Auf einem Spezialdrucker im Wolfsburger 3D-Druck-Zentrum sammeln Mitarbeiter erste Erfahrungen mit dem Binder-Jetting-Verfahren für Strukturteile in der Autoproduktion. (Bild: Volkswagen)
Im Motorsport sind additive Fertigungsverfahren häufig im Einsatz. Die Anforderungen an Werkstoffe für Rennboliden sind hoch: Die Bauteile müssen leicht sein, hitzebeständig, optimal konstruiert und robust bis crashsicher – eine Steilvorlage für den 3D-Drucker, denn schichtweise aufgebaute Fahrzeugkomponenten lassen sich nach Vorlage direkt aus der Konstruktionssoftware per Computeranweisung fertigen. In der Serienproduktion allerdings kann das so genannte Additive Manufacturing (AM) die herkömmlichen Zerspanungsmaschinen nicht ohne Weiteres aufs Abstellgleis schieben: Wenn hochautomatisierte Stanz- und Fräszentren loslegen, fallen die Kosten je Bauteil meist günstiger aus, zumal wenn es um größere Stückzahlen in knapp bemessenen Zeittakten geht.
Den Kostennachteil machen additive Verfahren indes bei komplexen Leichtbau- und Hohlraumkonstruktionen durch den Wegfall teurer Werkzeuge wieder wett. Branchenanalysten gehen davon aus, dass es zu einer immer stärkeren Integration der werkzeuglosen additiven und der herkömmlichen Fertigung kommt: „Denn immerhin erfordert der 3D-Druck nur ein Zehntel des Rohstoffeinsatzes der klassischen Produktion, ermöglicht eine wirtschaftliche und hochqualitative Fertigung von ungewöhnlichen Geometrien und Kleinserien und gewährleistet extrem hohe Flexibilität“, fasst Hans-Georg Scheibe, Vorstand bei der Münchner Beratungsfirma ROI zusammen.
Der aktuelle Branchenreport „3D-Printing Market“ des Marktforschungsinstituts Research And Markets geht von einem weltweiten Branchenwachstum von 21 Prozent im Zeitraum von 2021 bis 2028 aus, die globale Umsatzmarge liegt dem Report zufolge bei 62,79 Milliarden US-Dollar in 2028 mit einem Anteil der Automobilindustrie von schätzungsweise 12,4 Milliarden US-Dollar. Zum Vergleich: Im Jahre 2020 lag der weltweite Umsatz mit 3D-Druckern, Software und Materialien bei einer Gesamtsumme von 13,78 Milliarden US-Dollar.
Volkswagen will 3D-Druck in Serienfertigung einsetzen
Neue Pflöcke für 3D-Druck-Verfahren in der Fahrzeugproduktion will Volkswagen entlang seiner Roadmap für die nächsten Jahre einrammen. „Wir treiben – auch im anhaltend schwierigen Umfeld der Coronapandemie – unsere Zukunftsthemen konsequent voran“, sagt Christian Vollmer, Vorstand für Produktion und Logistik der Marke Volkswagen Pkw. „Mit unseren Partnern wollen wir den 3D-Druck in den kommenden Jahren noch effizienter und reif für den Einsatz in der Serienfertigung machen.“
Den Anfang macht das 3D-Druck-Zentrum in Wolfsburg. Dort kommt das so genannte Binder-Jetting zum Einsatz: Das Verfahren ähnelt dem im 3D-Druck häufig eingesetzten Selective Laser Sintering nutzt aber keinen Laserstrahl zum Aufschmelzen von Werkstoffen sondern ein flüssiges Bindemittel. Ein tintenstrahlähnlicher Druckkopf trägt den Klebstoff auf das pulvrige Ausgangsmaterial Schicht für Schicht auf. Das so entstandene Bauteil wird anschließend erhitzt und zu einem metallischen Teil geformt.
3D-Spezialisten bei Volkswagen sind überzeugt, dass mit dem Binder-Jetting-Verfahren die Herstellungskosten je Bauteil sinken, vor allem wegen einer vergleichsweise höheren Druckgeschwindigkeit gegenüber dem laserbasierten Schmelzverfahren. Ein weiterer Pluspunkt ergibt sich für den Leichtbau. So sind die Teile nur halb so schwer wie das Pendant aus Stahlblech.
Seit fünf Jahren steckt Volkswagen zweistellige Millionen-Euro-Beträge in das 3D-Printing unter anderem im Prototypenbau, für den der Hersteller am Standort Wolfsburg bereits dreizehn Anlagen betreibt, die sowohl Kunststoff- als auch Metallbauteile in unterschiedlichen Druckverfahren herstellen können. Zahlreiche Crashtests mit 3D-gedruckten, metallurgischen Fahrzeugbauteilen waren zwar erfolgreich, aber die Herstellung in größeren Stückzahlen erwies sich betriebswirtschaftlich als wenig sinnvoll.
Jetzt sollen kompetente Partner, die der OEM mit ins Boot geholt hat, den Weg in die Serienfertigung ebnen:
Druckerhersteller Hewlett Packard liefert das Equipment für das Binder-Jetting und Technologiekonzern Siemens die Automatisierungssoftware für die komplette Anlage. Welche Bauteile in Zukunft aus dem Drucker kommen sollen, ist jedoch noch nicht entschieden. Fest steht, dass das Additive Manufacturing einen wichtigen Anteil für die digitale Transformation der Produktion bei Volkswagen einnimmt. Nach eigenen Angaben will Wolfsburg bis zu 100.000 Teile pro Jahr für die Pkw-Sparte auf diese Weise fertigen. Die ersten Bauteile aus dem Binder-Jetting-Verfahren gehen zur Zertifizierung nach Osnabrück. Es handelt sich um Teile für die A-Säule des T-Roc Cabrios.
HP und Siemens erforschen neue 3D-Lösungen
Hewlett-Packard und die Softwaresparte für die Produktentwicklung und -fertigung des Münchner Siemens-Konzerns arbeiten seit Jahren bei 3D-Printing zusammen. Die so genannte Multi Jet Fusion 3D-Druckertechnik von HP, die keine Laserstrahlung einsetzt, löste bereits vor fünf Jahren eine Welle der Begeisterung aus, steigerte sie doch die Produktivität der Druckmaschine um bis dato nicht erreichte Kennwerte bei Geschwindigkeit und Stückkosten. Seitdem erweitert HP zusammen mit Partnern seine 3D-Druckerfamile.
Die Werkstoffpalette reicht von Kunststoffen wie das vielseitig einsetzbare thermoplastische Polyurethan bis zu Nylonpulver. Metallbasierte 3D-Drucktechnik beruht hingegen meist auf lasergestützten Verfahren, wie sie beispielsweise EOS oder 3D Systems aber auch HP entwickelt haben. Der Einfallsreichtum und die Entwicklungsdynamik bei neuen Materialien und Verfahren ist enorm.
Alle Premiumhersteller der Automobilbranche setzen Drucktechnik im Prototypen- und Komponentenbau ein. BMW hat im letzten Jahr seinen Technologiecampus für additive Fertigung in Oberschleißheim in Betrieb genommen. Schon seit 2010 verbaut der bayerische OEM lasergesinterte Kleinteile in seinen DTM-Rennwägen, im i8 Roadster, in Sportmodellen wie dem Mini Electric Pacesetter oder dem Luxuscabrio Rolls-Royce Dawn.
Bei der Sportwagenvariante des elektrischen Mini Pacesetter sind es einige Komponenten aus einem druckbaren, faserverstärkten Kunststoffmaterial, im Fall des i8 Roadster ist es eine Dachhalterung, die aus Aluminiumpulver additiv gebaut wird.
