Wie Bauteile direkt aus digitalen Daten entstehen

Angesichts steigender Anforderungen an kürzere Entwicklungszeiten, resilientere Lieferketten und geringeren Materialverbrauch ermöglicht „Large Format Additive Manufacturing“ (LFAM) Herstellern und Zulieferern, Bauteile, Werkzeuge und Formen schneller sowie flexibler herzustellen. Durch automatisierten 3D-Druck großer Komponenten mittels Hochdurchsatz-Pellet-Extrusion lassen sich komplexe Bauteile direkt aus digitalen Konstruktionsdaten fertigen und nahe am Montageort produzieren. Das reduziert Entwicklungs-, Produktions- und Transportkosten.

Die BMW Group setzt additive Fertigung inzwischen in zahlreichen Bereichen ein, darunter die Herstellung leichter Präzisionsbauteile, Rapid Prototyping, Individualisierungslösungen sowie die Kombination additiver und konventioneller Fertigungsverfahren. Im LFAM-Bereich reicht das Anwendungsspektrum von Prototypen über Vorrichtungen bis hin zu spezialisierten Bauteilen und Komponenten.

Vom Prototyping zur Serienfertigung

Für Timo Göbel, Leiter Additive Manufacturing bei der BMW Group, liegen die wesentlichen Vorteile vor allem in höherer Agilität, Skalierbarkeit und Effizienz. Der 3D-Druck habe sich bei BMW von einer reinen Prototyping-Technologie zu einem integralen Bestandteil des Produktionssystems entwickelt. Heute kommt die Technologie über den gesamten Fahrzeuglebenszyklus hinweg zum Einsatz, von der Serienfertigung bis hin zum Aftersales-Bereich.

„Wir verfolgen bewusst einen technologieoffenen Ansatz und bewerten additive Fertigungsverfahren abhängig von der jeweiligen Anwendung“, erklärt Göbel. „Für großformatige Anwendungen nutzen wir Robotersysteme sowohl für Metallbauteile auf Basis von Wire Arc Additive Manufacturing (WAAM) als auch für Polymerbauteile mittels Fused Granulate Fabrication (FGF).“

BMW setzt diese Technologien zunehmend für Betriebsmittel, Handhabungssysteme und Robotergreifer ein. Erfolgreiche Beispiele finden sich in den Werken München, Landshut und Regensburg, wo große, leichte und hochgradig individualisierte Greiferlösungen bereits in Serienproduktionsumgebungen eingesetzt werden.

Gleichzeitig bereitet der Automobilhersteller den Einsatz für Kleinserien von Fahrzeugkomponenten vor. Die Serienproduktion erster WAAM-gefertigter Komponenten soll 2027 starten.

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Schnellere Entwicklungszyklen und mehr Flexibilität

Eine der größten Stärken der additiven Fertigung ist die deutliche Verkürzung von Entwicklungs- und Implementierungszeiten. Bauteile können häufig direkt aus digitalen Datensätzen produziert werden, ohne zunächst spezielle Werkzeuge herstellen zu müssen.

Dadurch lassen sich Validierungsschleifen deutlich beschleunigen und produktionsrelevante Lösungen schneller umsetzen. Für Betriebsmittel und standortspezifische Anwendungen kann BMW individuelle Komponenten wesentlich schneller und kostengünstiger beschaffen als über klassische Lieferketten.

Insbesondere LFAM trägt dazu bei, Durchlaufzeiten in der Fertigung erheblich zu verkürzen. Zwar benötigen großformatige Komponenten oftmals eine mechanische Nachbearbeitung, um die für die Automobilindustrie erforderliche Präzision zu erreichen. Diese kann jedoch mit etablierten Fertigungstechnologien erfolgen. Auf diese Weise werden die jeweiligen Stärken additiver und konventioneller Produktionsverfahren kombiniert.

„LFAM ergänzt unser Produktionssystem sinnvoll und erweitert die Einsatzmöglichkeiten additiver Fertigungstechnologien über den gesamten Produktlebenszyklus hinweg“, so Göbel.

Ein weiterer Vorteil liegt in der schnellen Anpassungsfähigkeit an veränderte Produktionsanforderungen. Da Bauteile direkt aus digitalen Modellen entstehen, können Änderungen ohne neue Werkzeuge oder aufwendige Konstruktionen umgesetzt werden. „Dadurch konnten wir zahlreiche maßgeschneiderte Lösungen realisieren – von Handhabungseinrichtungen bis hin zu Fertigungshilfen. Das unterstützt unser Ziel eines hochflexiblen und reaktionsschnellen Produktionsnetzwerks“, erklärt Göbel.

Die Flexibilität entsteht insbesondere dadurch, dass in vielen Anwendungen konventionelle Verfahren wie Spritzgießen oder Zerspanung ersetzt werden. Gleichzeitig ermöglicht additive Fertigung einen schnelleren und lokaleren Zugriff auf Betriebsmittel und Produktionskomponenten.

BMW investiert darüber hinaus in stärker automatisierte und digital vernetzte Prozessketten für die additive Fertigung. Laut Göbel bieten WAAM und FGF gegenüber pulverbettbasierten Verfahren eine höhere Produktivität und damit größere Fertigungskapazitäten. Hinzu kommen eine hohe Designfreiheit, die schnelle Umsetzung von Änderungen sowie bei FGF eine größere Materialvielfalt.

Materialvorteile für BMW

Ein zentraler Vorteil von LFAM ist die Möglichkeit, deutlich größere Komponenten herzustellen als mit vielen anderen additiven Verfahren. Gleichzeitig lassen sich mehrere Einzelteile zu einem Bauteil zusammenfassen, wodurch Fügepunkte und potenzielle Schwachstellen reduziert werden.

Bei polymerbasierten LFAM-Verfahren wie FGF kommen zudem standardisierte Spritzgießgranulate als Ausgangsmaterial zum Einsatz. Das schafft zusätzliche Flexibilität bei der Materialbeschaffung und kann die Wirtschaftlichkeit verbessern.

„Im Vergleich zu unseren pulverbettbasierten additiven Fertigungstechnologien verwenden LFAM-Verfahren Standardmaterialien, die innerhalb des BMW-Produktionsnetzwerks bereits etabliert sind“, erläutert Göbel. „Diese Materialien sind kostengünstiger verfügbar und in hoher Qualität erhältlich.“

FGF ist bereits seit Jahren ein etabliertes Forschungs- und Vorentwicklungsfeld am BMW Additive Manufacturing Campus. Dort wurden umfassende Kompetenzen in den Bereichen Materialverarbeitung, Prozessoptimierung, Konstruktion sowie Fertigungsstrategien aufgebaut.

Ein weiterer Vorteil: Die verwendeten Standardmaterialien sind auch Mitarbeitenden außerhalb der Additive-Manufacturing-Expertenkreise vertraut. Dadurch werden Qualifizierung und industrielle Einführung erleichtert.

Da Materialien in Produktionsqualität eingesetzt werden können, lassen sich zudem Prototypen herstellen, die den mechanischen und thermischen Eigenschaften von Serienbauteilen deutlich näherkommen. In Verbindung mit vergleichsweise günstigen Maschinen und Ausgangsmaterialien eröffnet dies zusätzliche Einsatzfelder in der industriellen Fertigung.

CEAD setzt auf Flexbot-Plattform

Auf Zuliefererseite zählt CEAD zu den Vorreitern im LFAM-Bereich. Das Unternehmen hat mit der Flexbot-Plattform eine modulare Fertigungslösung entwickelt, die auf Hochlast-Roboterarmen von Comau basiert.

Flexbot kombiniert großformatigen 3D-Druck und Fräsbearbeitung in einer automatisierten Fertigungszelle. Laut CEAD ermöglicht dies einen kontinuierlichen Materialfluss, präzise Mehrachsbewegungen sowie integrierte Nachbearbeitungsprozesse. Die Plattform bietet damit die erforderliche Präzision, Wiederholgenauigkeit und Skalierbarkeit für industrielle Automotive-Anwendungen.

„Flexbot basiert auf einer konfigurierbaren Roboterplattform, die sich an unterschiedliche Produktionsanforderungen anpassen und beliebig skalieren lässt“, erklärt Doris Logtenberg, Marketing Lead bei CEAD. „Das System kann zudem an mehreren Standorten identisch repliziert werden und dabei denselben Fertigungsprozess sowie dieselbe Qualität sicherstellen.“

Dadurch entfällt der Transport großer Werkzeuge oder Fertigteile von zentralen Produktionsstätten. Stattdessen können validierte digitale Konstruktionsdaten an lokale oder regionale Flexbot-Zellen übermittelt und dort produziert werden.

Dies reduziert Lieferzeiten, verbessert die Reaktionsfähigkeit auf lokale Nachfrage und verringert die Abhängigkeit von langen Lieferketten. Gleichzeitig können Unternehmen ihre Produktionskapazitäten schrittweise erweitern und Investitionen bedarfsgerecht skalieren.

Werkzeuge direkt aus digitalen Daten

Für Alessandro Piscioneri, Head of Product and Solution Management bei Comau, ermöglicht die direkte Herstellung von Werkzeugen und Formen aus digitalen Daten einen grundlegenden Wandel in der Automobilindustrie. Die Technologie kann Durchlaufzeiten von mehreren Wochen auf wenige Tage reduzieren und die erforderlichen Anfangsinvestitionen deutlich senken. Zudem lassen sich späte Konstruktionsänderungen erheblich kostengünstiger umsetzen als bei traditionellen Fertigungsverfahren. Das ist besonders relevant bei häufigen Werkzeuganpassungen, kleinen Stückzahlen oder beschleunigten Validierungsprozessen.

LFAM eignet sich darüber hinaus für dezentrale Produktionskonzepte. In geografisch verteilten Mikro-Fabriken können Bauteile direkt dort entstehen, wo sie benötigt werden. Besonders interessant ist dies für den Automotive Aftermarket. Logtenberg sieht hier großes Potenzial für die bedarfsgerechte Herstellung von Werkzeugen und Formen zur Produktion von Ersatz-, Reparatur- sowie Kleinserien- und Auslaufteilen.

Typische Anwendungsbeispiele sind Stoßfänger, Motorhauben, Kotflügel, Splitter, Diffusoren und Spoiler.

Die digitale Konstruktion erfolgt meist durch die Engineering-Teams der Kunden, die dabei von CEAD-Anwendungsexperten unterstützt werden. Statt große Werkzeuge oder fertige Komponenten über Kontinente zu transportieren, können Hersteller validierte Datensätze an Produktionszellen vor Ort senden und lokal fertigen.

Comau liefert die dafür notwendige Roboterautomatisierung, um die Produktionsprozesse mit hoher Wiederholgenauigkeit industriell nutzbar zu machen. Die Kombination aus 3D-Druck und Fräsbearbeitung innerhalb einer einzigen Zelle ermöglicht zudem die Fertigung nahezu endkonturnaher Bauteile mit anschließender Präzisionsbearbeitung ohne Maschinenwechsel.

Zu den bereits realisierten Anwendungen zählen kohlefaserverstärkte Verbundwerkstoffformen für Sportwagenkomponenten, Werkzeuge zur Herstellung von Fahrzeugscheiben sowie Prototypen für wasserstoffbetriebene Stadtfahrzeuge und Hochleistungsrennwagen. Darüber hinaus wurde Flexbot für die Fertigung einer vollständig 3D-gedruckten Monocoque-Struktur eines CO2-neutralen Fahrzeugs eingesetzt.

Diese Technologien machen 3D-Druck fit für die Serie

Additive Fertigungstechnologien unterliegen einem rasanten Entwicklungstempo und wollen auch bei hohen Qualitätsansprüchen bestehen. Im Trend liegen individualisierte Bauteile, die etwa das Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht neu festlegen.

LFAM gewinnt weltweit an Bedeutung

Nach Einschätzung von CEAD gewinnt LFAM überall dort an Dynamik, wo große Verbundstrukturen, lokale Produktion oder schnelle Werkzeugherstellung gefragt sind. Zu den wichtigsten Märkten zählen derzeit Nordamerika und Europa. Die steigende Nachfrage erklärt sich vor allem durch die Möglichkeit, schneller auf Marktanforderungen zu reagieren, lokal zu produzieren und große beziehungsweise hochgradig individualisierte Bauteile wirtschaftlicher herzustellen.

Bei BMW wird allerdings jede Anwendung individuell bewertet. Der Automobilhersteller betrachtet additive Fertigung nicht als Ersatz klassischer Produktionsverfahren, sondern als ergänzendes Werkzeug innerhalb eines breit aufgestellten Fertigungsportfolios. „Entscheidend ist stets der konkrete Mehrwert für den jeweiligen Anwendungsfall“, betont Göbel. „Ob Kosten, Nachhaltigkeit, Durchlaufzeiten, Flexibilität oder die Effizienz der Produktion: Additive Fertigung muss einen messbaren Nutzen liefern.“

Damit wird deutlich: LFAM entwickelt sich zunehmend von einer Spezialanwendung zu einer industriell relevanten Fertigungstechnologie. Vor allem dort, wo Flexibilität, lokale Produktion und kurze Entwicklungszyklen gefragt sind, eröffnet der großformatige 3D-Druck der Automobilindustrie neue Möglichkeiten.