Die Automobilbranche steht in Deutschland unter ständiger Beobachtung: höhere Umweltstandards, Elektromobilität und autonomes Fahren sind nur einige Faktoren, die eine Rolle dabei spielen. Nicht nur Automobilhersteller, sondern speziell Automobilzulieferer müssen in der Produktion von Fahrzeug- oder Ersatzteilen daher sehr anpassungsfähig sein. Wie insbesondere der 3D-Druck den hohen Qualitätsansprüchen der Automobilbranche gerecht wird und was das für Auswirkungen auf die Produktion von Fahrzeugteilen hat, zeigt der Automobilzulieferer Brose.

Jedes zweite neue Fahrzeug weltweit verfügt über mindestens ein Brose-Produkt. Dazu gehören verschiedene mechatronische Komponenten und Systeme, wie Sitzstrukturen, Türkomponenten und verschiedene Elektromotoren und Antriebe. Mit 25.000 Mitarbeitern in 24 Ländern ist das Unternehmen einer der größten Automobilzulieferer in Familienbesitz. Als innovatives Unternehmen befindet sich Brose in einer guten Ausgangssituation, um die additive Fertigung (AM) in seine Produkte und Fertigungsabläufe zu integrieren. Dafür nutzt das Unternehmen verschiedene AM-Technologien für die Fertigung von Prototypen, Werkzeugen und Vorrichtungen. Im nächsten Schritt ist die Serienfertigung mithilfe des 3D-Drucks geplant. Eines der neuesten Mitglieder in der Druckerflotte ist der Fuse 1 von Formlabs. Der erste industrielle Benchtop-3D-Drucker für selektives Lasersintern (SLS) ist eines der Werkzeuge, die das Unternehmen unterstützen sollen.

Einsatz in einer industriellen Umgebung

Das AM-Zentrum von Brose in Deutschland ist ein One-Stop-Shop für Prototypenfertigung, Prozessentwicklung, Materialentwicklung und Validierung und stellt Teile für die ganze Welt bereit. Vor über zehn Jahren startete das Zentrum mit seinem ersten 3D-Drucker für Schmelzschichtung (FDM). Seitdem hat es seine Kapazitäten auf fast alle AM-Prozesse auf dem Markt erweitert – von Stereolithografie (SLA) über Jetting-Prozesse, selektives Lasersintern bis hin zu einem großen Maschinenpark an 3D-Druckern. Zur Druckerflotte gehören verschiedene SLS-Systeme, von kleinen Desktop-Geräten bis hin zu den größten herkömmlichen Industriedruckern. Das Unternehmen hat viel Erfahrung mit dieser Technologie und gehörte zu den ersten Anwendern des Fuse 1 in Europa. „Wir haben den Fuse 1 sehr umfangreich getestet. Wir drucken viele Teile mit einer minimalen Dicke sowie sehr dünne und sehr lange Designs. Beim Testen der Teile stellten wir fest, dass eventuelle Abweichungen bei den Abmessungen immer einheitlich waren. Wenn man den Prozess also einmal optimiert hat, erhält man hochgradig maßgenaue Teile“, sagt Christian Kleylein, Projektleiter Additive Series Manufacturing Polymers bei Brose.

Das Team führte viele Drucke auf dem Fuse 1 durch, um seine Grenzen zu erproben – von kurzen Drucken über Nacht, die etwa 12 Stunden benötigen, bis hin zu vollständig gefüllten Konstruktionskammern mit mehr als 1.000 kleinen Teilen, die vier Tage in Anspruch nahmen. „Die Oberflächenbeschaffenheit ist sehr schön, sehr glatt, man sieht nur sehr wenige Schichten, wodurch man die Teile verwenden kann, wenn sie nach der Entnahme aus dem Drucker mediengestrahlt wurden, um die letzten Pulverreste zu entfernen. Man kann sehr feine Details herstellen“, sagt Kleylein.

Der Fuse 1 soll die Lücke zwischen traditionell-industriellen SLS-Druckern und kostengünstigeren Druckern in kleinerem Format schließen. Er bietet hohe Qualität, kompakte Abmessungen und einen vereinfachten Arbeitsablauf zu einem Bruchteil der Kosten herkömmlicher industrieller SLS-Systeme. „Er lässt sich mehr mit industriellen Druckern als mit Desktop-Geräten vergleichen. Dank dem Faserlaser hat Formlabs sein eigenes optisches Scannersystem entwickelt, und der Laserstrahl wird korrekt umgelenkt“, sagt Kleylein. Man könnte denken, dass sich für Automobilteile größere Drucker besser eignen, aber Kleylein findet, dass das Fertigungsvolumen für die meisten Designs reicht: „80 Prozent der Teile, die wir drucken, sind etwa faustgroß. So können wir alle diese Teile mit dem Fuse 1 drucken. Es gibt ein paar Teile, die in der Mitte liegen, und der Rest ist wirklich groß.“

Ersatzteile und Teile für End-of-Life-Produkte

Brose plant, den Fuse 1 zunächst für funktionales Prototyping zu nutzen, um von dem schnellen Durchsatz und dem Material Nylon 12 zu profitieren, das über ähnliche Eigenschaften wie die aktuellen Produktionsmaterialien verfügt. Doch das Team von Kleylein validiert bereits Teile und gestaltet Anwendungsfälle, wobei Ersatzteile und Teile für End-of-Life-Produkte zu den ersten Kandidaten gehören sollen. Denn für den Fall, dass ein Fahrzeugmodell nicht mehr produziert wird, sind Automobilzulieferer verpflichtet, weiterhin Ersatzteile bereitzustellen. In der Vergangenheit bedeutete dies, im Voraus abzuschätzen, wie viele Ersatzteile benötigt werden, diese im Spritzguss zu fertigen und sie anschließend einzulagern. „Das ist eine große Verschwendung von Ressourcen, Platz und Geld. Wenn wir sie drucken, müssen wir die Spritzgussformen und die Teile nicht die nächsten 15 Jahre einlagern“, sagt Kleylein.

Der SLS-3D-Druck eignet sich in diesem Bezug als ideale Produktionstechnologie. Er ermöglicht den Druck hochwertiger Teile mit Eigenschaften, die denen von spritzgegossenen Teilen vergleichbar sind. Zudem lässt sich ein solches System in einer Fertigungsumgebung implementieren. Zudem ist SLS einer der abfallärmsten und saubersten AM-Prozesse. „Viele Kunden gefällt die Idee, da wir versuchen, nahezu ohne Abfall zu drucken. Wir können das Pulver wiederverwenden, es müssen auch keine Chemikalien recycelt werden. Wir erwarten, dass die SLS-Geräte bis Ende nächsten Jahres abfallfrei laufen“, sagt Kleylein.

Zukunft des SLS-Drucks in der Serienfertigung

Das Ziel in der näheren Zukunft ist es, die SLS-Technologie bei der Serienfertigung von Teilen für die nächste Generation von Automobilprodukten einzusetzen. Dazu müssen zwei wichtige Veränderungen erfolgen: AM muss bei der Produktentwicklung schon in der Designphase eingeplant werden. Außerdem müssten Material- und Gerätekosten weiter sinken. „Das größte Hindernis ist es, den Produktdesignern zu vermitteln, was tatsächlich möglich ist mit 3D-Druck, und sie dazu zu bringen, das Teil zu drucken. Man erzielt nie Kosteneffizienz mit Komponenten, die für den Spritzguss ausgelegt sind. Man muss die Teile für den Prozess designen“, sagt Kleylein. Da der Fuse 1 die Hürde zum Einstieg in den SLS-3D-Druck senkt, wird er eine wichtige Rolle bei dieser Verlagerung der Produktion spielen. Brose hat bereits Pläne, seine 3D-Druckkapazitäten schnell weiter auszubauen. Die zweite Kunststoff-AM-Werkstatt wird jetzt in den USA gebaut, wo auch ein Fuse 1 zum Einsatz kommen wird.