Automobilbau

Konstruktion und Fertigung der nächsten Generation

Die Hersteller sind aktuell gefordert, die zunehmende Anzahl an Antriebskonzepten und Energiespeichersystemen in Fahrzeugstrukturen zu integrieren. Die Karosserien von morgen, speziell im Hinblick auf alternative Antriebssysteme in variantenintensiven Kleinserien, müssen nicht nur leichter, sondern vor allem hochflexibel konzipiert werden. Die Folge ist eine steigende Anzahl an Fahrzeugderivaten, die nach anpassungsfähigen und wirtschaftlich zu fertigenden Karosseriekonzepten verlangen. Die additive Fertigung könnte in absehbarer Zeit ganz neue denkbare Wege offerieren.

Concept Car: Edag Light Cocoon

In einem Gemeinschaftsprojekt zeigten die Edag Engineering GmbH (Wiesbaden, D), die Laser Zentrum Nord GmbH (Hamburg, D), die Concept Laser GmbH (Lichtenfels, D) und die BLM Group (Cantù, IT) mit dem bionisch optimierten, hybrid gefertigten Spaceframe eine neue Perspektive auf, wie ein wandelbares und flexibel zu fertigendes Karosseriekonzept realisiert werden kann, um die zunehmende Fahrzeugvarianz durch die Vielzahl von Antriebsvarianten und Laststufen beherrschbar zu machen. Kombiniert werden generativ hergestellte Karosserieknoten und intelligent bearbeitete Profile. Die Knoten können dank generativer Fertigung hochflexibel und multifunktional gestaltet werden, um beispielsweise unterschiedliche Fahrzeugvarianten ohne zusätzliche Werkzeug-, Betriebsmittel- und Anlaufkosten „On Demand“ produzieren zu können. Als Verbindungselemente dienen Profile aus Stahl. Auch diese können durch unterschiedliche Wandstärken und Geometrien individuell und einfach den vorgegebenen Laststufen angepasst werden. Der Nextgen Spaceframe ist Teil des Edag Concept Car „Light Cocoon“, ein kompakter Sportwagen mit einer bionisch gestalteten und generativ hergestellten Fahrzeugstruktur, überzogen mit einer Außenhaut aus wetterbeständigem Textil. Der PLM IT Report sprach mit Dr.-Ing. Martin Hillebrecht (Leiter Competence Center Leichtbau, Werkstoffe und Technologien, Edag Engineering GmbH), Sergio Raso (Strategischer Marketingleiter - Laser Produkte, BLM Group), Prof. Dr.-Ing. Claus Emmelmann (CEO, Laser Zentrum Nord GmbH) und Frank Herzog (Geschäftsführer Concept Laser GmbH).

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PIR:
Welche neuen Fertigungsstrategien und Automationspotenziale ergeben sich aus dem bionisch optimierten, hybrid gefertigten Nextgen Spaceframe-Konzept? Welche Potenziale sehen Sie für Konstruktion und Fertigung?

Emmelmann:
Die Potenziale der Konstruktion sind in der flexiblen, laststufengerechten Auslegung zu sehen. Und in der Chance, mit den bionischen Strukturen einen maximal möglichen Leichtbau zu betreiben, so wie er bisher noch nicht umsetzbar war. Am Laser Zentrum Nord entwickeln wir Gestaltungsrichtlinien, um bionische Vorbilder, wie etwa eine Bambus- oder Vogelknochenstruktur, in solch anspruchsvolle technische Leichtbauteile mit Gewichtseinsparungen von in der Regel 30 bis 50 Prozent erfolgreich umzusetzen. „Bionisches Konstruieren“, wie es mit Additive Manufacturing möglich wird, zeigt zahlreiche Optionen auf. Die Fertigung profitiert mehrfach von den neuen Fertigungsverfahren: Nicht nur die investitionsintensiven Werkzeuge entfallen, sondern es können auch flexible Kleinserien oder auch Bauteiländerungen innerhalb des Modellzyklus ohne Mehraufwand sofort abgebildet werden.

Dr.-Ing. Martin Hillebrecht, Edag

Hillebrecht:
Außerdem sind die Reaktionsfähigkeit auf Stückzahlschwankungen sowie „updatefähige“ Bauteile während eines Fahrzeuglebenszyklus im Sinne einer „lernfähigen Industrie 4.0“ hervorzuheben. Das sind ganz neue Ideen für die Branche. Wir sind selbst sehr gespannt, wie unsere Kunden hierauf reagieren werden.

Raso:
Das neue Konzept bedeutet für die Entwickler und Konstrukteure eine hohe Designfreiheit. Das vorgeschlagene Konzept eröffnet den Designern der Automobilindustrie leichtere Lösungen, ökologischere Ansätze und verbesserte Sicherheitslösungen. In der Fertigung bedeutet die Adaptation von laserbasierten Verfahren, wie additiver Fertigung von Knoten, Laserschneiden und Laserschweißen von Rohren und Profilen, ein unvergleichliches Maß an Flexibilität. Nicht zuletzt können diese Fertigungsstrategien zu einer Erhöhung der Automatisierung beitragen. Diese Verfahren stehen für die Innovation von Fertigungsprozessen.

Frank Herzog, Concept Laser

Herzog:
Den Hinweis auf die „Industrie 4.0“ greife ich gerne auf: Kernelemente dieses Konzeptes wie Automatisierung, Digitalisierung und Vernetzung spielen in unserer neu vorgestellten „AM Factory of Tomorrow“ eine elementare Rolle. Ziel ist es, manuelle Prozesse zu automatisieren und somit zu minimieren, um Totzeiten in der Produktion der Bauteile zu vermeiden. Maschinen, welche bisher als Stand alone-Lösungen konzipiert waren, werden zudem im Sinne einer Smart Factory in beliebiger Anzahl miteinander vernetzt. Dabei wird es auch zu einer Automatisierung und Vernetzung additiver und konventioneller Techniken kommen, insbesondere in der Nachbearbeitung der entstandenen Bauteile. Klassische Fertigungsmethoden gehen dann einher mit additiven Verfahren. Unsere „AM Factory of Tomorrow“ deckt sich mit den Anforderungen des Industrie 4.0-Leitgedankens und wird unser Verfahren zukünftig auch für die Serienfertigung von metallischen Bauteilen aus wirtschaftlicher Sicht attraktiv machen. Dieses gilt dann sicher auch für die Automobilindustrie, bei der es vornehmlich auf hohe Stückzahlen ankommt.

PIR:
Welche Bedeutung hat das pulverbasierte Laserschmelzen von Metallen heute und zukünftig in Automotive?

Prof. Dr.-Ing. Claus Emmelmann, Laser Zentrum Nord

Emmelmann:
Aktuell ist das 3D-Drucken von Metallen im Bereich des Prototypenbaus in der Automobilindustrie nicht mehr wegzudenken. Mit dem Verfahren ist es möglich, schnell und ohne die sonst üblichen hohen Werkzeugkosten voll belastbare Erprobungsbauteile herzustellen. Der Schritt in die Serienfertigung steht allerdings noch bevor.

Hillebrecht:
Heute stellen die generativen Verfahren ein großes Potenzial im Prototypen- und Werkzeugbau sowie der Ersatzteilfertigung dar. In der Automobilproduktion sind diese Verfahren bisher nicht angekommen. Das liegt sicherlich auch an den hohen Preisen für Werkstoffe und Anlagentechnologien.

PIR:
Wie verändert dies die Konstruktion oder Projektabläufe von Strukturelementen in Automotive? Was wird sich zukünftig noch verändern?

Hillebrecht:
Die Entwicklungsprozesskette vom Lastenheft über die Topologieanalyse, Funktionsentwicklung, bionische Gestaltung und fertigungsgerechte Gestaltung ist heute noch nicht etabliert und noch sehr zeitintensiv. CAD und CAE werden zunehmend verschmelzen. Es wird eine übergreifende CAx-Kompetenz gefordert. Zudem benötigen wir bionische Kompetenzen und Tools, nicht zuletzt eine funktionierende Schnittstelle zur Laserschmelzanlage, damit dann später wirklich alles „druckbar ist, was denkbar wäre“.

Sergio Raso, BLM Group

Raso:
Der Einsatz von 3D-gebogenen und lasergeschnittenen Rohren und Profilen für die Strukturmontage konnte sich bereits als gewichtseinsparende Anwendung unter Beibehaltung der mechanischen Eigenschaften in der Montage bewähren. In diesem Entwurf fällt der lastspezifischen Abstimmung von lasergeschmolzenen 3D-Knoten und lasergeschweißten 3D-Profilen eine wichtige Rolle zu. Knoten, mit traditionellen Gusstechnologien hergestellt, erwiesen sich in der Vergangenheit als eine bewährte Lösung. Die generative Fertigung erlaubt den 3D-Knoten nun durch Bionik, Hohlräume und Gitterstrukturen noch mehr Möglichkeiten für Design, Variationen und Sicherheitsaspekte. Ich sehe das als einen wichtigen „next step“.

PIR:
Kann ein neues Konzept wie der Edag Light Cocoon die Nachfrage der Autokäufer beeinflussen?

Raso:
Autos stehen heutzutage wie kaum etwas anderes für die „Ausübung von Freiheit“ jedes Einzelnen. Das Lichtkonzept des Cocoon stimuliert sicherlich „gute Gefühle“ im Straßenverkehr. Allerdings zielt die Nachfrage der Käufer heute primär auf praktische Bedürfnisse wie Kosten, Sicherheit und Zuverlässigkeit der Marke. Daher hat das Konzept eines leichten Hybrid-Designs realistisch zu berücksichtigen, erst einmal nur einen Blick in die Zukunft werfen zu wollen. Ein möglicher Schritt in Richtung Innovation. Es braucht natürlich weitere Anstrengungen und möglicherweise viel Zeit, um Schritt für Schritt die etablierten Kaufentscheidungen in neue Bahnen zu lenken.

Hillebrecht:
Werkstoffe sind zwar nicht, wie das Fahrzeugdesign in Interieur oder Exterieur, für die Kaufentscheidung des Endkunden verantwortlich, sie sind allerdings für die wirtschaftliche Herstellung und Funktionalität eines Fahrzeugs unerlässlich in der Betrachtung. Intelligente Mischbauweisen sind im Leichtbau ebenso wichtig wie die Energie- und Ressourceneffizienz von Fahrzeugen im globalen Kontext. Mir wäre ein Aspekt wichtig: Sichtbare bionische Strukturen im Fahrzeug mit ihrem positiven Image in der Gesellschaft, realisiert durch die Zukunftstechnologien der generativen Fertigung, könnten aber erstmals dazu führen, dass auch Endkunden spannende Werkstoffentscheidungen treffen. Wie viele Euro Mehrkosten pro reduziertem Kilogramm durch bionische Lösungen würden es den Kundensegmenten wert sein umzusteigen – darüber lässt sich nur spekulieren.

Herzog:
Stimmt. Hier können wir nur spekulieren. Es wird aber noch etwas dauern, bis die Vorzüge der additiven Fertigung auch in die Argumentationsketten der Werbung der Automobilindustrie Einzug halten. Das Thema Nachhaltigkeit ist aber schon mal gesetzt.

Technologiebeispiel Nextgen Spaceframe: Funktionsintegrierte, bionisch optimierte Fahrzeugleichtbaustruktur für eine flexibler Fertigung.

PIR:
Als logistische und kostenintensive Herausforderung gelten die Ersatzteile für Automobile. Globale Verfügbarkeit, Lagerhaltung, Lebenszyklus und Zeitdruck sind Herausforderungen für die Ersatzteilexperten. Nicht zuletzt sind Ersatzteile derzeit ein Segen für Automobilzulieferer als Erstausrüster oder Nachrüster oder auch Kopierer. Wie kann eine generative Fertigung diese Situation verändern?

Hillebrecht:
Die generative Fertigung ermöglicht es vor allem, Komponenten verteilt und an unterschiedlichen Standorten zu fertigen. So lassen sich lokale Vorteile nutzen: Varianten können zeitlich später und örtlich nahe an der Produktion entstehen. Dadurch entfallen Transport- und Logistikkosten, Komponentenvarianten sind nicht mehr zu bevorraten, und die markt- und kundennahe Produktion verkürzt die Lieferzeit.

Emmelmann:
Mit der generativen Fertigung ist es möglich, nicht länger physisch Bauteile, sondern einfach CAD-Datensätze weltweit zu versenden und dann, bei Bedarf, Ersatzteile vor Ort auszudrucken. In der dezentralen Fertigung liegt eine Option, deren Auswirkungen wir nur erahnen können. Dieses Verfahren verändert die Ersatzteilversorgung radikal – Lieferzeiten werden signifikant verkürzt und Lagerhaltungskosten entfallen vollständig. Dieses Szenario wird aktuell mit der Luftfahrtindustrie aktiv umgesetzt.

PIR:
Kritiker sagen, dass die aktuellen Bauraumgrenzen und Aufbaugeschwindigkeiten in der 3D-Fertigung die Möglichkeiten beschneiden. Wie bewerten Sie diese Diskussion?

Emmelmann:
Aktuell ist die Produktivität des Prozesses für gewisse Einsatzbereiche, wie der automobilen Großserie, begrenzt. Insofern stimmt die These. In Branchen wie der Medizintechnik oder der Luftfahrt wird das Verfahren bereits intensiv eingesetzt. Ich prognostiziere einen signifikanten Produktivitätssprung der Technologie für die kommenden Jahre und somit auch die Chance, beim Automobilbau im Bereich Großserien nach und nach attraktiv zu werden. Das Laser Zentrum Nord arbeitet intensiv an neuen Konzepten, die dies möglich machen sollen.

Hillebrecht:
Die Bauräume sind heute schon ziemlich ausreichend, aber typische Werkstoffe sind noch unzureichend entwickelt und deutlich zu teuer. Wir würden uns generative Fertigungsprozesse wünschen, die eine vielleicht 100-fach höhere Aufbaugeschwindigkeit bei gleicher Oberflächengüte ermöglichen. Den Anlagenbauern sei gesagt: Machen Sie weiter auf dem eingeschlagenen Weg.

Stefan Graf

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