Aus der Praxis Im Metall-3D-Druck-Zentrum von Audi

Erfahrung und viel Eigeninitiative ist das Rezept von Audi zu einer erfolgreichen Additiven Fertigung im eigenen Haus. Wie sie es umsetzen, zeigt das 3D-Druck-Zentrum für den Metalldruck mit SLM-Verfahren.

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3D-Drucker kaufen, CAD-Daten einspeisen, Druckprozess starten, fertig ist das optimierte Bauteil. Dass es so einfach nicht ist, haben bereits viele feststellen müssen. Doch wie viel Arbeit wirklich hinter einer erfolgreichen Additiven Fertigung (AF) steckt, verrät Martin Bock. Er ist Projektleiter des Metall-3D-Druck-Zentrums von Audi in Ingolstadt und arbeitet mit seinem Team in diesem Zentrum seit zwei Jahren daran, den 3D-Druck auf Audi-Standard zu heben. Der gesamte VW-Konzern, zu dem Audi gehört, besitzt weltweit über 120 Anlagen zur Additiven Fertigung mit Metall und Kunststoff. In Ingolstadt stehen drei 3D-Metalldrucker, ein M 400 und ein M 290 von EOS sowie ein 280 HL von SLM Solutions. Sie arbeiten alle mit der pulverbettbasierten SLM-Technik (selektives Laserschmelzen). Man hat sich für dieses Verfahren entschieden, weil die Anlagentechnik am weitesten entwickelt sei.

Das Zentrum ist im internen Werkzeugbau angesiedelt. Als man sich vor knapp drei Jahren dazu entschied, in den metallischen 3D-Druck zu investieren, benötigte es entsprechende Räumlichkeiten, in denen alle prozessrelevanten Bearbeitungsschritte Platz hatten. So stehen die drei Maschinen in einem Raum, der noch Platz für künftige Anschaffungen bietet. Kleine Automatisierungsansätze hat der Automobilist selbst eingebracht: Bei der großen EOS-Maschine wird die Bauplatte von einem Deckenkran entnommen und bei der SLM-Anlage hat Audi eine Pulverzuführung nachgerüstet. Neben dem Maschinenraum liegen das Materiallager und der Nachbearbeitungsraum mit einer eigenen Kammer für Aluminiumbauteile. Die drei Ingenieure und zwei Applikateure sitzen in einem vorgelagerten Büro. Für heiße Auftragsphasen hält sich ein weiterer Applikateur aus dem Kleinmaschinenpark bereit. Ingolstadt benötigt zwei, da sie auch zwei unterschiedliche Maschinenhersteller haben. Denn um die Qualität der gedruckten Bauteile auf ein hohes Niveau zu bringen und es dort zu halten, müssen die Applikateure ihre Maschinen sehr genau kennen.

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Was man braucht? Viel Erfahrung

Aber bereits vor dem Druckprozess darf es nicht an Erfahrung mangeln. Abgesehen vom AF-gerechten Design, kommt es auch darauf an, ein Bauteil so zu konstruieren, dass Verzüge und ein Abreißen der Bauteile unwahrscheinlicher werden, dass die Stützstrukturen gut gesetzt sind und dass die Objekte richtig auf der Bauplatte platziert sind. Zwar bieten Hersteller – sowohl der Maschinen als auch Softwarehäuser – unterstützende Programme an, doch musste das Audi-Team bisher immer seine Erfahrung ergänzend mit einbringen. Laut Bock gibt es keine Software, die klare Programmiervorgaben macht; es kommt auf das Know-how der Applikateure an, auf ihr Mitdenken im Prozess, in dem es auch zu Schwankungen kommen kann. „Genau hier brauchen wir besonders geschulte Mitarbeiter“, fordert Bock, „die über Schulungen in der Software und über Erfahrungen im Maschineneinsatz verfügen.“

Aktuell haben sie im 3D-Druck-Zentrum sehr wenige Fehlläufe – mittlerweile. Darauf kann Bock stolz sein. Allerdings stecken auch mehrere Jahre Arbeit und Personen dahinter – und einige Enttäuschungen. Aber inzwischen sind sie gut gerüstet. „Weil unsere Maschinen gut sind und weil wir die Prozesstechnik in den vergangenen Jahren erfolgreich weiterentwickelt haben. Einfach, weil wir Erfahrungen gesammelt und technisch umgesetzt haben, werden Abbrüche seltener.“ Erfahrung in dem angewendeten additiven Verfahren, Erfahrung mit ein-und derselben Maschine, Erfahrung mit dem verwendeten Material in dieser Maschine und Konstruktionserfahrung.

Erfahrungen austauschen für einen besseren Prozess

Das Know-how bleibt kein wohl gehütetes Geheimnis der Ingolstädter. Ein beachtlicher Teil von Bocks Aufgaben macht der Austausch innerhalb des VW-Konzerns aus. Mit den Kollegen der anderen AF-Maschinen werden beispielsweise Lastenhefte für die Maschinen- und Softwareentwicklung formuliert. So suchen sie nach „einer Software, die abwägt zwischen der Sicherheit des Bauprozesses, der Genauigkeit des Bauteils und wie schnell Stützstrukturen entfernbar sind – und die dazu auch noch den hohen Anforderungen der Automobilindustrie gerecht wird.“ Eine solche ist Bock bisher noch nicht begegnet. Aber die hohen Anforderungen seiner Branche gibt er an die Anlagen- und Software-Hersteller weiter. Davon profitieren auch Anwender außerhalb des Konzerns.

Eine weitere Aufgabe an die Hersteller beschäftigt sich mit der Bauprozessüberwachung. „Hier reicht uns das Aufnehmen von Bildern pro Schicht für eine gute Überwachung nicht aus, wir fordern eine Weiterentwicklung im Sinne der Künstlichen Intelligenz.“ Was er damit meint, erklärt Bock folgendermaßen: „Von einer Maschine zur Additiven Fertigung erwarten wir, dass während des Bauprozesses eine Auswertung der Bilder je Schicht und eine Rückmeldung, eine Einsteuerung in den Prozesskreislauf und eine Veränderung der Parameter oder das Abbrechen des Baujobs automatisch stattfindet.“ Letzteres ist sinnvoll, wenn zum Beispiel in einem Bereich Lunker entstanden sind.

Nachbearbeitung – auch hier ist Eigeninitiative gefragt

Auch wenn der Druckprozess noch nicht zufriedenstellend überwacht ist, läuft er trotzdem allein, ohne Menschen, auch übers Wochenende. Montags geht dann die Arbeit weiter: Die Bauplatte wird entnommen, die gedruckten Objekte von ihr entfernt, die Bauteile werden von ihren Stützstrukturen befreit und die Nachbearbeitung beginnt. Im Angebot sind Fräsen, Drehen, Erodieren und Wärmebehandlung. Auch wenn Wärmebehandlung als unscheinbares Verfahren anmutet, muss doch für die Additive Fertigung viel daran entwickelt werden. „Allein für die beiden von uns verwendeten Metalle AlSi10Mg und 1.2709 prozesssichere Parameter zu entwickeln, war eine langwierige Sache“, versichert Bock. Neue Wärmebehandlungsverfahren sind nötig, da das Laserschmelzen zu Umwandlungen im Gefüge führt, die wiederum Fehlstellen hervorrufen können. Sinn der Wärmebehandlung ist es aber, die Gefügestruktur zu verdichten und die Eigenschaften des Bauteils zu erweitern. Hier entsteht also ein neues Geschäftsfeld für die Hersteller der konventionellen Verfahren. Doch sie hinken der Entwicklung in der Additiven Fertigung hinterher. „Es fehlt an Erfahrung und Wissen, wie sich die gedruckten Bauteile verhalten“, vermutet Bock. „Einfach aufgrund der Menge. Wir haben in zwei Jahren 4000 Teile gedruckt.“

Bei Audi wird viel eigene Manpower in die Weiterentwicklung der additiven Prozesskette gesteckt. Neben den Automatisierungsansätzen an den Maschinen und der Weiterentwicklung der Wärmebehandlung, gehört auch die Mischung von Pulver mit einem Fließhilfsstoff dazu. Dadurch soll sowohl der Bauraum des 3D-Druckers leichter zu reinigen sein, als auch das Zuführen des Pulvers schneller von statten gehen. Kleinigkeiten, die unterm Strich und in einer künftigen industriellen Produktion viel Zeit einsparen.

Was wird bei Audi additiv gefertigt?

Zu ihren bisherigen Erfolgen zählt der Prototyp einer Lenkungsschatulle. Die Anfrage kam aus dem Vorserien-Center. Sie wollten das metallische Bauteil additiv aufgebaut, anstatt wie üblich mit Druckguss gefertigt. „Wir haben die Lieferzeiten von sieben auf eine Woche reduziert und die Fertigungskosten für dieses Bauteil um den Faktor 10 gesenkt“, hebt Bock die Vorteile seines Verfahrens heraus. Prototypenbau ist die klassische Anwendung für 3D-Druck, soweit man von „klassisch“ reden kann. Neu ist dabei allerdings, dass durch die Fortschritte, welche die Material- und Prozessentwicklung in den letzten Jahren machte, einige der additiv-gefertigten Bauteile auch als Ersatzteile eingesetzt werden können. Zudem nutzt Audi das Verfahren bereits für die Herstellung von Bauteilen für Ausstellungsmodelle, Vorserienfahrzeuge und im Motorsport. Unter anderem, weil das SLM-Verfahren hier mit seiner Geschwindigkeit punkten kann.

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Die Ersatzteilfertigung ist im Metall-3D-Druck-Zentrum ein wichtiges Thema. Die Teile fertigen sie hauptsächlich aus dem Aluminium AlSi10Mg. „Im vergangenen Jahr haben wir den Wasserstutzen des W12-Motors gedruckt“, erzählt Bock. Mittlerweile können andere Abteilungen ihn bestellen. „Das bedeutet, dass der Wasserstutzen sämtliche Qualitätsprüfläufe bei Audi durchlaufen hat. Darauf sind wir sehr stolz!“ Das Team steht mit den Kollegen vom After Sales und aus dem Bereich Audi Tradition im engen Kontakt und identifiziert nach diesem Erfolg weitere Bauteile für den 3D-Druck. Spinnt man die Situation weiter, könnten in ein paar Jahren die Lageristen bei Bock anrufen, um die von einer Vertragswerkstatt angeforderten Ersatzteile direkt auf den Bedarf von Stückzahl eins oder zwei hin zu bestellen. Denn „wenn die Werkzeugkosten und damit auch die Anlaufkosten für ein Werkzeug wegfallen, muss niemand mehr 100 Teile einkaufen“, so Bock.

Ein Drittel der eingehenden Aufträge betrifft Betriebsmittel, wie konturnahgekühlte Formeinsätze oder bionisch-optimierte Elemente für den Anlagen- und Vorrichtungsbau. Die Vorteile, die Bock den Kollegen in diesem Bereich bieten kann, sind Zykluszeitreduktion im Druckgusswerkzeug oder bei der Warmumformung, wenn er Formeinsätze druckt, sowie Gewichtseinsparung bei den bionisch-optimierten Bauteilen. Bei einem Element für den Anlagenvorrichtungsbau, das früher 12 kg auf die Waage brachte, konnten sie durch bionische Fertigung mittels 3D-Druck das Gewicht um ein Drittel reduzieren. „So können leichtere und schnellere Roboter gekauft werden. Das führte sogar zu einer Qualitätsverbesserung im Schweißprozess“, führt Bock den Vorteil aus.

Gelegentlich erreicht die Automobilisten die Frage, wann denn der erste Audi aus dem 3D-Drucker kommt. Das wird sicherlich noch einige Zeit dauern, lautet die Antwort. Denn dafür fehlt es den Druckern unter anderem noch an der Größe des Bauraums und dem richtigen Material. Und natürlich besteht ein Auto aus einem Mix von Materialien, auch das ist derzeit mit Additiver Fertigung nicht umsetzbar.

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Additive Fertigung – Die ungelösten Probleme

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