Additive Fertigung Wie sich 3D-Druck für originalgetreue Konzeptfahrzeuge einsetzen lässt

Der 3D-Druck ermöglicht völlig neue Designs beim Bau originalgetreuer Konzeptfahrzeuge. Das Team von Vital Auto setzt die additive Fertigung vom ersten Tag an ein und betreibt mittlerweile eine ganze Flotte verschiedener 3D-Drucker. Der 3D-Druck senkt nicht nur die Kosten, sondern ermöglicht mehr Vielfalt bei neuen Designs und Ideen.

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Autohersteller versuchen oft, die Grenzen der verfügbaren Technologien zu erweitern. Dazu gehört auch der 3D-Druck: Lange wurde behauptet, dass die additive Fertigung die zerspanenden Prozesse ersetzen soll. Die besten Ergebnisse erzielen Hersteller jedoch, wenn sie verschiedene Technologien kombinieren, um ihre jeweiligen Vorzüge zu nutzen.

Vital Auto ist ein industrielles Designstudio aus Großbritannien. Das Unternehmen wurde von drei Automobildesignern und -ingenieuren gegründet. Sie starteten das Unternehmen mit der Vision, moderne Fertigungstechnologien und -techniken einzusetzen, um den traditionellen Designzyklus zu optimieren. Sie wollten eine neue Produktentwicklung aufbauen, die qualitativ hochwertige Ergebnisse schneller, wirtschaftlicher und mit weitaus weniger Makulatur liefern kann. Zu den Kunden von Vital Auto gehören inzwischen viele bekannte Automobilhersteller wie Volvo, Nissan, Lotus, McLaren, Geely oder Tata.

„Kunden kommen oft zu uns, um die Grenzen des Möglichen auszuweiten“, erklärt Shay Moradi, Vice President Innovation & Experiential Technology bei Vital Auto. Wenn Hersteller selbst keine Kapazitäten für die Produktion von Prototypen oder neue Produktideen haben, verlassen sie sich bei dieser Herausforderung auf Vital Auto. Die Automotive-Experten entwerfen Ideen, Zeichnungen oder technische Spezifikationen und setzen sie um.

Von der Bleistiftskizze zum Konzeptfahrzeug

Einer der ersten Aufträge des Unternehmens kam für einen Konzept-Sportwagen. Das Vital-Auto-Team musste realistische Prototypen der Fahrzeugteile mit hoher Originaltreue anfertigen. Abhängig von den jeweiligen Kunden sowie dem Projekt setzt das Team bei einer einfachen Zeichnung auf Papier an oder bei einem fertigen Fahrzeugentwurf. Es entwickelt Autos von Grund auf, entwirft alle Rahmen, Außen- und Innenelemente, Ein- und Ausstiege, Klappen und Öffnungen sowie interaktive Elemente. Zwischen fünf und 30 Mitarbeiter arbeiten an einem einzelnen Konzept. Ein durchschnittliches Projekt dauert etwa drei bis zwölf Monate. In dieser Zeit durchläuft ein Produkt bis zu ein Dutzend Designiterationen. Dabei gehören zu jeder Iteration oftmals weitere Anpassungen kleinerer Komponenten, bis das Design ganz den Vorstellungen der Kunden entspricht. „In unserer Branche gehört es dazu, ein Produkt anhand seiner virtuellen Eigenschaften zu bewerten, bevor es auf den Markt kommt. Es geht einfach nichts darüber, ein Objekt in den Händen zu halten, es zu fühlen, das konkrete Gewicht zu spüren – mit den korrekten Proportionen und seiner Dynamik“, so Moradi.

Herkömmliche Präsentationswagen werden normalerweise nur aus Ton gefräst. Das Vital-Auto-Team verwendet darüber hinaus aber auch Drei- und Fünf-Achs-CNC-Fräsmaschinen, Handmodellierung, handgefertigte Tonmodelle und glasfaserverstärkte Verbundwerkstoffe. Diese traditionellen Prozesse sind jedoch oft nicht für die Produktion maßgefertigter Teile als Einmalkonzept geeignet.

Hier kommt die additive Fertigung ins Spiel: „Wir nutzen 3D-Druck schon vom ersten Tag an. Wir wollten ihn nicht nur zur Kostensenkung in unseren Fertigungsprozess integrieren, sondern insbesondere, um Kunden mehr Abwechslung und Vielseitigkeit zu bieten, was Designs und Ideen angeht“, berichtet Anthony Barnicott, Konstruktionsingenieur, verantwortlich für die additive Fertigung bei Vital Auto. Heute leitet er eine ganze 3D-Druckabteilung mit zehn großformatigen FDM-Druckern, drei großformatigen SLA-Druckern (Form 3L) und fünf SLS-Druckern (Fuse 1) von Formlabs. Die 3D-Drucker sind bei Vital Auto rund um die Uhr im Einsatz – und das von Anfang an. Die additive Fertigung wird in allen Bereichen der Konzeption und des Designs eingebunden. Dabei wird die SLS-Technologie üblicherweise für Produktionsteile und der SLA-3D-Druck für Konzeptteile verwendet.

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Mit SLA-Technologie entstehen komplexe Designs

Die SLA-Technologie nutzt Vital Auto für alles, das eine erstklassige Oberfläche benötigt. Im Automobilkontext bezieht sich das insbesondere auf den Innenbereich und auf Teile, die nicht mit Leder, Alcantara oder sonstigem Stoff verkleidet werden. Die glatten 3D-gedruckten Oberflächen können auch Lackierer gut bearbeiten.

Das Team nutzt den SLA-3D-Druck mit verschiedenen Materialien für zahlreiche Anwendungen. Vital Auto steht oft vor der Herausforderung, dass Kunden mit dem Produkt eines anderen Herstellers an sie herantreten und dieses in ihre eigenen Designs einarbeiten wollen. Beispielsweise wollte ein Kunde die Lüftungsöffnung eines anderen Fahrzeugs in seinem eigenen Innenraum verbauen. Die Lüftung wurde 3D-gescannt und digital nachgebaut. Danach hat Vital Auto eine neue Außenhaut für das Produkt erstellt. Zuerst verwendeten sie hierfür ein Kunstharz für den SLA-Druck von Prototypen, um das Design zu testen und es vom Kunden prüfen zu lassen. Danach sind sie zu einem anderen Kunstharz übergegangen, um ein produktionsfertiges Teil herzustellen.

Wenn es um filigrane Designs geht, wie bei Schalterelementen, verwendet Vital Auto mehrere Materialien. So entsteht ein mechanisches Produkt, das nicht nur korrekt funktioniert, sondern auch in einer realen Umgebung eingesetzt werden kann. Für diese Schalterelemente nutzt das Team harte Materialien für die Oberfläche und leichtere, kostengünstigere Materialien für den Innenbereich.

Die Herstellung von Türdichtungen im Automobilbereich ist üblicherweise sehr kostspielig. Denn zur Extrusion gibt es keine alternative Fertigungsmethode. Das bedeutet nicht nur hohe Werkzeugbestückungskosten, sondern auch lange Durchlaufzeiten. Mit dem Form 3L konnte das Team Abschnitte dieser Türdichtungen über Nacht produzieren und verschiedene Geometrien testen. Dabei lag der Druck innerhalb von 50 Mikrometern vom ursprünglichen Design. Dank des Form 3L konnte Vital Auto mehrere Iterationen der Teile produzieren, meistens schon innerhalb von 24 Stunden.

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SLS-3D-Druck anstelle der CNC-Maschine

Das Team benutzt SLS-Technologie in der Regel für mechanische Teile wie Türscharniere, Türgriffkolben, das Innenleben von Türen und strukturelle Anwendungen. Diese kommen auch hier, wie beim SLA-Druck, direkt nach dem Druck zum Einsatz – mit minimaler Nachbearbeitung. Viele Innenteile im Automobilbereich konnten bisher nur mit Spritzguss hergestellt werden. Dazu zählen interne Luftkanäle und Belüftungsöffnungen. Sie sind in einem fertigen Auto nicht zu sehen, doch ihre Produktion ist sehr kostspielig. Durch den SLS-3D-Druck ist Vital Auto viel flexibler bei den Designs, die innerhalb eines Fahrzeugs verbaut werden.

Die Behauptung, die additive Fertigung würde subtraktive Fertigung ganz ersetzen, widerlegt Vital Auto – hier werden die Vorteile beider Technologien und ihrer jeweils besten Eigenschaften voll ausgeschöpft. Vital Auto produziert viele Teile, bei denen zerspanende Verfahren zum Einsatz kommen. Subtraktive Verfahren werden außerdem genutzt, um filigranere Details bei 3D-gedruckten Teilen anzubringen. Das macht die Produktion vieler der Konzeptmodelle wesentlich kostengünstiger.

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Die Fortschritte der letzten zehn Jahre in der Technologie und insbesondere in der additiven Fertigung sind phänomenal. Bei der damaligen Produktion von Kleinserien für Nischenfahrzeuge wären einige der heute hergestellten Produkte undenkbar gewesen. Heute können diese Teile nicht nur von kleineren Unternehmen hergestellt werden, es kostet sie zudem noch sehr wenig und die Herstellung geht sehr schnell. Mithilfe des 3D-Drucks erstellt das Team nicht nur bessere Produkte in kürzerer Zeit, die additive Fertigung zieht auch neue Kunden an. Viele Interessenten kommen gerade deshalb zu Vital Auto, weil sie mit den neuesten Technologien arbeiten möchten und weil die Produkte aus den aktuellsten Hochleistungsmaterialien bestehen sollen.

„Es gibt ein paar Dinge, die man einfach nicht mehr als aufkeimende Technologien klassifizieren kann. 3D-Druck ist eines davon. Er ist so weit fortgeschritten, dass alle von uns produzierten Waren gut genug für die letztendliche Präsentationsphase sind, mit allen zusätzlichen Herstellungsschritten, die darauf noch folgen. Die additive Fertigung ist von einer Quasi-Neuheit zu etwas geworden, das aus unserer Arbeit nicht mehr wegzudenken ist“, so Moradi.

* Stefan Holländer arbeitet als Managing Director EMEA bei Formlabs.

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