Auf einen Blick
Automobilhersteller nutzen die additive Fertigung, um die Produktentwicklung zu beschleunigen, die Vorlaufzeiten für Werkzeuge zu verkürzen, die Kleinserienfertigung zu unterstützen und Ersatzteile nach Bedarf herzustellen. Dieser Leitfaden beleuchtet die wichtigsten Anwendungen, Vorteile, Herausforderungen, Materialien und Technologien, die den 3D-Druck in der Automobilindustrie prägen, und zeigt anhand von Beispielen aus der Praxis, wie Hersteller die additive Fertigung in der Praxis einsetzen.
Die additive Fertigung (AM) in der Automobilindustrie ist ein Verfahren zur Herstellung von Fahrzeugkomponenten durch schichtweises Auftragen von Materialien auf der Grundlage digitaler 3D-Modelle. Sie ermöglicht Rapid Prototyping, die Fertigung komplexer Geometrien und die Herstellung von Leichtbauteilen, die mit herkömmlichen Fertigungsverfahren nicht realisierbar sind. Diese Technologie reduziert Materialverschwendung und verkürzt die Lieferketten.
In der Automobilindustrie kommt die additive Fertigung in jeder Phase des Fahrzeuglebenszyklus zum Einsatz: bei Konzeptmodellen, Funktionsprototypen, Produktionswerkzeugen, Fertigungshilfsmitteln, Ersatzteilen und Endverbrauchskomponenten. Die verwendeten Materialien variieren je nach Bauzweck und reichen von technischen Thermoplasten über Photopolymere und Verbundmaterialien bis hin zu Metallen.
Bei der herkömmlichen Fertigung sind in der Regel Formen, Matrizen oder Zerspanung oder maschinelle Bearbeitung erforderlich, bevor etwas produziert werden kann. Die additive Fertigung überspringt diesen Schritt und fertigt direkt auf Basis einer digitalen Datei. Das macht sie besonders nützlich, wenn sich ein Entwurf in letzter Minute ändert oder wenn Ersatzteile nach Bedarf benötigt werden, ohne zuvor Geld in den Werkzeugbau investieren zu müssen.
Für Automobilhersteller liegt der Reiz vor allem in der Zeitersparnis. Die Designvalidierung kann bereits in einer früheren Phase des Prozesses erfolgen. Werkzeuge/Werkzeugbau, deren Herstellung früher Wochen dauerte, können nun innerhalb weniger Tage fertiggestellt werden. Teile können bedarfsgerecht produziert werden, anstatt auf Formen, Gussteile oder die Vorlaufzeiten eines Zulieferers warten zu müssen.
General Motors verkürzte die Vorlaufzeiten für Werkzeuge auf der Montagelinie von neun Wochen auf zwei, indem das Unternehmen auf additiv gefertigte Alternativen umstieg. Karsan senkte die Kosten für bestimmte Komponenten um bis zu 80 %, indem es die Produktion einfach firmenintern / in eigenen Räumen verlegte. Auch Toyota, Subaru und NASCAR setzen auf additive Fertigung – nicht nur für Werkzeuge, sondern auch für Entwicklungsbauteile und Montagehilfen.
Ganz gleich, ob Ihr Ziel darin besteht, eine Markteinführung zu beschleunigen, Ihre Kosten für Werkzeuge/Werkzeugbau zu senken, die Kleinserienfertigung zu unterstützen oder die Agilität zu verbessern – die additive Fertigung ist die Lösung.
Viele Menschen verbinden additive Fertigung mit Rapid Prototyping, doch Automobilhersteller nutzen sie mittlerweile über den gesamten Produktlebenszyklus hinweg. Dieselben 3D-Drucker, mit denen sie Entwürfe validieren, können auch Produktionswerkzeuge, Endbauteile und Ersatzteile herstellen.
Arbeiten Sie direkt mit der digitalen Datei, und Sie werden feststellen, dass sich die Vorlaufzeiten verkürzen und der Aufwand für die Umsetzung kurzfristiger Designänderungen sinkt. Auch Ihre Sichtweise auf den Lagerbestand ändert sich dadurch. Anstatt Teile zu lagern, die Sie vielleicht nur gelegentlich benötigen, drucken Sie diese erst, wenn der Auftrag eingeht.
Die additive Fertigung wird in der gesamten Automobilindustrie eingesetzt, um die Produktentwicklung zu beschleunigen, die Fertigungseffizienz zu verbessern und die Produktion zu unterstützen. Zu den gängigsten Anwendungen gehören:
Rapid Prototyping ist nach wie vor die häufigste Anwendung der additiven Fertigung in der Automobilindustrie. Ingenieure drucken Konzeptmodelle, Design-Prototypen und funktionsfähige Teile direkt aus CAD-Dateien, was bedeutet, dass ein Entwurf bewertet, geändert und erneut getestet werden kann, ohne auf Werkzeuge oder einen externen Lieferanten warten zu müssen.
Ein Prototyp dient dazu, eine Frage zu beantworten: Passt etwas, sieht es richtig aus oder funktioniert es so, wie es soll? Dank der additiven Fertigung liegen diese Antworten innerhalb von Tagen statt Wochen vor, sodass Ingenieure Probleme frühzeitig erkennen und Entscheidungen bereits in einer frühen Phase des Prozesses treffen können.
Gewichtsreduzierung steht in der Regel ganz oben auf der Prioritätenliste. Ein leichteres Fahrzeug bietet einen geringeren Kraftstoffverbrauch, eine größere Reichweite im Elektrobetrieb und insgesamt eine bessere Leistung.
Die additive Fertigung (AM) bietet Ingenieuren verschiedene Möglichkeiten, dies zu erreichen: durch die Optimierung der Bauteilgeometrie, das Weglassen von überflüssigem Material oder die Kombination mehrerer Komponenten zu einem einzigen gedruckten Bauteil. Sie eröffnet zudem die Möglichkeit, innere Gitterstrukturen zu realisieren, die mit herkömmlichen Verfahren nur schwer oder gar nicht zu bearbeiten oder zu gießen wären.
Der Vorteil beschränkt sich zudem nicht nur auf Fahrzeugteile. Hersteller ersetzen zudem schwere Metallwerkzeuge durch leichtere Polymerversionen, die für die Anwender angenehmer sind und die Anlagen weniger belasten.
Bei Elektrofahrzeugprogrammen führt jedes Gramm Gewichtsersparnis direkt zu einer größeren Batteriereichweite. Dank AM können Ingenieure die Konstruktionen von Halterungen und Gehäusen auf minimale Masse optimieren, ohne die strukturelle Integrität zu beeinträchtigen. Die FDM-Technologie und die SAF-Technologie von Stratasys unterstützen beide die technischen Thermoplaste, die in Batteriegehäusen, Motorgehäusen und strukturellen Innenraumkomponenten von Elektrofahrzeugen zum Einsatz kommen.
Montagevorrichtungen, Prüfvorrichtungen, Bohrführungen, Greifwerkzeuge – die meisten Fertigungshilfsmittel, die in einer Produktlinie zum Einsatz kommen, lassen sich im 3D-Druck herstellen. Im Vergleich zur Zerspanung, maschinellen Bearbeitung oder zur Auslagerung / Outsourcing bedeutet dies in der Regel Vorlaufzeiten, die sich in Tagen statt in Wochen bemessen, sowie Werkzeuge/Werkzeugbau, die bei einer Konstruktionsänderung sofort angepasst werden können.
Hier einige Beispiele dafür, wie dies in der Praxis aussieht:
Überall dort, wo ein Fahrzeugprogramm Variationen, Sondereditionen oder kundenspezifische Optionen erfordert, macht sich die additive Fertigung in der Regel bezahlt. Dies gilt insbesondere für Bereiche mit geringen Stückzahlen wie Luxusfahrzeuge, Motorsport, Konzeptfahrzeuge und limitierte Fertigungsdurchgänge, bei denen sich die Kosten für herkömmliche Werkzeuge/Werkzeugbau angesichts der geringen Produktionszahlen kaum rechtfertigen lassen.
Da die Teile direkt aus einer digitalen Datei stammen und für jede Variante keine neuen Werkzeuge erforderlich sind, können Hersteller maßgeschneiderte Innenausstattungskomponenten, personalisierte Ausstattungsmerkmale, Ausstattungspakete in Kleinserien und Spezialteile weitaus effizienter produzieren, als es mit herkömmlichen Methoden möglich ist.
Anstatt große Mengen an Teilen jahrelang zu lagern, können Hersteller eine digitale Datei bereithalten und Ersatzteile erst dann drucken, wenn sie benötigt werden. Diese Umstellung ist besonders wichtig für den Aftermarket-Support, ältere Fahrzeugmodelle und Programme mit geringen Stückzahlen – überall dort, wo die Nachfrage schwer vorherzusagen ist – und umgeht die Kosten für den Werkzeugbau bei kleinen Fertigungsdurchgängen.
Ein Beispiel hierfür ist, wie Stratasys Direct Manufacturing bei der Restaurierung des Rennwagens „Sampson Special“ aus dem Jahr 1930 half, indem veraltete Kühlerkomponenten mithilfe der PolyJet™-Technologie nachgebaut wurden, ohne dass die ursprünglichen Werkzeuge/Werkzeugbau-Prozesse neu angewendet werden mussten.
Die additive Fertigung von Metall wird in der Automobilindustrie für Leichtbau-Konstruktionen, Wärmetauscher und Hochleistungs-Komponenten mit komplexen inneren Geometrien eingesetzt.
Obwohl wir vor allem für die additive Fertigung mit Polymeren bekannt sind, bieten wir mit der MoldJet®-Technologie von Tritone auch Lösungen für die additive Metallfertigung an.
Wenn Menschen jedoch „Metall“ hören, denken sie oft an Produktionsteile aus Metall. Viele Automobilhersteller erzielen jedoch einen größeren Mehrwert durch den Ersatz von Metallwerkzeugen als durch den Ersatz von Metall-Endbauteilen. Die Polymer-3D-Drucksysteme von Stratasys werden häufig eingesetzt, um bearbeitete Metallwerkzeuge zu ersetzen, das Werkzeuggewicht zu reduzieren, Werkzeuge zur Blechumformung herzustellen und metallbeschichtete Polymerteile zu fertigen, bei denen ein metallisches Erscheinungsbild, EMI-Abschirmung oder bestimmte Oberflächeneigenschaften erforderlich sind.
Die additive Fertigung schafft Mehrwert über den gesamten Produktlebenszyklus im Automobilbereich hinweg und hilft Herstellern dabei, die Produktentwicklung zu beschleunigen, die Produktionseffizienz zu steigern, Kosten zu senken und widerstandsfähigere Lieferketten aufzubauen.
Die additive Fertigung verkürzt den Weg von der Idee zum physischen Bauteil. Ingenieure können Konzepte testen, Konstruktionen validieren und Änderungen vornehmen, ohne auf Werkzeuge/Werkzeugbau oder die Vorlaufzeiten von Zulieferern warten zu müssen. General Motors verkürzte die Vorlaufzeiten nach der Umstellung auf den 3D-Druck von neun Wochen auf zwei.
Bei der herkömmlichen Fertigung wird Material in der Regel durch Subtraktion, Zerspanung, maschinelle Bearbeitung und Beschneiden abgetragen. Die additive Fertigung funktioniert umgekehrt: Es wird nur das aufgebaut, was das Bauteil tatsächlich benötigt.
Das ist besonders bei komplexen Geometrien und kleinen Fertigungsdurchgängen von Bedeutung, bei denen sich der Abfall aus herkömmlichen Verfahren schnell summiert. Pulverbasierte Verfahren gehen noch einen Schritt weiter, da ungenutztes Material oft zurückgewonnen und wiederverwendet werden kann. SAF™ ReLife™ PA12 ist ein gutes Beispiel dafür.
Ein Teil des Energievorteils der additiven Fertigung ergibt sich aus der Vereinfachung des Prozesses selbst: weniger Werkzeuge, weniger Montageschritte und die Möglichkeit, Teile näher am Einsatzort herzustellen. Auch Software spielt eine Rolle, indem sie die Bauausrichtung und Stützstrukturen optimiert, sodass weniger Material verschwendet wird und weniger Nachdrucke erforderlich sind.
Rechnet man den geringeren Transportaufwand, den geringeren Lagerbedarf, die geringeren Kosten für Werkzeuge/Werkzeugbau und die geringeren Ineffizienzen beim Druckvorgang selbst zusammen, ergeben sich echte Energieeinsparungen.
Ersatzteile bedeuten in der Regel Lagerfläche – und zwar jede Menge davon. Die additive Fertigung bietet ein anderes Modell: Man speichert das Design als digitale Datei und druckt das Teil erst dann, wenn es tatsächlich benötigt wird.
Das reduziert den Lagerbedarf, verringert das Risiko, dass Teile im Regal veralten, und erleichtert die Versorgung von Fahrzeugen mit geringen Stückzahlen oder älteren Modellen erheblich. Die Restaurierung des „Sampson Special“ ist ein gutes Beispiel dafür: Stratasys Direct Manufacturing fertigte veraltete Kühlerteile für den Rennwagen aus dem Jahr 1930 nach, anstatt von Grund auf neue Werkzeuge/Werkzeugbau anzufertigen.
Die additive Fertigung kann Kosten senken, indem sie den Werkzeugbau überflüssig macht, Entwicklungszyklen verkürzt, den Lagerbedarf reduziert und effizientere Produktionsabläufe ermöglicht.
Die Einsparungen können beträchtlich sein. Zum Beispiel:
Die additive Fertigung hat sich in der Automobilproduktion fest etabliert, ist jedoch kein universeller Ersatz für herkömmliche Verfahren. Wie jeder Prozess hat auch sie einen optimalen Anwendungsbereich, und zu wissen, wo dieser liegt, ist genauso wichtig wie zu wissen, was sie leisten kann.
Bei hohen Stückzahlen sind Spritzguss und Stanzen kostenseitig nach wie vor kaum zu schlagen. Sobald das Werkzeug fertiggestellt ist, sinken die Kosten pro Teil auf ein niedriges Niveau und bleiben dort. Additive Fertigung ist am anderen Ende des Spektrums sinnvoller: bei Prototypen, Werkzeugen, Ersatzteilen und Kleinserien, bei denen sich die Vorabinvestition im Werkzeugbau von vornherein kaum rechtfertigen lässt.
[H3] Druckgeschwindigkeit und Durchsatz
Obwohl sich die additiven Fertigungstechnologien ständig verbessern, ist die Herstellung von Tausenden oder Millionen identischer Teile mit vielen konventionellen Fertigungsverfahren nach wie vor schneller. Additive Fertigung wird oft dort eingesetzt, wo Flexibilität, schnelle Markteinführung oder Gestaltungsfreiheit wichtiger sind als ein maximales Produktionsvolumen.
Jedes Bauteil in einem Fahrzeug muss strenge Qualitäts- und Leistungsanforderungen erfüllen, und additiv gefertigte Teile bilden da keine Ausnahme. Während sich die additive Fertigung zunehmend in der Produktion etabliert, dienen Verfahren wie das Production Part Approval Process (PPAP) dazu, zu bestätigen, dass ein gedrucktes Teil tatsächlich den vorgesehenen technischen Standards entspricht.
PPAP bestätigt, dass ein Fertigungsverfahren konsistent Teile gemäß den technischen Spezifikationen herstellen kann. Für additiv gefertigte Komponenten bedeutet dies, die Materialeigenschaften, Maßgenauigkeit und Prozesswiederholbarkeit über alle Produktionsläufe hinweg zu dokumentieren. Stratasys Direct unterstützt vollständige PPAP-Workflows für 3D-gedruckte Teile in Produktionsqualität.
Die Materialien werden zwar immer besser, aber es gibt nach wie vor kein einziges AM-Material, das für alle Anwendungen geeignet ist. Stabilität / Festigkeit, Temperaturbeständigkeit, Langlebigkeit, Chemikalienbeständigkeit, Oberflächenfinish – Ingenieure müssen all diese Faktoren abwägen, bevor sie sich für ein Material entscheiden. Die Wahl des richtigen Materials ist letztendlich genauso wichtig wie die Wahl des richtigen Verfahrens.
Stratasys unterstützt den gesamten Produktlebenszyklus in der Automobilindustrie – von der Konzeptentwicklung über Rapid Prototyping und den Werkzeugbau für die Produktion bis hin zu Endbauteilen und Fertigungsdienstleistungen.
Konstruktionsteams setzen auf PolyJet™ und Neo®-Stereolithographie, wenn Konzeptmodelle und Prototypen in Aussehen und Maßen genau stimmen müssen und feine Details, ein sauberes Oberflächenfinish sowie hohe Maßgenauigkeit erforderlich sind. Damit eignen sie sich ideal für Designprüfungen, Aerodynamiktests, Passform- und Formstudien sowie die Funktionsvalidierung.
FDM® wird in der Produktstraße häufig für Montagevorrichtungen, Greifwerkzeuge, Messgeräte, Bohrführungen, Greifwerkzeuge für Roboter und Werkzeuge zur Blechumformung eingesetzt. Technische Thermoplaste verleihen diesen Werkzeugen ausreichend Stabilität und Langlebigkeit, um dem täglichen Einsatz standzuhalten, und reduzieren gleichzeitig sowohl die Vorlaufzeit als auch die Herstellungskosten.
SAF® ist auf wiederholbare Polymerteile in Produktionsqualität ausgelegt und eignet sich daher robust für die Überbrückungsfertigung, Ersatzteile und Kleinserien, bei denen sich herkömmliche Werkzeuge/Werkzeugbau einfach nicht rechnen.
Wenn ein Bauteil nahezu die Qualität eines Spritzgussteils erreichen muss, ist P3™ DLP oft die richtige Lösung. Hohe Genauigkeit, ein robustes Oberflächenfinish und gleichbleibende mechanische Eigenschaften machen diese Technologie zu einer gängigen Wahl für Funktionsprototypen, Produktionswerkzeuge und Kleinserien-Endbauteile und -Produktionsteile.
Nicht jeder Hersteller muss in Anlagen für die additive Fertigung investieren. Stratasys Direct® bietet On-Demand-Produktionsdienstleistungen an und ermöglicht Automobilunternehmen so den Zugang zu einer breiten Palette an Technologien, Materialien, Veredelungsdienstleistungen und PPAP-unterstützten Arbeitsabläufen für Produktionsanwendungen.
