Additive Fertigung in der AutomobilindustrieAdditive Fertigungsverfahren werden zunehmend auch für den Automobilbau interessant. | Riccardo_Mojana
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3D-Druck schafft neue Perspektiven

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Christoph Hammerschmidt

Christoph Hammerschmidt

freier Journalist

Die additive Fertigung ist an der Schwelle zum Einzug in die Serienproduktion angekommen. 3D-Drucker der neuesten Generation drucken wesentlich schneller als bisher. Daher eignet sich diese Fertigungstechnik für immer mehr Anwendungen, unter anderem auch im Automobilbau.

21. Juni 2016

Ein Kettenglied, das aus dem Drucker kommt und eine Last von mehr als zwei Tonnen tragen kann – bei einem Eigengewicht von gerade einmal 113 Gramm. Hergestellt als Einzelstück in weniger als 30 Minuten: Mit solchen Stunts verblüfft gerade der 3D-Drucker-Hersteller Hewlett Packard die Fachwelt. Am meisten dürfte die Geschwindigkeit der neuen Drucker für Erstaunen sorgen, galt vielen Marktteilnehmern doch der 3D-Druck bisher als nervtötend langsam. Gerade in diesem Bereich tut sich in jüngster Zeit jedoch viel. Die Unternehmensberatung Roland Berger prognostiziert eine Zunahme der Aufbaurate – der Geschwindigkeit also, mit der sich bei diesem Verfahren die gewünschten Formen bilden lassen – um 800 Prozent für die nächsten acht Jahre. Damit stünde einem Durchbruch der Technik als Standardverfahren nicht mehr allzu viel entgegen.

Verwirrende Begriffsvielfalt

Allerdings ist der Begriff „3D-Druck“ keineswegs ein einheitlicher Begriff für eine einzige, genau definierte Technik. Wer sich dem Thema nähert, dem tritt ein ganzer Zoo von Begriffen entgegen, eine verwirrende Vielfalt von Verfahren, die zwar alle unter der Flagge des 3D-Drucks segeln, sich dabei aber manchmal nur auf spezielle Untermengen oder Teilaspekte beziehen: etwa die generative Fertigung, die additive Fertigung, das Additive Manufacturing, das Rapid Prototyping und vieles mehr. Diese Vielzahl der Begriffe ist dem Umstand geschuldet, dass die additive Fertigung aus vielen verschiedenen Wurzeln gewachsen ist. Gemeinsam ist den Verfahren, dass das Material schichtweise aufgetragen und ausgehärtet wird – einer der Gründe für die eher gemächliche Arbeitsweise der 3D-Drucker. 

Das Prinzip ist keineswegs neu: Der Autohersteller BMW setzt es schon seit 25 Jahren ein, wie er kürzlich in einer Pressemitteilung wissen ließ. Das Unternehmen nutzt additive Fertigungsverfahren für die Produktion von Teilen für Konzeptfahrzeuge, Prototypen und Kleinserien. Ein weiteres Anwendungsgebiet ist die Herstellung von Werkzeugen zur Handhabung von Fahrzeug-Bauteilen in der Serienproduktion. BMW-Konkurrent Opel baut im 3D-Verfahren Gerätschaften, mit denen die Werker am Fließband den Typenschriftzug leichter einpassen können. Die Vorteile dieser Vorgehensweise gegenüber herkömmlichen Verfahren: Die so hergestellten Handhabungswerkzeuge sind bei gleicher Stabilität durchweg leichter als entsprechende Äquivalente aus Metall. Vor allem aber bietet das Herstellungsverfahren eine größere Flexibilität als die klassischen Verfahren mit Bohren, Drehen und Fräsen. Ändert sich ein Produktionsprozess oder einer der involvierten Bauteile, so lässt sich ein neues Handhabungswerkzeug direkt aus dem Drucker erzeugen, ohne dass dafür eine komplizierte Werkzeugfertigung bemüht werden muss.

Hohe Belastbarkeit bei geringem Gewicht

Ein weiterer Vorzug additiver Fertigungsverfahren liegt in der Möglichkeit, komplexe Formen herzustellen, die sich mit konventionellen Verfahren überhaupt nicht oder nur mit unverhältnismäßigem Aufwand fertigen ließen. Beispiele sind Wasserpumpenräder oder Turbinenschaufeln mit Kühlkanälen im Inneren, etwa für den Rennsport. In diesem Anwendungsbereich kommt es weniger auf die Kosten an als vielmehr auf hohe Belastbarkeit bei geringem Gewicht; gleichzeitig ermöglicht diese Fertigungsart dem Konstrukteur, flexibel auf Änderungsanforderungen zu reagieren. BMW beispielsweise hat bisher mehr als 500 solcher Wasserpumpen für seine DTM-Rennfahrzeuge gebaut, keines davon sei jemals ausgefallen, teilt das Unternehmen stolz mit.

Ein höherer Grad an individueller Formgebung ist eigentlich nur noch in der Medizin erforderlich, wo es um Prothesen oder künstliche Körperteile geht. In diesem Sektor ist jedes Produkt ein Einzelstück, vollständig abgestimmt auf die Belange eines einzigen Benutzers; die Konstruktionsdaten dazu werden direkt aus den bildgebenden Verfahren wie Computertomographie oder Magnetresonanztomographie abgeleitet. Die Anfertigung von Prothesen und Orthesen aller Art ist daher eine Hochburg der additiven Produktionstechniken. Die Hörgeräteindustrie der USA hat daher in den letzten fünf Jahren praktisch zu hundert Prozent auf dieses Fertigungsverfahren umgestellt.

Leichter und materialsparender

Aus der Möglichkeit, sehr komplexe Formen herzustellen, wie sie mit konventionellen Verfahren kaum möglich sind, ergibt sich eine weitere Konsequenz: Additive Fertigungsverfahren eröffnen neue Perspektiven für den Leichtbau, denn sie ermöglichen es, bionische Konstruktionsprinzipien mit selektiven Dichten, Wandstärken und Formgebungen anzuwenden. Bionisch ausgelegte Bauteile aber lassen sich erfahrungsgemäß 20 bis 30 Prozent leichter und materialsparender fertigen als konventionell gefertigte. „Das volle Leichtbaupotential wird vor allem durch die konsequente Nutzung der Vorteile dieses Verfahrens ausgeschöpft“, sagt dazu Ralf Göttel, CEO der auf Leichtbauteile für die Autoindustrie spezialisierten Firma Benteler Automotive.

Der dritte große Vorzug des 3D-Drucks liegt in seiner Wirtschaftlichkeit. Das mag auf den ersten Blick verwundern, sind die entsprechenden Fertigungsmaschinen doch sehr teuer und arbeiten zudem langsam. Erst auf den zweiten Blick erschließt sich die Dimension dieses Versprechens: Bei der Herstellung mittels additiver Verfahren entsteht im Gegensatz zu zerspanenden Fertigungsverfahren kaum Abfall. Rüstzeiten gibt es nur insoweit, als der Computer eine gewisse Zeit benötigt, um die Konstruktionsdaten des jeweiligen Produkts auf den Drucker zu übertragen. Fertigungen in kleinen Stückzahlen sind daher ebenso wirtschaftlich wie Großserien. Die Produkte lassen sich in genau der Menge und zu dem Zeitpunkt produzieren, zu denen sie benötigt werden. Werkzeuge für die Fertigung wie etwa Gussformen, Halterungen oder Passungen erübrigen sich. Anbieter von Equipment für additive Fertigungsverfahren schwärmen daher nicht ganz zu Unrecht von einer werkzeuglosen Fertigung, die zudem „on demand“ abläuft, keine Lagerhallen benötigt und keine Halden überschüssiger Produkte verursacht.

Stellhebel für die Einführung von Industrie 4.0

Die Aufzählung dieser Vorzüge macht deutlich: 3D-Fertigung ist vor allem dort konkurrenzfähig, wo komplexe Formen benötigt werden, wo ein hohes Maß an Individualität gefordert ist und wo in kleinen Stückzahlen gefertigt wird – bis hinunter auf „Losgröße eins“. Damit wird die additive Fertigung zu einem der Stellhebel für die Einführung von Industrie 4.0. Die Experten von Roland Berger sehen einen riesigen Wachstumsmarkt entstehen: Gerade weil Systeme für das Additive Manufacturing im Markt für Werkzeugmaschinen erst einen Marktanteil von weniger als ein Prozent haben, ist das Potential enorm. „Die Vielzahl an Innovationen sowie die große Marktnachfrage lassen in den kommenden Jahren Wachstumsraten von 30 Prozent und mehr erwarten“, so das Beratungsunternehmen in einer aktuellen Studie.