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Mittwoch, 20. Februar 2019

Automobil

Abgefahrenes aus dem 3-D-Drucker

Von Stefan Asche | 7. Februar 2019 | Ausgabe 06

Mercedes, BMW und Volkswagen setzen bei verschiedensten Projekten auf die additive Fertigung. In der Großserie ist das junge Produktionsverfahren aber noch nicht angekommen.

BU BMW Spiegel
Foto: BMW AG

Die Spiegelkappen eines neuen BMW-Sportwagens sind gedruckt – und zeigen die für Meteoritenoberflächen charakteristische „Widmannstättenstruktur“ auf.

Technisch ist das „Co-Operative Car“ von Mercedes höchst beeindruckend. Die vollautonome S-Klassen-Limousine ist gespickt mit Sicherheits- und Komfortfeatures. Optisch gibt es aber einen augenfälligen Schwachpunkt: das Dach. Dessen Kontur erinnert an eine Mischung aus Legostein und Rückenpanzer eines Stegosaurus.

Fans des klassischen Mercedes-Designs müssen nun aber nicht nervös werden. „Es ist ein reines Forschungsfahrzeug“, beruhigt Pressesprecherin Silke Kögler. Entwickelt wurde es, um Kommunikationswege zwischen selbstfahrenden Autos und anderen Verkehrsteilnehmern zu testen.

Die Lichter auf dem Dach verfolgen beispielsweise die Bewegungen von Menschen am Straßenrand, um ihnen zu signalisieren, dass sie vom Fahrzeug wahrgenommen wurden. Und mit schnellem Blinken signalisiert die Karosse, dass sie gleich losfahren wird.

Hergestellt wurde die gewöhnungsbedürftige Kappe mittels 3-D-Drucker. Genutzt wurde dabei das Schmelzschichtverfahren. Beim Material setzen die Stuttgarter auf ABS, einen thermoplastischen Kunststoff, welcher sich durch hohe Stabilität und Schlagfestigkeit auszeichnet. Aufgrund der Größe des Bauteils wurde es in vier einzelnen Segmenten gedruckt und anschließend zusammengefügt.

Foto: Daimler AG

Das Dach eines Mercedes-Forschungsfahrzeugs stammt aus einem Schmelzschichtdrucker. Die integrierten LED-Lampen dienen der Kommunikation mit anderen Verkehrsteilnehmern.

Das Forschungsfahrzeug kommuniziert aber nicht nur über Lichtsignale. Mechanisch imitiert es in der Startphase ein aufwachendes, sich rekelndes Lebewesen: Zuerst öffnen sich die Spiegel, dann hebt sich das Heck an und schließlich die Front.

Optisch aus einer anderen Welt ist auch das, was BMW im Luxus-Sportwagen „Individual M850i Night Sky“ wagt: Auf der Mittelkonsole leuchten beispielsweise einige Sternbilder. Außerdem sind verschiedene Bedienelemente mit Applikationen aus echtem Meteoritenmaterial versehen. Von außen fallen am ehesten die seltsamen Spiegelkappen auf. Sie stammen ebenfalls aus dem 3-D-Drucker – und zeigen die für die Oberfläche von Meteoriten charakteristische „Widmann-stättenstruktur“ auf.

Das sind streng geometrische, von geraden Linien geprägte und an Eiskristalle erinnernde Muster. Sie werden sichtbar, wenn bestimmte Eisenmeteoriten geschliffen oder mit Säureverbindungen in Kontakt gebracht werden. Die Struktur ist das Ergebnis eines extrem langsamen, auf der Erde nicht reproduzierbaren Abkühlungsprozesses der Metalllegierung und ist daher ein unverwechselbares Kennzeichen für extraterrestrisches Material. Die einzigartigen Strukturen wurden erstmals zu Beginn des 19. Jahrhunderts beschrieben, unter anderem vom österreichischen Naturwissenschaftler Alois von Beckh-Widmanstätten, nach dem die Musterung benannt ist.

Neben den Spiegelkappen zeigen auch die Frontsplitter der vorderen Lufteinlässe, der mittlere Gitteraufsatz und die Einfassungen der Air Breather die charakteristische Meteoritenmusterung auf.

Hergestellt wurden die Teile mittels Stereolithografie. Dabei härtet ein UV-Laser ein UV-reaktives Harz selektiv und schichtweise aus.

Auch die Aluminiumbremssättel des M850i Night Sky sind additiv gefertigt. Dank ihres bionischen Designs sind sie um bis zu 30 % leichter als ihre klassischen Pendants. Diese Verringerung der ungefederten Massen führt laut BMW zu einer spürbaren Optimierung der Fahrdynamik und des Komforts. Darüber hinaus wurde es möglich, die Kanäle für die Bremsflüssigkeit direkt in die Struktur der Sättel zu integrieren. Das erleichtere die Montage.

Gefertigt wurde das Teil im Selective-Laser-Melting-Verfahren (SLM). Dabei verschmilzt ein Laser schichtweise ausgewählte Bereiche eines Metallpulverbetts. Verantwortlich war das hauseigene Additive Manufacturing Center in München. Das dortige Team bearbeitet heute jährlich nahezu 30 000 Prototypenaufträge und liefert über 200 000 Bauteile aus. Das Spektrum reicht vom kleinen Kunststoffhalter über Designmuster bis hin zu Fahrwerkskomponenten aus Metall für die Funktionserprobung. Demnächst eröffnen die Bayern einen eigenen Campus für additive Fertigung in Oberschleißheim. Die Investitionssumme beläuft sich auf 10 Mio. €.

Bei Volkswagen ist man diesbezüglich schon einen Schritt weiter. Am Konzernsitz in Wolfsburg wurde unlängst das 3-D-Druck-Zentrum aus der Taufe gehoben. Hier sollen Werkzeugbauer, Planer und Forscher bei der Entwicklung von neuen Produkten und Prozessen eng zusammenarbeiten. Andreas Tostmann, Produktionsvorstand der Marke Volkswagen, ist überzeugt: „Der dreidimensionale Druck wird in zwei bis drei Jahren auch für erste Teile in der Serienfertigung interessant. Perspektivisch können wir 3-D-Drucker auch direkt an den Fertigungsstraßen innerhalb der Fahrzeugproduktion einsetzen.“ Zunächst muss laut dem Hersteller allerdings „die gesamte Prozesskette eingehend validiert werden“.

In dem 3100 m2 großen Zentrum sollen neben den vorhandenen SLM-Druckern auch erste Binder-Jetting-Maschinen von HP installiert werden. Damit werden laut VW neue Maßstäbe bei Geschwindigkeit, Flexibilität und Automatisierung gesetzt.

Foto: Roland Hermstein/VW

Für den Fensterkurbelmechanismus des Corrados hat Volkswagen Testteile mittels Binder Jetting hergestellt.

Das Prinzip des Verfahrens ist schnell erklärt: Ein Materialschlitten bringt zunächst eine Schicht feines Metallpulver im Bauraum des Druckers aus. Anschließend versprühen Düsen selektiv ein Bindemittel. Es verklebt die Partikel überall dort, wo später festes Metall entstehen soll. Diese Prozessschritte werden laufend wiederholt. Schicht für Schicht entsteht so der Grünling. Dieser muss anschließend entbindert und gesintert werden – fertig ist das Bauteil.

Zur Zahl der neu installierten Maschinen macht VW keine Angaben. Insgesamt gebe es inzwischen „mehr als zehn“ Metalldrucker im Konzern. Nach Großserienfertigung klingt das noch nicht.