Additive Fertigung für die Automobilindustrie
BMBF-Forschungsprojekt ›AutoAdd‹
Unter Koordination der Daimler AG und im Rahmen der BMBF-Förderinitiative Photonische Prozessketten untersuchten die Projektpartner die »Integration generativer Fertigungsverfahren in die Automobilserienfertigung - AutoAdd«. Im Mittelpunkt stand dabei das am Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT in Aachen entwickelte metallische, generative Fertigungsverfahren Laser Powder Bed Fusion (LPBF), auch bekannt als Selective Laser Melting (SLM).
Licht in die Produktion will das Bundesministerium für Bildung und Forschung BMBF im wahrsten Sinne unter dem Begriff »Photonische Prozessketten« bringen: Mit Hilfe von Forschungsprojekten sollen photonbasierte Fertigungsverfahren wie beispielsweise der Metall 3D-Druck in die Produktplanungsprozesse integriert werden. Das Vorhaben ist die Entwicklung flexibler, hybrider Fertigungskonzepte, auf deren Basis die Industrie individualisierte und komplexe Produkte effizienter als bislang herstellen kann.
Hybride Prozesskette soll Stückkosten senken
Eines der insgesamt 14 Verbundprojekte der Förderinitiative war das Projekt AutoAdd mit dem Ziel, innerhalb von drei Jahren den Einsatz der additiven Fertigung in der Automobilindustrie zu erleichtern. Im Mittelpunkt stand dabei die ganzheitliche Integration der LPBF-Prozesskette in die automobile Serienfertigungsumgebung zur Schaffung einer hybriden Prozesskette, um die Stückkosten zu senken. Die BMW Group und Daimler definierten die Anforderungen an die additive Prozesskette, mit deren Hilfe das Hochtechnologieunternehmen TRUMPF und das Fraunhofer ILT verschiedene LPBF-Anlagen- sowie Endbearbeitungskonzepte entwickelten.
Dabei entstanden potenziell serientaugliche Optikkonzepte sowie eine modulare Anlagenarchitektur, die beispielsweise den Einsatz mehrerer Strahlquellen und ein sogenanntes Wechselzylinderprinzip ermöglicht. Zudem entwickelte das Projektteam vielversprechende, automatisierbare Endbearbeitungskonzepte zur Nachbearbeitung der Bauteile, etwa zum Entfernen von Stützstrukturen, und analysierte neuartige skalierbar produzierte Werkstoffe von GKN.
Das Karlsruher Institut für Technologie (KIT) bewertete schließlich die neuen Fabrikkonzepte: In einem Simulationsmodell bildeten die Ingenieure des wbk Instituts für Produktionstechnik eine exemplarische, konventionelle Prozesskette ab, an der sie verschiedene mögliche LPBF-Anlagenkonzepte ausgestalten konnten. Durch Methoden wie zum Beispiel Kosten- oder Benchmark-Analysen konnten sie die neuen Ansätze unter technischen und wirtschaftlichen Gesichtspunkten mit bisherigen Ansätzen vergleichen.
Additive Großserienfertigung möglich
Die Ergebnisse des dreijährigen Verbundprojekts können sich sehen lassen: Durch den Einsatz von modularen Wechselzylindern sowie der Anwendung von nass-chemischen Tauchbädern zum batchweisen Entstützen der Bauteile im Nachbearbeitungsschritt können die Gesamtprozesskette automatisiert und Nebenzeiten eingespart werden. Dadurch lässt sich die Gesamtwirtschaftlichkeit steigern. Das AutoAdd-Projektteam hat darüber hinaus allgemeingültige Kennzahlen zur Bewertung von LPBF-Fertigungsanlagen entwickelt und diese für die gängigsten Anlagenhersteller im Rahmen eines groß angelegten Benchmarkings ermittelt.
Es lassen sich nun, abgeleitet aus standardisierten Benchmarkjobs mit verschiedenen Prüfkörpern, übertragbare Kennzahlen berechnen, mit denen Anwender künftig das für ihre Zwecke wirtschaftlichste System finden können. Darüber hinaus gelang ein grundlegender Schritt: Einer der wichtigsten Punkte auf dem Weg zum Serieneinsatz der additiven Fertigungstechnologie - die Reproduzierbarkeit der mechanischen Eigenschaften - konnte im Rahmen des Projektes an mehreren State of the Art-Anlagen nachgewiesen und bewertet werden. Die Integration einer wirtschaftlichen additiven Prozesskette in die automobile Großserienfertigung gilt nach Projektende als möglich.
Auch aus akademischer Sicht gibt es positive Effekte des Forschungsprojekts: Aus AutoAdd gingen Inhalte für vier Dissertationen hervor, außerdem lässt sich das gewonnene Wissen für Vorlesungen nutzen. Teilweise aufbauend auf den vorliegenden Ergebnissen folgt 2019 ein weiteres Projekt, in dem es um die Linienintegration additiver Fertigungsverfahren zur Umsetzung der konzipierten additiven Prozesskette geht.
