verfahren in den kommenden zehn bis 20 Jahren um den Faktor 100 bis 1000 steigern wird. Aber „Die Karosserie der Zukunft im Massensegment wird sicherlich nicht mit generativen Verfahren herstellbar sein“, tritt Hillebrecht zu großen Erwartungen entgegen.