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Additive Fertigungs­verfahren in der Auto­mobil­industrie

Optimierung einer Produktionsanlage mit Hilfe des 3D-Drucks

Karlsruhe, den 07.08.2019

Disruptive Fertigungsverfahren sind ein zukunftsträchtiges Thema bei den OEMs. Darunter versteht man Verfahren, die bestehende etablierte Technologien vollständig verdrängen könnten. Ein Beispiel dafür sind additive Fertigungsverfahren, welche umgangssprachlich 3D-Druck genannt werden. Ein Großteil der deutschen Maschinenbauunternehmen beschäftigen sich, laut einer Umfrage des VDMA mit dem Einsatz von additiv gefertigten Bauteilen. IBS ist eines dieser Unternehmen. Im zweiten Teil dieses Artikels erklären wir anhand eines Beispiels, wie mittels 3D-Druck im Karosserierohbau Produktionsanlagen optimiert werden können.

Additive Fertigung als serientaugliches Verfahren

Bei additiven Fertigungsverfahren wird Material schichtweise über einen computergesteuerten Extruder aufgetragen. So lassen sich verschiedenste Volumenkörper erstellen. Je nach Verfahren können Materialien wie Kunststoff oder Metall verarbeitet werden. Die erreichbare Stabilität hängt von der Auslegung der Geometrie und den verwendeten Materialien ab.  Die nachfolgende Abbildung gibt einen Überblick darüber, welche Bauteile in der Industrie additiv gefertigt werden können:

Durch immer ausgereiftere 3D-Druck-Geräte lassen sich komplexe Teile leicht herstellen. Inzwischen haben die großen OEMs unter Beweis gestellt, dass der Einsatz von 3D-Druck Komponenten in der Serie möglich ist. So produzierte BMW im letzten Jahrzehnt über eine Millionen Bauteile mithilfe der 3D-Drucktechnologie. Ford verfügt heute nach eigenen Angaben bereits über 90 3D-Drucker, die weltweit Teile und Werkzeuge fertigen. Bereits 2017 konnte ein Firmenkonsortium (Altair, APWORKS, csi entwicklungstechnik, EOS GmbH, Gerg und Heraeus) das Potential des industriellen 3D-Drucks aufzeigen, welches einen vollständigen Vorderwagen eines „historischen“ VW Caddys aus 3D-Druck ersetzte. Kennzeichnend für die Struktur ist das geringe Gewicht und hohe Stabilität. Außerdem kann das Wischwasser in der Struktur aufgenommen werden. Dadurch kann komplett auf den Wischwasserbehälter verzichtet werden. Allerdings ist dieser Test (noch) nicht serientauglich.

Der Werkzeugbau der Marke Volkswagen hat sein neues, hochmodernes 3D-Druck-Zentrum im Dezember 2018 in Wolfsburg eröffnet. Dort sollen im „BinderJetting“ -Verfahren in naher Zukunft erste Teile für die Serie gefertigt werden. Bei diesem Verfahren werden Bauteile mit einem Metallpulver und Bindemittel geschichtet aufgebaut, welche anschließend im Sinterverfahren zu dem gewünschten metallischen Teil gebacken werden. Ein gedruckter Blaulichthalter aus Kunststoff wird bereits in Serie gefertigt und konnte den bisherigen teuren und schweren Stahlstrahler ersetzen.  Prozessoptimierungen wie diese lassen sich durch Bauteile aus dem 3D-Drucker gut realisieren, da sie leicht reproduzierbar sind und wenig Zeitaufwand in der Fertigung besitzen. So können u.a. kleine Änderungen an der Konstruktion schnell und kostengünstig umgesetzt werden.

Optimierung einer Produktionsanlage mit Hilfe des 3D-Drucks

Für den reibungslosen Ablauf einer Produktionsanlage gibt es im Nachgang Arbeitsprozesse, die optimiert werden können. Für eine solche Optimierung wurden wir von AUDI beauftragt. Ziel war es, den Werker innerhalb der Montagestation mit einer handlichen Klebeschablone dabei zu unterstützen, einen QR-Code korrekt am Fahrzeug anzubringen.Um den Werker zu entlasten, musste die Konstruktion möglichst leicht und ergonomisch sein. Diese Kriterien konnten wir mithilfe des hauseigenen 3D-Druckers erfüllen. Zur Reduzierung der Bearbeitungszeit trägt maßgeblich die interne Verarbeitung der Druckaufträge bei. Durch diese Vorgehensweise entstehen keine Verzögerungen durch Auslieferungsprozesse.  Um die Funktionalität zu gewährleisten, wurden verschiedene Ausführungen erstellt, welche direkt vor Ort auf ihre Eignung geprüft werden. Bei der Konstruktion von 3D-Modellen, die gedruckt werden sollen, müssen einige Gestaltungsrichtlinien beachtet werden. Ein Beispiel dafür ist, dass durch eine geschickte Ausrichtung des 3D-Druck-Teils auf dem Druckbett keine Stützstruktur benötigt wird. Stützstrukturen versucht man stets zu vermeiden, da sie im Nachgang wieder entfernt werden müssen. In den folgenden Bildern sieht man das 3D-Modell der Klebeschablone auf der linken sowie das fertig gedruckte Teil auf der rechten Seite:

Eine Gegenüberstellung des Klebeschablone als 3D-Modell und als Fertigteil.
Ein Tortendiagramm zum Thema der Bedeutung von Additiver Fertigung im Maschinenbau.
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