Suchen

Concept Laser

Pulverbettbasiertes Laserschmelzen verbindet Leichtbau und Flexibilität

| Autor/ Redakteur: Daniel Hund / Frauke Finus

Die Autobauer sind aktuell gefordert, die zunehmende Anzahl an Antriebskonzepten und Energiespeichersystemen in Fahrzeugstrukturen zu integrieren. Die Karosserien von morgen müssen nicht nur leichter, sondern vor allem flexibel konstruiert werden. Die Folge ist eine steigende Zahl von Fahrzeugderivaten, die nach anpassungsfähigen und wirtschaftlich zu fertigenden Karosseriekonzepten verlangen. Die additive Fertigung könnte ganz neue Wege offerieren.

Firmen zum Thema

Das von Edag auf dem Genfer Autosalon im März 2015 sowie auf der Internationalen Automobilausstellung IAA im September 2015 in Frankfurt präsentierte Concept Car „Edag Light Cocoon“ ist ein visionärer Ansatz eines kompakten Sportwagens mit einer umfassend bionisch optimierten und generativ gefertigten Fahrzeugstruktur, die mit einer Außenhaut aus wetterbeständigem Textil und variablem Lichtdesign kombiniert wird.
Das von Edag auf dem Genfer Autosalon im März 2015 sowie auf der Internationalen Automobilausstellung IAA im September 2015 in Frankfurt präsentierte Concept Car „Edag Light Cocoon“ ist ein visionärer Ansatz eines kompakten Sportwagens mit einer umfassend bionisch optimierten und generativ gefertigten Fahrzeugstruktur, die mit einer Außenhaut aus wetterbeständigem Textil und variablem Lichtdesign kombiniert wird.
( Bild: Edag )

Das Concept Car „Light Cocoon“ von Edag ist ein kompakter Sportwagens mit einer bionisch gestalteten und generativ hergestellten Fahrzeugstruktur, überzogen mit einer Außenhaut aus wetterbeständigem Textil. Der Light Cocoon wurde im März 2015 auf dem Genfer Autosalon und im September 2015 auf der IAA in Frankfurt präsentiert. Er soll aus Designersicht polarisieren und bricht bestehende Denkmuster in der Fahrzeugkonzeption auf. Die Karosseriestruktur greift bionische Muster auf und überführt in eine leichte Karosseriestruktur. Ein Concept Car, das nachhaltige Wege aufzeigt und gleichzeitig das technologische Potenzial der additiven Fertigung verkörpert.

Funktionsintegrierte, bionisch optimierte Fahrzeugleichtbaustruktur

In einem Gemeinschaftsprojekt zeigten die Edag Engineering GmbH, die Laser Zentrum Nord GmbH, die Concept Laser GmbH und die BLM Group mit dem bionisch optimierten, hybrid gefertigten Spaceframe eine neue Perspektive auf, wie ein wandelbares und flexibel zu fertigendes Karosseriekonzept realisiert werden kann, um die zunehmende Fahrzeugvarianz durch die Vielzahl von Antriebsvarianten und Laststufen beherrschbar zu machen. Kombiniert werden generativ hergestellte Karosserieknoten und intelligent bearbeitete Profile. Die Knoten können dank generativer Fertigung hochflexibel und multifunktional gestaltet werden, um zum Beispiel unterschiedliche Fahrzeugvarianten ohne zusätzliche Werkzeug-, Betriebsmittel- und Anlaufkosten „on demand“ produzieren zu können. Als Verbindungselemente dienen Profile aus Stahl. Auch diese können durch unterschiedliche Wandstärken und Geometrien individuell und einfach den vorgegebenen Laststufen angepasst werden.

Beim Next Gen Spaceframe handelt es sich um eine Kombination von generativ gefertigten 3D-Knoten und intelligent bearbeiteten Profilen aus Stahl. Die Knoten können vor Ort für die jeweilige Variante „Just in Sequence“ (JIS) hergestellt werden, ebenso wie die Profile, welche zunächst durch 3D-Biegen und anschließend durch 2D- und 3D-Laserschneidverfahren in die gewünschte Form und Länge gebracht werden. Im Fokus steht das Fügen einzelner Bauteile zu einer Hybridstruktur, um topologieoptimierte Strukturen herzustellen, wie sie aktuell noch nicht möglich sind. Zum Einsatz kommt das Laserschweißen, das sich durch filigrane Schweißnähte und geringe Wärmeeinbringung auszeichnet. Geschweißt werden die Bauteile mittels Kehlnaht am Überlappstoß. Geometrische Grundlage hierfür ist die komplett umlaufende Einschuhung der Profile, welche durch 3D-Vermessung der Profile auch on demand via additiver Fertigung angefertigt wird. Diese Verbindung ermöglicht das umlaufende Schweißen für eine große Anbindungslänge bei einer gleichzeitig guten Vorpositionierung der Bauteile. Die Profile werden automatisch durch den Knoten ausgerichtet und fixiert. Genutzt wird ein Scheibenlaser mit robotergeführter Optik. Zudem sind die angewandten Lasertechniken zur Herstellung von Profilen und Knoten in der Montage hochgradig automatisierbar. Das Konzept bietet in Bezug auf die Kostenstruktur der Fertigung und einer möglichen Zeiteinsparung hohe Potenziale.

Die additiv gefertigten Knoten können entsprechend jeder Laststufe angepasst werden, durch beispielsweise zusätzliche versteifende Elemente bei hohen Lastanforderungen. Damit wird jede Variante gewichts- und funktionsoptimal ausgeführt. Die Hybridbauweise überbrückt mit den Profilen die geforderten Distanzen der Struktur, während die Knoten zur Verbindung der Profile dienen. Beide Elemente wurden im CAE/CAD optimiert und gewährleisten die geforderten Anforderungen einer Karosseriestruktur. Im vorliegenden Fall übernahm Edag neben der koordinierenden Funktion die Erarbeitung und Optimierung des Spaceframe-Konzeptes, das Laser Zentrum Nord das Laserschweißen, BLM das 3D-Biegen und Laserschneiden und Concept Laser die additive Fertigung der Knoten.

Ergänzendes zum Thema
Generativer Leichtbau nach Maß

Eine wichtige Rolle auf dem Leichtbau-Gipfel 2016 in Würzburg spielte das Thema generative Fertigung. Dipl.-Ing. Jörg Ohlsen, CEO von Edag Engineering, gab einen Überblick zu generativen Fertigungstechniken.

Schon heute, so das Statement von Jörg Ohlsen, sei die generative Fertigung zumindest für Kleinserien wettbewerbsfähig. Insbesondere die gute Vernetzung des 3D-Drucks mit der vorhandenen Produktionskette sei ein Vorteil, ebenso wie die weitgehende Geometriefreiheit, die auf keine bestehenden Produktionsverfahren Rücksicht nehmen muss. Bis die 3D-Fertigung allerdings für größere Serien und breitere Anwendungsbereiche reif ist, müssen laut Ohlsen noch einige Prozessoptimierungen erfolgen. So sollten bereits die Konstrukteure „generativ“ denken, sprich die Bauteile an die Möglichkeiten und Randbedingungen der generativen Fertigung anpassen – etwa in Form von 3D-Druck-gerechten Geometrien. Das schließt eine Weiterentwicklung von CAD- zu CAE-optimierten Geometrien mit ein.

Beitrag

Edag, BLM, LZN und Concept Laser im Experteninterview zum Thema Leichtbau und mehr Flexibilität in der Fertigung von Automobilen

Expertenrunde:

Dr.-Ing. Martin Hillebrecht, Leiter Competence Center Leichtbau, Werkstoffe und Technologien, EDAG Engineering GmbH

Sergio Raso, Strategischer Marketingleiter – Laser Produkte, BLM Group

Prof. Dr.-Ing. Claus Emmelmann, CEO, Laser Zentrum Nord GmbH

Frank Herzog, geschäftsführender Gesellschafter, Concept Laser GmbH

Die Hersteller sind aktuell gefordert, die zunehmende Anzahl an Antriebskonzepten und Energiespeichersystemen in Fahrzeugstrukturen zu integrieren. Die Karosserien von morgen, speziell im Hinblick auf alternative Antriebssysteme in variantenintensiven Kleinserien, müssen nicht nur leichter, sondern vor allem hochflexibel konzipiert werden. Die Folge ist eine steigende Anzahl an Fahrzeugderivaten, die nach anpassungsfähigen und wirtschaftlich zu fertigenden Karosseriekonzepten verlangen. Die additive Fertigung könnte in absehbarer Zeit ganz neue denkbare Wege offerieren.

In einem Gemeinschaftsprojekt zeigten die Edag Engineering GmbH, die Laser Zentrum Nord GmbH, die Concept Laser GmbH und die BLM Group mit dem bionisch optimierten, hybrid gefertigten Spaceframe eine neue Perspektive auf, wie ein wandelbares und flexibel zu fertigendes Karosseriekonzept realisiert werden kann, um die zunehmende Fahrzeugvarianz durch die Vielzahl von Antriebsvarianten und Laststufen beherrschbar zu machen. Kombiniert werden generativ hergestellte Karosserieknoten und intelligent bearbeitete Profile. Die Knoten können dank generativer Fertigung hochflexibel und multifunktional gestaltet werden, um zum Beispiel unterschiedliche Fahrzeugvarianten ohne zusätzliche Werkzeug-, Betriebsmittel- und Anlaufkosten „On Demand“ produzieren zu können. Als Verbindungselemente dienen Profile aus Stahl. Auch diese können durch unterschiedliche Wandstärken und Geometrien individuell und einfach den vorgegebenen Laststufen angepasst werden. Der Next Gen Spaceframe ist Teil des Edag Concept Car „Light Cocoon“, ein kompakter Sportwagen mit einer bionisch gestalteten und generativ hergestellten Fahrzeugstruktur, überzogen mit einer Außenhaut aus wetterbeständigem Textil.

Wir sprachen mit allen beteiligten Projektpartnern über den neuen Ansatz eines fertigungsoptimierten Leichtbaurahmens.

Wird es im Bereich Automotive schwieriger, die Nachhaltigkeitsziele zu erreichen? Wenn ja, worin liegt der Beitrag der hybriden Next Gen Spaceframe-Bauweise von Edag?

Martin Hillebrecht: Die Automobilhersteller entwickeln unter Hochdruck Fahrzeuge mit Produktionsstarts zwischen 2015 und 2020. Die neuen Karosserien sollen weniger wiegen, eine hohe Steifigkeit für ein hervorragendes Fahrverhalten aufweisen und anspruchsvolle Crash-Lastfälle erfüllen. Höhere Kundenanforderungen, denken wir an alternative Antriebe, Komfort, Funktionalität und Vernetzung, sowie auch neue Sicherheitsanforderungen der internationalen Gesetzgeber wirken als Verkaufskriterien trotz aller ambitionierten Gewichtsziele dem Leichtbau entgegen. Kernidee eines visionären und bionischen Spaceframes wäre es aus meiner Sicht unter anderem, nur dort Werkstoffe einzusetzen, wo es für Funktion, Sicherheit und Steifigkeit benötigt wird. Also ein reduzierter Ansatz nach dem Motto „weniger ist mehr“. Durch werkzeuglose generative Fertigung und das werkzeugarme Profilierverfahren könnten zukünftig vielleicht sogar alle Karosserievarianten laststufengerecht ausgelegt und „on demand“ gefertigt werden. Wie auch immer, hier liegen Potenziale.

Sergio Raso: Nachhaltigkeit ist das führende Ziel der Automobilindustrie. Verschiedene Kerntechnologien für die Zukunft der Automobilproduktion wurden bisher untersucht. Die Rahmenkonstruktion des Light Cocoon vereinigt viele dieser Technologien in einem Ansatz. So zum Beispiel Hybridleichtbauweise zur Gewichtsreduzierung und Kraftstoffeffizienz, die Verwendung von additiven Verfahren für ein bionisch optimiertes Design und die Verwendung von Rohren und Profilen für eine hochflexible Fertigung des Fahrzeugrahmens.

Wie das Beispiel Elektrofahrzeuge in Europa zeigt, braucht es von ersten Innovatoren, wie den Pionieren Hayek (Ur-Smart) oder Tesla Motors (USA), bis hin zu adaptierten Innovationen lange Zeiträume. Ist die Automobilindustrie wirklich reif für völlig neue Sichtweisen auf ihre Produkte?

Martin Hillebrecht: Ein möglicher Einstieg in neue Fertigungsstrategien, wie dem Leichtbau, wird erfahrungsgemäß häufig über kleine Stückzahlen im Luxus- und Supersportsegment möglich. Diese Kundschaft identifiziert sich deutlich mehr mit Leichtbau, E-Mobilität und technischen Innovationen als im Massengeschäft. Diese „Innovatoren“ sind bereit, zugunsten der Fahrdynamik, des Komforts, der Sicherheit und aus ökologischen Motiven heraus wesentlich höhere Herstellkosten zu akzeptieren. Bei entsprechendem Potenzial der Technologie und bei fortschreitender Technologieentwicklung für die automobile Massenproduktion können dann die Prozesse aus der Nische hin zu größeren Stückzahlen transferieren. Das erfordert aber durchaus seine Zeit, nachhaltige Investitionen in die Zukunft der Unternehmen und viel technische Kompetenz. Ich will nicht gelten lassen, von „langen Zeiträumen“ zu sprechen, aber es braucht Zeit für die Adaptation neuer Technologien.

Sergio Raso: In der Automobilindustrie hängt die Zahl der Arbeitsplätze in hohem Maße von Fertigungsmethodik und -strategie ab. Sie bestimmen maßgeblich die Kostenstrukturen, die erzielbaren Margen und den Erfolg. Diese Faktoren bestimmen unsere Sichtweise auf Mobilität und nicht zuletzt auch den Wohlstand vieler Volkswirtschaften. Um das erreichte Niveau der automobilen Mobilität zu erhalten, hat die Automobilindustrie kontinuierlich in technologische Fortschritte ihrer Automobile und die dahinter stehenden Produktionsprozesse investiert. Die Investitionen in Forschung und Entwicklung sind daher obligatorisch, und auch wir von der BLM Group sind auf diesem Pfad der Innovation und Fortentwicklung.

Stichworte Ressourcenschonung und „grüne Technologie“. Wie sieht dies der Automobilbauer?

Martin Hillebrecht: Dank intelligentem Leichtbau, vor allem in Mischbauweise, sollen die Fahrzeuge je nach Marktsegment um etwa 100 kg leichter gegenüber den jeweiligen Vorgängern werden. Hierbei können in der Karosserie und den Anbauteilen noch weitere 10 bis 20 % an Gewicht eingespart werden. Vielen Herstellern ist die Trendumkehr der Gewichtsspirale bereits im Ansatz gelungen. Fakt ist aber auch: Höhere Kundenanforderungen an alternative Antriebe, Komfort, Funktionalität und Vernetzung sowie auch neue Sicherheitsanforderungen der internationalen Gesetzgeber wirken als Verkaufskriterien trotz aller ambitionierten Gewichtsziele dem Leichtbau entgegen. Es ist ein Spagat, den wir da versuchen.

Sergio Raso: Lösungen für „grüne Technologien" und intelligentes Energiemanagement sind stark abhängig von Regierungen durch deren politische Zielvorgaben, Gesetze und sicherlich auch durch die gesetzten Anreize. Diese Zielausrichtung, blicken wir einmal auf den US-Staat Kalifornien, sind ein immer augenfälliger Fakt, dem wir uns stellen müssen und nicht entziehen können. Die Automobilhersteller nehmen diese Anforderungen an und sehen politische Zielvorgaben auch als Motor der Innovation. Ergo: Es gibt also ein gemeinsames Interesse von Politik und Herstellern. Zusammen mit den bekannten Lösungen für das Energiemanagement, wie beispielsweise der Entwicklung von Elektrospeichern und -antrieben, oder auch den Fahrzeugen mit Brennstoffzellen, können auch die Fertigungsprozesse stark an die Visionen der „grünen Technologie" herangeführt werden. Das Fertigungsdesign mit vollelektrischen Biegemaschinen, Laserschneidanlagen mit hohem Wirkungsgrad oder das Laserschmelzen sind Beispiele für das Engagement der BLM Group hin zu einer „grüneren“ Zukunft. Der Pfad hin zu intelligenter Ressourcenschonung und Nachhaltigkeit ist ein unumkehrbarer Megatrend. Alle Akteure der Automobilindustrie haben das in den Köpfen.

Skizzieren Sie bitte kurz die Vor- und Nachteile konventioneller Karosseriebauweisen.

Claus Emmelmann: Aktuelle Karosserien sind intelligente, last- und crashoptimierte Konstruktionen, deren Material- und Konstruktionskonzepte einen hohen Reifegrad erlangt haben. Sowohl im Leichtbau als auch beim Insassenschutz. Die eingesetzten traditionellen, werkzeugbasierten Fertigungsverfahren stoßen hinsichtlich der Flexibilität und Realisierbarkeit an ihre Grenzen. Das Laser Zentrum Nord konnte mit den Projektpartnern durch die bionischen, der Natur nachempfundenen, Konstruktionsprinzipien diese Grenzen konzeptionell überwinden. Das Spaceframe-Konzept versucht, das „beyond limits“ in Bezug auf Produkt, Fertigung und Automation aufzuzeigen.

Martin Hillebrecht: In einer typischen Karosserie in Schalenbauweise sind Beplankungen, Verstärkungen, Aufnahmebleche und Profile mit Fügetechnik verbunden. Alle Bauteile wirken als Schalen. Die geforderte Steifigkeit wird hierbei durch Blechquerschnitte erzielt. Der Vorteil sind die geringen Herstellkosten in einer industriellen, weltweit einheitlichen Massenproduktion. Neben kostengünstigen Halbzeugen aus Blech kommen bewährte und robuste Technologien wie das Umformen und das Punktschweißen zum Einsatz. Nachteil ist hier, dass Werkzeug- und Anlageninvestitionen sich nur über große Stückzahlen rechnen und Variantenvielfalt erschweren. Zudem sind werkzeuggebundene Teile mit Werkzeugkosten verbunden, und man braucht Vorbereitungszeiträume für die Werkzeugtechnik. Schließlich müssen die Werkzeuge über den Lebenszyklus des Produktes abrufbar sein. Eine Spaceframe-Bauweise besteht aus geschlossenen Hohlprofilen, die über Knoten miteinander verbunden sind. Flächige Bauteile wie das Dach nehmen die Schubkräfte auf. Mit einem Spaceframe-Konzept einhergehend können zukünftig neue Werkstoffe verwendet werden. Das wäre zu untersuchen. Generell gilt aber schon heute, das Konzept ermöglicht dem Hersteller signifikante Gewichtseinsparung und hohe Verwindungssteifigkeit bei hoher Wirtschaftlichkeit für Fahrzeuge mit eher kleineren Stückzahlen.

Sergio Raso: Ein großer Vorteil der herkömmlichen Konstruktionen von Fahrzeugrahmen ist das Zusammenspiel konsolidierter Technologien, die heutzutage für die Herstellung und die Montage des Rahmens zur Verfügung stehen. Heute müssen Fertigungslinien in der Regel verschiedene Prozesse und Phasen vor der Endmontage des Fahrzeugrahmens abbilden. Der Nachteil dieses Konzepts ist der Aufwand und die begrenzte Flexibilität im Montage-Workflow. Hier sind neue Ideen und, daraus abgeleitet, wirtschaftliche und flexible Konzepte für die zukünftige Fertigung gefordert. Ich möchte dies so formulieren: Es sind große Herausforderungen.

Welche Merkmale und neuen Verfahren wurden beim Next Gen Spaceframe-Konzept aufgezeigt?

Martin Hillebrecht: Der gemeinsam erarbeitete Stahl-Spaceframe-Knoten kombiniert generativ gefertigte Knoten auf Basis des „selektiven Laserschmelzens“ mit intelligent bearbeiteten Profilen in Hybridbauweise. Dieser Ansatz verspricht eine extreme Flexibilisierung der Produktion. Und er verspricht eine denkbare hohe Variantenintensität bei null Euro für weitere Investitionen in Vorrichtungen, Werkzeuge und Anlagentechnik pro Fahrzeugvariante. Ich denke, dass sich eine hohe Modellvielfalt ergeben kann, weil restriktive Kostenhürden entfallen. Zudem erlaubt die generative Fertigung im Hinblick auf die eingesetzten Werkstoffe eine größtmögliche Ressourceneffizienz. Außerdem ergeben sich bionische und lastpfadoptimierte Strukturen, die mit anderen Fertigungsverfahren geometrisch gar nicht herstellbar sind.

Claus Emmelmann: Das Spaceframe-Konzept vereint die Vorteile des 3D-Drucks, wie Flexibilität und Leichtbaupotenzial, mit der Wirtschaftlichkeit bewährter konventioneller Profilbauweise. In beiden Technologien spielt der Laser die zentrale Rolle. Die bionisch optimierten Knoten ermöglichen einen derzeit maximalen Leichtbau und einen hohen Grad an Funktionsintegration. Sowohl die Knoten als auch die Profile können ohne Zusatzaufwand auf neue Geometrien und Lastanforderungen angepasst werden. Sie bieten so die Möglichkeit, jedes einzelne Teil laststufengerecht auszulegen – und nicht wie bisher die Dimensionierung der Bauteile an der größten Motorisierung auszurichten. Der Grundgedanke ist also eine Rahmenbauweise, die optimal auf die Anforderung der Modellvariante abgestimmt werden kann.

Sergio Raso: Das Hauptmerkmal des NextGen Spaceframe-Konzepts ist eine konsequente Ausrichtung auf extreme Flexibilität von Prozessen zur Herstellung und Montage. Mit additiven Fertigungstechnologien sowie Profilen, die leicht gebogen und im 3D-Laserschnitt hergestellt werden, liegen mögliche Antworten für ein Plus an Flexibilität. Additiv hergestellte Freiform-Knoten ermöglichen neue Design-Lösungen und eine Vielzahl von Varietäten an Modellen. Die Einbeziehung von bionischen Konstruktionen, Hohlbauweise oder Gitterstrukturen ermöglicht ein optimiertes mechanisches Verhalten des Rahmens. Die Integration von Merkmalen der Kraftaufnahme in den Profilen und Knoten eröffnet eine kontrollierte Verformung des Rahmens und eine erhöhte Sicherheit der Passagiere. Die Einbeziehung des AM und die Gestaltung von Schnittstellen für das Laserschweißen optimiert die Fertigung. Also erstens Flexibilität, zweitens Sicherheit und drittens die Vereinfachung von Prozessen sind einige Beispiele für die Vorteile dieses Ansatzes.

Frank Herzog: Ich möchte hier nur einwerfen, dass die Hybridbauweise auch in anderen Branchen bereits zum Einsatz kommt. Relativ einfache oder überlange Geometrien, wie hier vielleicht die Profile, werden mit der klassischen Zerspanung hergestellt, und komplexere Geometrien entstehen dann additiv. Das Phänomen bildet die Wirtschaftlichkeit ab. Mischbauweise ist in vielen Bereichen interessant, wenn es gilt, eine Brücke zwischen Funktion und Wirtschaftlichkeit zu bauen.

Welche neuen Fertigungsstrategien und Automationspotenziale ergeben sich zukünftig daraus? Welche Potenziale sehen Sie in Konstruktion und Fertigung?

Claus Emmelmann: Die Potenziale der Konstruktion sind in der flexiblen, laststufengerechten Auslegung zu sehen. Und in der Chance, mit den gezeigten bionischen Strukturen einen maximal möglichen Leichtbau zu betreiben, so wie er bisher noch nicht umsetzbar war. Am Laser Zentrum Nord entwickeln wir Gestaltungsrichtlinien, um bionische Vorbilder, wie eine Bambus- oder Vogelknochenstruktur, in solch anspruchsvolle technische Leichtbauteile mit Gewichtseinsparungen von in der Regel 30 bis 50 % erfolgreich umzusetzen. „Bionisches Konstruieren“, wie es mit Additive Manufacturing möglich wird, zeigt zahlreiche Optionen auf. Die Fertigung profitiert mehrfach von den neuen Fertigungsverfahren: Nicht nur die investitionsintensiven Werkzeuge entfallen, sondern es können auch flexible Kleinserien oder auch Bauteiländerungen innerhalb des Modellzyklus ohne Mehraufwand sofort abgebildet werden.

Martin Hillebrecht: Außerdem sind die Reaktionsfähigkeit auf Stückzahlschwankungen sowie „updatefähige“ Bauteile während eines Fahrzeuglebenszyklus im Sinne einer „lernfähigen Industrie 4.0“ hervorzuheben. Das sind ganz neue Ideen für die Branche. Wir sind selbst sehr gespannt, wie unsere Kunden hierauf reagieren werden.

Sergio Raso: Das neue Konzept bedeutet für die Entwickler und Konstrukteure eine hohe Designfreiheit. Das vorgeschlagene Konzept eröffnet den Designern der Automobilindustrie leichtere Lösungen, ökologischere Ansätze und verbesserte Sicherheitslösungen. In der Fertigung bedeutet die Adaptation von laserbasierten Verfahren, wie additiver Fertigung von Knoten, Laserschneiden und Laserschweißen von Rohren und Profilen, ein unvergleichliches Maß an Flexibilität. Nicht zuletzt können diese Fertigungsstrategien zu einer Erhöhung der Automatisierung beitragen. Diese Verfahren stehen für die Innovation von Fertigungsprozessen.

Frank Herzog: Ich danke Herrn Dr. Hillebrecht für den Hinweis auf die „Industrie 4.0“. Kernelemente dieses Konzeptes wie Automatisierung, Digitalisierung und Vernetzung spielen in unserer neu vorgestellten „AM Factory of Tomorrow“ eine elementare Rolle. Ziel ist es, manuelle Prozesse zu automatisieren und somit zu minimieren, um Totzeiten in der Produktion der Bauteile zu vermeiden. Maschinen, welche bisher als Stand alone-Lösungen konzipiert waren, werden zudem im Sinne einer Smart Factory in beliebiger Anzahl miteinander vernetzt. Dabei wird es auch zu einer Automatisierung und Vernetzung additiver und konventioneller Techniken kommen, insbesondere in der Nachbearbeitung der entstandenen Bauteile. Klassische Fertigungsmethoden gehen dann einher mit additiven Verfahren. Unsere „AM Factory of Tomorrow“ deckt sich mit den Anforderungen des Industrie 4.0-Leitgedankens und wird unser Verfahren zukünftig auch für die Serienfertigung von metallischen Bauteilen aus wirtschaftlicher Sicht attraktiv machen. Dieses gilt dann sicher auch für die Automobilindustrie, bei der es vornehmlich auf hohe Stückzahlen ankommt.

Welche Bedeutung hat das pulverbasierte Laserschmelzen von Metallen heute und zukünftig in Automotive?

Claus Emmelmann: Aktuell ist das 3D-Drucken von Metallen im Bereich des Prototypenbaus in der Automobilindustrie nicht mehr wegzudenken. Mit dem Verfahren ist es möglich, schnell und ohne die sonst üblichen hohen Werkzeugkosten voll belastbare Erprobungsbauteile herzustellen. Der Schritt in die Serienfertigung steht allerdings noch bevor. Durch die kontinuierliche Produktivitätssteigerung der 3D-Druckanlagentechnik wird dieser Schritt jedoch auch in den nächsten 5 bis 10 Jahren erfolgen. Mit den beiden auf der IAA-Messe 2015 vorgestellten Projekten, dem bionischen Spaceframe und dem Leistungselektronikgehäuse, wurden zwei konkrete Ansätze gezeigt, wie diese Technologie schon in Kürze bei Fahrzeugen der Elektromobilität oder auch anderen Kleinserienfahrzeugen wirtschaftlich zum Einsatz kommen kann.

Sergio Raso: Additive Fertigungstechniken werden heute vor allem in der Automobilindustrie für die Herstellung von Funktionsteilen in kleiner Serie eingesetzt. Allerdings sehen wir auch, wie Luft- und Raumfahrtbranche es vormachten, dass der Übergang auf additive Fertigungsstrategien die Produkt- und Prozess-Performance signifikant erhöht. Die Einführung des Paradigmas „Manufacturing for Functionality“ anstelle des eher restriktiven „Design for Manufacturing" ebenso wie die „Just-in-time-Fertigung" und punktgenaue Konzepte haben bereits begonnen, sich in der Automobilindustrie zu verbreiten. Wir sehen hier Grundlagen für etwas ganz Neues.

Martin Hillebrecht: Heute stellen die generativen Verfahren ein großes Potenzial im Prototypen- und Werkzeugbau sowie der Ersatzteilfertigung dar. In der Automobilproduktion sind diese Verfahren bisher nicht angekommen. Das liegt sicherlich auch an den hohen Preisen für Werkstoffe und Anlagentechnologien. Auf die Zukunft sind wir gespannt. Es würde uns freuen, wenn die Branche unsere Ideen der werkzeuglosen generativen Fertigung in Kombination mit klassischen Fertigungsverfahren aufgreifen würde. Hier liegen ja einige Chancen.

Frank Herzog: Das Interesse wird zunehmen, je weiter sich der Stand der Technik beim Thema Additive Manufacturing fortentwickelt. Natürlich ist eine starke Annahme in Automotive erst dann zu erwarten, wenn man sich, wie in der Luft- und Raumfahrt, bereits in der Konstruktion auf die neuen Möglichkeiten einer additiven Fertigung einlässt. Eine reine Substitution von Teilen aus klassischen Methoden bietet wenig Vorteile. Es kommt auf eine verfahrensgerechte Konstruktion an – und diese Teile sehen dann anders aus, sind leichter und wahrscheinlich oft auch leistungsfähiger.

Danke für den Hinweis auf die Konstruktion. Wie verändert dies die Konstruktion oder Projektabläufe von Strukturelementen in Automotive? Was wird sich zukünftig noch verändern?

Martin Hillebrecht: Die Entwicklungsprozesskette vom Lastenheft über die Topologieanalyse, Funktionsentwicklung, bionische Gestaltung und fertigungsgerechte Gestaltung ist heute noch nicht etabliert und noch sehr zeitintensiv. CAD und CAE werden zunehmend verschmelzen. Es wird eine übergreifende CAx-Kompetenz gefordert. Zudem benötigen wir bionische Kompetenzen und Tools, nicht zuletzt eine funktionierende Schnittstelle zur Laserschmelzanlage, damit dann später wirklich alles „druckbar ist, was denkbar wäre“.

Sergio Raso: Der Einsatz von 3D-gebogenen und lasergeschnittenen Rohren und Profilen für die Strukturmontage konnte sich bereits als gewichtseinsparende Anwendung unter Beibehaltung der mechanischen Eigenschaften in der Montage bewähren. In diesem Entwurf fällt der lastspezifischen Abstimmung von lasergeschmolzenen 3D-Knoten und lasergeschweißten 3D-Profilen eine wichtige Rolle zu. Knoten, mit traditionellen Gusstechnologien hergestellt, erwiesen sich in der Vergangenheit als eine bewährte Lösung. Die generative Fertigung erlaubt den 3D-Knoten nun durch Bionik, Hohlräume und Gitterstrukturen noch mehr Möglichkeiten für Design, Variationen und Sicherheitsaspekte. Ich sehe das als einen wichtigen „next step“.

Digitale 3D-Fertigungsstrategie mit Lasertechnologien

Der Laser-Cusing-Prozess von Concept Laser generiert Bauteile direkt aus 3D-CAD-Daten. Die Methode erlaubt die Produktion von komplexen geometrischen Bauteilen ohne Werkzeug. Es können Bauteile erzeugt werden, die mit konventioneller Herstellung nur sehr schwierig oder unmöglich zu fertigen sind. Bei dieser Konzeption können die Knoten im konventionellen Stahlguss nicht hergestellt werden. Um einen fehlerfreien Aufbau sicherstellen zu können, ist an Flächen mit einem Winkel kleiner 45° zur Bauplattform eine Supportstruktur vorzusehen. Neben einer reinen Stützfunktion nimmt der Support vor allem Eigenspannungen auf und verhindert einen Verzug der Bauteile. Aufgrund der komplexen Knotengeometrie ist eine saubere Supportaufbereitung die Grundlage einer erfolgreichen Produktion. Nach der Supportaufbereitung wird das Bauteil virtuell in einzelne Schichten geschnitten. Nach dem Datentransfer auf die Laser-Cusing-Anlage werden die entsprechenden Prozessparameter zugewiesen, und der Bauprozess wird gestartet. Gefertigt wurden die Knoten auf einer X line 1000R-Anlage von Concept Laser, die den entsprechenden Bauraum für solche Projekte aufweist und mit einem 1-kW-Laser arbeitet. Einen größeren Bauraum beim pulverbettbasierten Laserschmelzen mit Metallen weist nur die neue X line 2000R, ebenfalls von Concept Laser, aus, die zudem mit zwei 1-kW-Lasern ausgestattet ist.

Das Spaceframe-Konzept vereint die Vorteile des 3D-Drucks, wie Flexibilität und Leichtbaupotenzial, mit der Wirtschaftlichkeit bewährter konventioneller Profilbauweisen. In beiden Technologien spielt der Laser die zentrale Rolle. Die topologieoptimierten Knoten ermöglichen einen derzeit maximalen Leichtbau und einen hohen Grad an Funktionsintegration. Sowohl die Knoten als auch die Profile können ohne Zusatzaufwand auf neue Geometrien und Lastanforderungen angepasst werden. Sie bieten so die Möglichkeit, jedes einzelne Teil laststufengerecht auszulegen, und nicht wie bisher, die Dimensionierung der Bauteile an der größten Motorisierung beziehungsweise Laststufe auszurichten. Der Grundgedanke ist also eine Knoten-Profil-Bauweise, die bestmöglich auf die Anforderung der Modellvariante abgestimmt werden kann. Das Ergebnis zeigt eine lastpfadverbesserte Spaceframe-Struktur. Durch den Einsatz vorrichtungs- und werkzeugarmer Verfahren können zukünftig alle Karosserievarianten wirtschaftlich und mit höchstmöglicher Flexibilität gefertigt werden.

Dieser Beitrag ist urheberrechtlich geschützt. Sie wollen ihn für Ihre Zwecke verwenden? Infos finden Sie unter www.mycontentfactory.de (ID: 44624688)

Das könnte Sie auch interessieren SCHLIESSEN ÖFFNEN

Thales Alenia Space; Bild: Hochschule Landshut; Bild: Cadera Design; AD Foto Nadia Baldo; Foto: Stefan Bausewein; Edag; Concept Laser; Schuler; Meusburger; picsfive - Fotolia; LVD; Trumpf; Eutect / Lebherz; Stefanie Michel; RK Rose+Krieger; Lucas+Dursski; Mack Brooks; Schall; J.Schmalz; Inocon; Zeller + Gmelin; Okamoto Europe; Lantek; Simufact; IKT; Schöller Werk; Vollmer; Wirtschaftsvereinigung Stahl; © earvine95, pixabay; Thyssenkrupp; Esta; IFA; CWS; totalpics; Design Tech; Deutsche Fachpresse; Automoteam; MPA Stuttgart