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Hilfsmittel für die Fertigung

Werkzeuge direkt drucken

In Köln entwickelt Ford neue Fahrzeugdesigns, die in Kleinauflage gefertigt werden, bevor sie in Serie gehen. Mittels 3D-Druck werden die notwendigen Montagevorrichtungen vor Ort entwickelt und hergestellt.

Bild: Ultimaker B.V.

Die Automobilindustrie zählte zu den ersten Branchen, die die Vorteile des 3D-Drucks für sich entdeckt haben. Die additive Fertigung führte dazu, dass sich die Entwicklungs-, Design-, Beschaffungs-, und Fertigungsprozesse der Autobauer in den letzten zehn Jahren signifikant verändert haben. Die Folge sind ergonomische und leichte Teile, komplexes Design, niedrigere Kosten und verkürzte Lieferzeiten. Und dabei erschließt die Automobilbranche kontinuierlich neue Anwendungsfelder für die additive Fertigung. Wurde 3D-Druck bis vor einigen Jahren in erster Linie für visuelles Prototyping genutzt, findet heute die Entwicklung von kundenspezifischen Vorrichtungen, Werkzeugen, Schablonen und Muster zunehmend Verbreitung. In Zukunft kann das additive Fertigungsverfahren das Ersatzteilemanagement und die Herstellung von Teilen am Bestimmungsort revolutionieren.

Entwicklung bis zur Serienreife

Während viele Unternehmen erst beginnen, die Möglichkeiten der additiven Fertigung für sich zu entdecken, ist der Autobauer Ford schon einen Schritt weiter. Im Werk in Köln wird 3D-Druck eingesetzt, um den Workflow für die Herstellung von produktspezifischen Vorrichtungen, Werkzeuge und Schablonen bereits während des Designs zu optimieren. Die dortige Pilotanlage Pilot Plant verfügt über eine komplette Kleinserienfertigung, in der die Fahrzeugdesigns, häufig über einen Zeitraum von mehreren Jahren, bis zur Serienreife entwickelt werden. Die Ford-Ingenieure benötigen bereits während der Fahrzeugentwicklung eine Reihe verschiedener Montagewerkzeuge und -schablonen. Meist sind diese für einen bestimmten Zweck und ein spezielles Modell konzipiert. Die Beauftragung und die Beschaffung über externe Dienstleister ist nicht nur kosten- und zeitintensiv, sondern verlangsamt auch den Entwicklungsprozess. Um den Workflow zu optimieren, entschied sich das Additive Manufacturing-Team von Ford, Desktop-3D-Drucker des niederländischen Herstellers Ultimaker in den Arbeitsablauf zu integrieren und die Tools direkt vor Ort zu entwickeln und zu fertigen. „Ford hat sich für Ultimaker 3D-Drucker entschieden, weil die Qualität und Zuverlässigkeit der Druckergebnisse im optimalen Verhältnis zu den Kosten steht“, so Lars Bognar, Research Engineer Additive Manufacturing bei Ford.

Ergonomie der Tools verbessern

Ford verfolgte das Ziel, nicht nur die Entwicklungszeit neuer Fahrzeugmodelle zu verkürzen, sondern auch die Ergonomie der Tools zu verbessern. Mit einem eigenen 3D-Workshop kann Ford das Design der Montagehilfsmittel bereits exakt konstruieren, bevor ein neues Auto-Modell in die Serienproduktion geht. Mittels Designiterationen und Feedbackrunden werden die modellspezifischen Tools hinsichtlich Funktionalität, Ergonomie und Passgenauigkeit verbessert. Das offene Filamentsystem der Ultimaker 3D-Drucker ermöglicht mit einer Vielzahl von leichten PLA-Filamenten verschiedener Hersteller zu drucken und auch neue Materialien jederzeit zu ergänzen. „Dank der zahlreichen industrietauglichen Materialien am Markt ersetzen wir die bisherigen Fertigungshilfsmittel unserer Serienproduktion aus Metall durch ebenso robuste Tools, die bis zu 70 Prozent leichter sind“, erläutert Bognar.

Verglichen mit den Kosten für herkömmlich hergestellte Tools spart Ford durch die 3D-gedruckten Vorrichtungen und Schablonen ca. 1.000 Euro pro Teil ein. (Bild: Ultimaker B.V.)

Kosten eingespart

Der Autobauer erzielte zudem Kosteneinsparungen. Allein für die Serienfertigung des Ford Focus werden über 50 speziell konstruierte Fertigungshilfsmittel benötigt, die jetzt an Ort und Stelle gedruckt werden können. Verglichen mit den Kosten für herkömmlich hergestellte Tools in Zusammenarbeit mit externen Partnern werden durch die 3D-gedruckten Vorrichtungen und Schablonen ca. 1.000 Euro pro Teil eingespart. Anstatt durchschnittlich zehn Wochen bei externer Vergabe stehen neue Montagevorrichtungen jetzt spätestens nach zehn Tagen zur Verfügung.

Europaweiter Einsatz

Ford setzt Desktop-3D-Drucker in allen europäischen Werken ein. Das Entwicklungsteam in Köln stellt das Design der Tools für andere Fertigungsstätten zur Verfügung, sodass die Werkzeuge innerhalb von 24 Stunden in jedem Werk lokal 3D-gedruckt werden können. Zudem ermöglicht der Autobauer den Monteuren an der Produktionslinie selbst Anpassungen am Design vorzunehmen. Dafür hat Ford einen Konfigurator, zugeschnitten auf seine spezifischen Anforderungen, entwickeln lassen. Das Team in Köln stellt den Monteuren eine Art Bausatz für die Fertigungshilfsmittel, wie Griffe und Magnethalter, zusammen mit dem Design für die jeweiligen Automodelle im Konfigurator bereit. „Mit dem Konfigurator kann auch der Montagemitarbeiter vor Ort benötigte Fertigungshilfsmittel entwickeln“, so Bognar. „In der Regel sind nur die erfahrenen Prozessingenieure in der Lage, komplexe Vorrichtungen zu entwerfen.“ Die Konstruktion wird direkt an die Slicing-Software Ultimaker Cura übergeben und mit dem Desktop-3D-Drucker Ultimaker S5 gedruckt.

Drucken in der Fertigungsstraße

Derzeit werden die Fertigungshilfsmittel in der Kölner Pilotanlage und in den europäischen Werken gedruckt. Weitere Anwendungsfelder sollen jedoch erschlossen werden. „Wir beabsichtigen zukünftig auch Ersatzteile für Maschinen in der Fertigungsstraße zu drucken. Denkbar wäre auch, unser Fahrzeugdesign an die Möglichkeiten der additiven Fertigung auszurichten und Teile für Serienfahrzeuge im 3D-Druckverfahren herzustellen“, so Bognar. Eine entscheidende Rolle spielt dabei die Entwicklung von neuen 3D-Druckwerkstoffen. Der Marktstudie ‚Global 3D Printing Materials Market in Automotive Transportation, Forecast to 2024‘ von Frost und Sullivan zufolge soll der Markt für 3D-Druckwerkstoffe in der Automobilindustrie bis zum Jahr 2024 jährlich zweistellig auf bis zu 576,5 Millionen Euro wachsen. Dies entspricht einer durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate von 17,8 Prozent (2017 bis 2024). Um dieser Nachfrage gerecht zu werden, kooperieren internationale Werkstoffproduzenten wie BASF, Clariant und Owens Corning mit Ultimaker. Im Rahmen der Zusammenarbeit werden Materialien, die für den industriellen 3D-Druck mit Ultimaker Druckern kompatibel sind, für Anwendungen in der Automobilindustrie entwickelt.


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