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Additive Fertigung

3-D-Druck – Die Ergebnisse aus „NextGenAM“

| Autor/ Redakteur: Gerald Scheffels / Thomas Günnel

Die Partner des Projektes „NextGenAM“ haben nach zwei Jahren Entwicklungsarbeit erstmals „live“ das Ergebnis gezeigt: die weltweit erste vollautomatisierte Produktionslinie für Metall-3-D-Druck. Sie produziert bereits Bauteile für Daimler.

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So sieht die erste vollautomatisierte Fertigung von metallischen AM-Teilen aus.
So sieht die erste vollautomatisierte Fertigung von metallischen AM-Teilen aus.
( Bild: EOS )

Der internationale „Hotspot“ für die additive Produktion von Serienteilen aus Metall befindet sich rund 80 Kilometer westlich von Bremen und 30 Kilometer nördlich von Oldenburg: In Varel haben die Partner Daimler, EOS und Premium Aerotec nach zwei Jahren ihr Projekt „NextGenAM“ beendet – und das Ergebnis vorgestellt. Ziel des Projektes war es, der additiven Fertigung (AM) den Weg in die Serienproduktion zu ebnen, indem die Kosten für 3-D-gedruckte Aluminiumbauteile deutlich sinken.

Dieses Ziel haben die Partner erreicht. Gerd Weber, Standortleiter des Premium-Aerotec-Werks in Varel: „Die Herstellkosten der Bauteile konnten um bis zu 50 Prozent reduziert werden.“ Möglich ist das nur, weil das Projekt nicht nur das eigentliche (additive) Verfahren berücksichtigte, sondern die gesamte Prozesskette. Adrian Keppler, CEO der EOS GmbH: „Bei der additiven Produktion von Bauteilen entfällt nur ein Teil der Kosten auf den Druckvorgang selbst. Die vor- und nachgelagerten Prozessschritte können sogar den größeren Anteil ausmachen.“

Erste vollautomatisierte additive Fertigung

Damit war die Zielrichtung vorgegeben, und die Projektpartner entwickelten eine komplett automatisierte additive Produktionskette – beginnend bei der zentralen Pulverbereitstellung über den eigentlichen AM-Bauprozess und die anschließende Wärmebehandlung bis zur Separierung der Bauteile von der Trägerplatte. Technischer Kern ist das Vier-Laser-System M 400-4 von EOS, das nach dem Verfahren des Direct Metal Laser Sintering (DMLS) arbeitet und mit vier 400-Watt-Lasern ausgerüstet ist.

Die vorgerüsteten Bauplatten werden der Anlage per FTS zugeführt, wie überhaupt sämtliche Transportwege automatisiert sind. Das Metallpulver – eine Aluminiumlegierung – wird im geschlossenen, automatisierten Materialkreislauf unter Inert-Atmosphäre verarbeitet und aufbereitet. Auch das trägt zur kostensparenden additiven Fertigung bei, ebenso das automatisierte Entfernen des Pulvers nach dem Druck in der Auspackstation.

Ein ganz wesentlicher Faktor sind die einheitlichen Wechselrahmen, auf denen die Bauteile von Maschine zu Maschine fahren und andocken. Das schafft die Voraussetzung für eine hauptzeitparallele Erledigung von Nebenprozessen – in der Folge sind die (teuren) Laseranlagen viel besser ausgelastet. Alle Maschinen der Fertigungszelle sind über OPC UA vernetzt, und der gesamte Produktionsprozess steuert sich selbst ohne Bedienpersonal über einen zentralen, autonomen Leitstand.

Die Auftragsdaten werden an den Leitstand übertragen, der die einzelnen Bauaufträge priorisiert und sie einem AM-System zuordnet. Während des Bauvorgangs ist der Fertigungsstatus auch ortsunabhängig mobil abrufbar. Nach Abschluss der kompletten Produktionskette werden die Qualitätsberichte zentral zurück an den Leitstand gesendet. Er stellt daraufhin alle benötigten Daten für einen digitalen Zwilling bereit. Das ermöglicht eine umfassende Rückverfolgbarkeit, wie sie in der Automobilindustrie gefordert wird.

Erste Serienteile für Daimler

Schon jetzt entstehen Teile für Daimler in der neuen Technologiestraße bei Premium Aerotec – zum Beispiel Hydraulikkomponenten für den Mercedes-AMG One. Uwe Renz, Leiter Entwicklung Aufbau/Karosserie AMG, nennt Gründe für die Attraktivität des 3-D-Drucks: „Wir reduzieren den Materialeinsatz und das Gewicht, sparen Zeit in der Entwicklung und in der Produktion und können auch noch kurz vor Serienanlauf Änderungen vornehmen, weil die Teile werkzeuglos gefertigt werden.“

Uwe Renz ist von dem Gemeinschaftsprojekt überzeugt: „Ohne NextGenAM wäre das gedruckte Hydraulikbauteil für den Mercedes-AMG One nicht realisierbar gewesen.“ Er sieht den Weg des Verfahrens in die Serie vorgezeichnet – zunächst bei AMG-eigenen Kleinserien, später auch bei klassischen Mercedes-Fahrzeugen und damit in größeren Stückzahlen. Bis dahin, so Renz, müssten jedoch die Kosten noch weiter gesenkt werden: „Da gibt es noch etwas zu tun – aber das Potenzial ist da.“ Auch die Kollegen der Nutzfahrzeugsparte profitieren von den Projektergebnissen: Halterungen für Lkw-Dieselmotoren werden in Varel ebenfalls im 3-D-Druck gefertigt.

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Teile für den 3-D-Druck entwickeln

Die Daimler-Konzernforschung setzt ebenfalls auf die Serienfähigkeit des 3-D-Drucks. Jasmin Eichler, Leiterin Future Technologies bei der Daimler AG: „Besonders sinnvoll ist der 3-D-Druck bei der Vorentwicklung von Fahrzeugen. Die benötigten kleinen Stückzahlen können mit Additive Manufacturing oft günstiger und schneller hergestellt werden als mit herkömmlichen Produktionsverfahren.“ Für Kleinstserien von Neufahrzeugen eignet sich, so Jasmin Eichler, Additive Manufacturing ebenfalls schon jetzt: „Durch gezielte Entwicklung der Teile speziell für den 3-D-Druck können die Produktionskosten weiter gesenkt und die Qualität optimiert werden.“

Das gilt für Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor ebenso wie für Elektroautos. Zum Beispiel eignet sich der 3-D-Druck sehr gut für die Herstellung integrierter Grundplatten, in denen die Kühlleitungen für die Batterien von E-Fahrzeugen verlaufen. Ebenso wichtig wie die Kostenfrage ist die reproduzierbare Qualität von Produkten und Prozessen – bis hin zur Materialcharge des Pulvers.

Für die Automotive-Teile kommt im NextGenAM-Projekt eine klassische Alu-Legierung (AlSi10Mg) zum Einsatz, deren Materialeigenschaften, zum Beispiel in Bezug auf die Festigkeitswerte und die Oberflächenqualität der Produkte, im Lauf der zwei Jahre kontinuierlich verbessert wurden. Nachdem die bisherigen Qualitäts-Checks mit vielversprechenden Ergebnissen bestanden wurden, ist eine Auditierung nach den Vorgaben von VDA 6.3 in Vorbereitung. Sie ist bei Daimler Voraussetzung für die Nutzung von Serienbauteilen eines 3-D-Druck-Lohnfertigers.

Leichtbau durch bionisches Design

Mit der Automatisierung der kompletten AM-Produktionskette sind künftig größere Stückzahlen im Serienbau möglich – mit gleicher Zuverlässigkeit, Funktionalität, Langlebigkeit und Wirtschaftlichkeit wie bei Bauteilen aus konventioneller Fertigung. Teile für Neufahrzeuge können bereits bei der Konstruktion für den 3-D-Druck optimiert werden, was weitere Kostenvorteile verspricht. Daneben ergeben sich Gewichtsvorteile, weil bisherige Restriktionen entfallen und zum Beispiel ein „bionisches“ Design möglich wird.

Die Projektpartner haben in Varel eine erste voll automatisierte additive Fertigungslinie realisiert und dabei schon berücksichtigt, dass das Verfahren skalierbar sein soll. Adrian Keppler: „Theoretisch können 20 oder auch 100 Prozesskammern parallel arbeiten.“ Dann ergeben sich nochmals größere Skaleneffekte.

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