Fuldaer Nachrichten

Fulda. Ein Bauteil, ein Modul oder gar eine komplette Karosserie aus einem Stück, das in einem einzigen Fertigungsprozess gefertigt wird! Unmöglich? Was heute nach Utopie klingt, haben die aktuellen Fortschritte in der generativen Fertigung ein ganzes Stück erreichbarer gemacht. Die industrielle 3D-Druck-Revolution hat begonnen. Nachdem Konsumentendrucker für 1.000 Euro den Markt erobern, werden jetzt zeitnah indus-trielle Anwendungen auf den Konsumentenhype folgen. Grund genug, für EDAG als führender Entwicklungsdienstleister der Automobilindustrie einen Ausblick auf die mögliche Revolution der Automobilindustrie zu geben und aus heutiger Sicht den Status Quo der „Generativen Fertigungsverfahren“ zu bewerten.

Auf dem EDAG Stand in Genf präsentiert das Unternehmen die futuristische
Fahrzeugskulptur „EDAG GENESIS“, die das revolutionäre Potenzial der generativen Fertigung am Beispiel einer Karosseriestruktur aufzeigen soll. Bionische Leichtbauprinzipien, topologische Optimierung und lastgerechte Auslegungsstrategien inklusive! In einer Roadmap bewertet EDAG aussichtsreiche Technologien für die Entwicklung und die mögliche Produktion von Strukturbauteilen und Modulen in Kleinserie.

Das Exponat „EDAG GENESIS“ versteht sich als Symbol für die neuen Freiheiten, die sich den Designern und Ingenieuren in der Entwicklung und der Produktion durch generative Fertigungsverfahren bieten. Durch generative Fertigung wird es möglich, den Bauprinzipien und Strategien der Natur einen großen Schritt näher zu kommen. Alles zweckorientiert und evolutionär zu optimierten Strukturen entwickelt, von denen der Mensch lernen kann. Und das werkzeuglos, ressourcenschonend und ökologisch.

„EDAG GENESIS“ basiert auf den bionischen Mustern einer Schildkröte, dessen Panzer Schutz und Dämpfung liefert und mit dem Bewegungsskelett vereint ist. Der Panzer ähnelt einem Sandwichbauteil mit innen liegenden, feinsten Knochenstrukturen, die die Festigkeit und die Versteifung der Schalen liefern. Dieser Ansatz spiegelt sich im Exponat wider.

Das Skelett im „EDAG GENESIS“ ist eher eine Metapher, dient hier nicht der Fortbewegung, sondern in diesem Fall dem Insassenschutz. Der Skelettrahmen erinnert an natürlich gewachsene Knochengerüste, die in Form und Anordnung eines deutlich hervorheben sollen: Diese organischen Strukturen kann man mit konventionellen Werkzeugen nicht bauen!

Generative Fertigungsverfahren bzw. das „Additive Manufacturing“ werden die Anwendungsgebiete des „Rapid Prototyping“ verlassen und die klassischen Fertigungsverfahren und konstruktiven Gestaltungsmöglichkeiten um eine weitere Dimension revolutionär erweitern. Die Verfahren erlauben eine belastungsgerechte, multifunktionale und bionische Bauteilgestaltung bei optimierten Wandstärken und herausragen-den Materialeigenschaften. Direkt aus den Datenmodellen wird eine werkzeuglose und extrem flexible Fertigung ermöglicht. Anwendungsgerecht entwickelte schweißbare Metalle und Kunststoffe sowie Keramik werden den Weg für Zukunftsanwendungen ebnen.

Unsere langjährigen Kenntnisse über produktionsgerechte Konstruktionen werden durch neue Dimensionen revolutioniert und wir brauchen neue Denkansätze und Entwicklungswerkzeuge, um bionisch optimierte Lösungen gestalten zu können.

Zukunft oder Utopie? Die EDAG Analyse gibt Antworten!
Das immense Potenzial der generativen Fertigung bzw. des „Additive Manufacturing“ hat uns inspiriert, den heutigen Status Quo der aktuellen Technologien festzustellen, zu analysieren und auf ihre Einsatzmöglichkeiten in der Fahrzeugentwicklung und -fertigung hin zu bewerten. Welches Verfahren hat die aussichtsreichsten Möglichkeiten, um Strukturbauteile mit den benötigten Produkteigenschaften in einem Ferti-gungsschritt werkzeuglos fertigen zu können?

Die Evolution in der Geschwindigkeit und Vergrößerung der Bauvolumen in den gene-rativen Fertigungsverfahren und der entsprechenden Automatisierungstechnik lässt eine Produktivitätssteigerung um das 100- bis 1000-fache in den nächsten 10 bis 20 Jahren erwarten. Kombination in hybriden Strukturen mit klassischen Bauweisen (Blech, Guss, Faserverbund, etc.) werden funktionale Eigenschaften und Effizienz radikal steigern.

Ein fachübergreifend zusammengesetztes Team aus EDAG Designern und Speziali-sten des EDAG Competence Centers „Leichtbau“ hat die Potenziale von aussichtsreichen Verfahren näher untersucht und mit Experten aus Forschung und Industrie diskutiert.

Als Kandidaten für die Standortbestimmung des „Additive Manufacturing“ traten u.a. Technologien wie Selektive Laser Sintering (SLS), Selektive Laser Melting (SLM), Ste-reolithografie (SLA) bis hin zum Fused Deposition Modelling (FDM) an.

Zur Bewertung wurden die Technologien in einer eigens entwickelten Bewertungs-matrix quantifiziert: Wie hoch ist die Strukturrelevanz? Wie groß ist die Bandbreite ein-setzbarer Werkstoffe und mit welcher Komplexität und welchen Losgrößen lassen sich Strukturbauteile fertigen? Auch in punkto Bauteilgröße, Toleranz, Ökobilanzierung und Herstellkosten wurden die Verfahren beurteilt und klassifiziert.

Neben dem bereits heute industriell verfügbaren Generierverfahren SLM mit seinem Portfolio schweißbarer Metalle und Kunststoffe stellt sich ein weiterentwickeltes FDM-Verfahren als aussichtsreicher Kandidat für das Zukunftsthema der „generative Ferti-gung“ dar: Im Gegensatz zu den anderen Technologien bietet das FDM die Möglichkeit, nahezu beliebige Bauteilgrößen zu fertigen, da hier keine Beschränkung durch einen vorgege-benen Bauraum gegeben ist. Vielmehr werden die Strukturen durch den Auftrag von Thermoplastwerkstoffen durch Roboter generiert. Im freien Raum entstehen Schicht für Schicht komplexe Strukturen – gänzlich ohne Werkzeug und Vorrichtungen.

Selbst Halbzeuge könnten bei dem Verfahren integriert werden.
Neben dem metallischen SLM erreichen die bei generativen Fertigungsverfahren
eingesetzten Hochleistungskunststoffe überwiegend noch nicht die in der Branche
üblicherweise gewünschten Festigkeits-, Steifigkeits- und Energieabsorptionskennwer-te. Abhilfe schafft bei diesem FDM-Verfahren die parallele Zuführung einer Endlos-Kohlefaser im Fertigungsprozess. Als zentrales Merkmal des FDM gilt sein Potenzial hinsichtlich der Einbringung von Faserverstärkungen zur gezielten Erhöhung von
Festigkeiten und Steifigkeiten.

Der industrielle Einsatz der generativen Fertigungsverfahren steht zwar noch am Anfang; die revolutionären Vorteile im Hinblick auf Freiheitsgrade in der Entwicklung bis hin zur werkzeuglosen Fertigung machen diese Technologie zu einem Zukunftsthema. Aus heutiger Sicht ist eine Fertigung von Bauteilen und im nächsten Schritt von Modulen durchaus erreichbar. Das Ziel, komplette Karosserien mit generativen Fertigungsverfahren produzieren zu können, ist noch weit von der industriellen Anwendung entfernt und bleibt aktuell eine wünschenswerte Vision.
Die Entwicklungsprozesskette vom Lastenheft über die Topologieanalyse, Funktionsentwicklung, bionische Gestaltung, fertigungsgerechte Gestaltung ist heute noch nicht etabliert und noch sehr zeitintensiv. Die generativen bzw. additiven Fertigungsverfah-ren sind noch nicht in der etablierten Fertigungsprozesskette integriert.

Dezentrale Fertigungsstrukturen ermöglichen Flexibilität und Effizienz in der zukünfti-gen Produktentstehung, die über eine reine Ersatzteilfertigung radikal hinausgeht. Fachwissen hinsichtlich Herstellungs- und Entwicklungsprozesskette sind noch nicht gebündelt. Die werkzeuglose und variantentaugliche generative Fertigung ermöglicht möglicherweise sogar auch innerhalb eines bestehenden Fahrzeugs punktgenau für spezielle Märkte in kleinerer Stückzahl CO2-optimierte, crash- und lastgerechte Fahrzeugkonstruktionen (bspw. für NCAP oder EU) in ultraleichter Bauweise zu produzie-ren.

Die EDAG Entwicklungsteams, das EDAG Competence Center Leichtbau und die Fertigungsspezialisten der EDAG Production Solutions werden die weiteren Evolutionen der „generativen Fertigung“ eng begleiten. Durch die neuen, bionischen Gestaltungsmöglichkeiten kann auch die Anlagentechnik leichter und damit energieoptimiert hergestellt und betrieben werden: tendenziell leichtere Bauteile, leichtere Werkzeuge, leichtere Spanntechnik, kleinere Roboter.

Die Komplexität des Presswerksprozesses und die Aufteilung der Untergruppenfertigung werden durch die Potentiale der additiven Fertigung deutlich vereinfacht werden. Funktionsbaugruppen werden direkt generiert oder gezielt mit verstärkenden Elementen bestückt; Pressteile werden strukturell einfacher, da komplexe Strukturen mit den additiven Möglichkeiten eingebracht werden. Das Produktionssystem wird aufgrund der generativen, vorrichtungsarmen Technologie deutlich toleranter auf Modellwechsel, Facelifts und auch kundenindividuelle Produktänderungen reagieren.

Das Ziel: Praktikable und valide Anwendungsfälle für den Einsatz in der Bauteilentwicklung und Produktion entwickeln und vorstellen. Am Anfang werden kleinere Strukturbauteile stehen; aber wir möchten unseren Beitrag leisten, um die revolutionäre Idee der „generativen Fertigung“ weiter zu entwickeln:

EIN BAUTEIL – EIN MODUL – EINE KAROSSERIE – EINE VISION