Technische Innovation

Individuell und innovativ: 3D-Druck revolutioniert die Automobilherstellung

Mark Crawford

Die Möglichkeiten im Bereich 3D-Druck entwickeln sich rasant. Sie verändern beispielsweise die Art und Weise, wie Autos designt und hergestellt werden.

Bevor es getönte Scheiben und extravagante Felgen gab, hatten Autobesitzer kaum Möglichkeiten, ihre Fahrzeuge nach ihren eigenen Vorstellungen zu gestalten. In diesem Bereich steht nun ein grundlegender Wandel bevor. Denn Computersimulationen und 3D-Druck werden völlig neue Möglichkeiten für die Personalisierung von Autos schaffen, sind Forscher und Automobilexperten überzeugt.

„Bereits die Tatsache, dass wir ein Design auf dem Computer entwerfen und es anschließend per Knopfdruck vor unseren Augen produzieren können, ist unglaublich“, sagt Jay Rogers, CEO von Local Motors. Der US-amerikanische Autohersteller hat 2014 mit dem Minibus Olli als erster ein komplettes Fahrzeug aus 3D-gedruckten Teilen gebaut. Von der Stoßstange über den Spoiler bis zum Motorkolben: Jedes erdenkliche Objekt, das in einem CAD-Programm entworfen werden kann, lässt sich Rogers zufolge auch mit einem 3D-Drucker ausdrucken.

verbesserung von qualität und effizienz

Der 3D-Druck gehört zu den drei Haupttrends, die die verarbeitende Industrie von heute am stärksten beeinflussen, weiß Irene Petrick, Director of Business Strategy der Intel Energy Solutions Group. „Digitalisierung, Automatisierung und 3D-Druck verändern die Produktion auf vielfältige Weise“, so Petrick. „Jeder Bereich bringt neue Qualitätskontrollen, Entwicklungsprozesse und effiziente Produktionsmethoden mit sich“, erklärt sie.

Für Radkappen, die mittels 3D-Druck erstellt werden, wird ein Mix aus unterschiedlichen Materialien verwendet.
Für Radkappen, die mittels 3D-Druck erstellt werden, wird ein Mix aus unterschiedlichen Materialien verwendet.

Beispielsweise seien Autohersteller dank 3D-Druck in der Lage, neue Designprototypen schneller zu erstellen sowie einzelne Komponenten effizienter und günstiger zu produzieren, erklärt Petrick. Da die Bauteile in einem additiven Fertigungsprozess entstehen, bei dem die mikroskopisch dünnen Schichten miteinander verschmelzen, weisen sie sogar oft eine höhere Qualität auf als ihre herkömmlich produzierten Pendants. „Stellen Sie sich vor, Ihr Arzt könnte Ihnen einen maßgefertigten Autositz verschreiben, der Ihre Rückenschmerzen lindert“, sagt Rogers. „Oder Menschen mit körperlichen Beeinträchtigungen, die normalerweise teure Spezialfahrzeuge kaufen müssen, könnten ihr Auto in Zukunft einfach per Computerprogramm konfigurieren.“

Nächste Entwicklungsstufe des 3D-Drucks

Obwohl 3D-Druckverfahren bislang vorwiegend für Konzeptdesigns und Prototypen verwendet werden, birgt die Technik ein immenses Potenzial für die Industrie. Sie ermöglicht beispielsweise Ingenieuren, innerhalb weniger Tage eine einsatzbereite Komponente zu erhalten, auf die sie bei traditioneller Fertigung mehrere Wochen oder sogar Monate warten müssten. In den meisten Fällen wird für den 3D-Druck die sogenannte Pulverbettfusion verwendet. Bei diesem Prozess werden winzige Baustoffpartikel nach einem exakten CAD-Modell auf eine Fläche aufgebracht und durch einen Laser- oder Elektronenstrahl miteinander verschmolzen. Auf diese Weise wird das Objekt Schicht für Schicht nach oben aufgebaut.

3D-Drucker legen ausgedruckte Autoteile auf einem Fließband ab.
3D-Drucker legen ausgedruckte Autoteile auf einem Fließband ab.

Die Möglichkeiten von 3D-Druckern was Druckgeschwindigkeit, Materialverwendung sowie Größe der Objekte angeht, seien heute umfangreicher als jemals zuvor, erklärt Tim Simpson, Professor für Mechanical and Nuclear Engineering und Co-Director des 3D Lab an der Penn State University. „Die modernen Kunststoffe, die heute entwickelt werden, sind für die Fahrzeug- und Luftfahrttechnik besonders interessant.“ Autohersteller seien insbesondere von hochtemperaturbeständigen Metallen und Legierungen sowie Kunststoffen und keramischen Materialien begeistert, so der Wissenschaftler.

3D-Druck schützt die umwelt

Dank des 3D-Drucks mit solchen innovativen Materialien sind sie in der Lage, leichtere und energieeffizientere Fahrzeuge zu bauen. Zudem können sie die eigenen Kosten senken und den ökologischen Fußabdruck ihrer Fertigungsprozesse verkleinern. Beispielsweise könne die Einführung eines neuen Designs wesentlich günstiger und platzsparender durchgeführt werden als mit herkömmlichen Produktionsmaschinen, so Simpson.

Edgar Sarmiento, Erschaffer von Olli, dem ersten autonomen Bus aus dem 3D-Drucker.
Edgar Sarmiento, Erschaffer von Olli, dem ersten autonomen Bus aus dem 3D-Drucker. Bild: Jason Dixson Photography

Das Geschäftsmodell des Autoherstellers Local Motors basiert auf sogenannten „Mikro-Fabriken“, die Fahrzeuge wie den Olli nur in kleinen Serien herstellen. „Wir beobachten, dass sich auf dem Markt ein Umbruch anbahnt und immer mehr kleine Firmen hochgradig maßgefertigte Fahrzeuge produzieren“, sagt Simpson. So sind zum Beispiel große Player wie Peugeot Partnerschaften mit Start-ups im Bereich 3D-Druck eingegangen, um Komponenten mit innovativen Verfahren herzustellen.

Eine neue Ära der Kreativität

Der 3D-Druck verschafft Technikern und Designern einen immensen Freiraum, in dem sie Ideen austauschen und zusammenarbeiten können. „3D-Drucke erfordern vorab einen beachtlichen Planungs- und Simulationsaufwand“, so Petrick. Dadurch könne schlussendlich aber das Design verbessert, die Fertigung beschleunigt und die Qualität gesteigert werden.

An der Penn State University erstelltes CAD-Modell einer Kolbenkrone.
An der Penn State University erstelltes CAD-Modell einer Kolbenkrone. Bild: Corey J. Dickman, Penn State CIMP-3D

Als Beispiel fügt er ein kürzlich durchgeführtes Projekt der Penn State University an: Ein Kunde fragte bei Simpson und seinem Technikerteam an, ob sie eine spezielle Kolbenkrone entwickeln und anschließend per 3D-Druck produzieren könnten. Die Kolbenkrone ist der oberste Teil des Kolbens und muss daher extrem hohen Motortemperaturen standhalten. Im Zuge der CAD-Modellerstellung galt es also auch, die genaue Platzierung und Abmessungen von Kühl- und Schmiermittelkanälen in der Krone zu bestimmen. „So konnten wir ein neues Design kreieren, das Wärme schneller ableitet und die gesamte thermische Kontrolle im Kolben verbessert“, erklärt Simpson.

Herausforderungen beim 3d-druck

Trotz des enormen Potenzials bringt die Digitalisierung von Produktionsprozessen auch neue Schwierigkeiten mit sich, sagt Simpson. „Die Chancen sind riesig, aber die vorhandenen Tools hinken oft weit hinterher.“ Wir stehen erst am Anfang dessen, was die Zukunft für die 3D-Drucktechnik bereithält. Von Maschinengröße über Produktionsgeschwindigkeit und Massenfertigung bis hin zur Verkehrssicherheit: All das sind Herausforderungen, denen wir uns stellen müssen, bevor Autos aus dem 3D-Drucker in großem Stil hergestellt werden können.

Jay Rogers von Local Motors ist aber zuversichtlich, dass diese Hürden zu meistern sind. „Wir werden der Welt eine vollkommen neue Art von Fahrzeugen anbieten können“, prognostiziert er. Gleichzeitig werden diese positive Auswirkungen auf den finanziellen Aufwand, aber auch auf die Umwelt und den Menschen haben.

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