Additive Fertigung Kunststoffkomponenten für Elektromobilität additiv fertigen

Autor / Redakteur: Johannes Triebs und Achim Kampker / Stefanie Michel

Der Automobilbau steht vor der Herausforderung, kostengünstig Kunststoffelemente für Elektrofahrzeuge zu produzieren. Hoch gefragt sind derzeit additive Fertigungsverfahren. Ein Lehrstuhl der RWTH Aachen hat die beiden Faktoren kombiniert und fertigt die Kunststoffkomponenten mit 3D-Druck.

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Bild 1: Für den ersten Prototypen (Streetscooter C16) wurden sämtliche Kunststoffexterieurteile in Kooperation mit Stratasys und Street-scooter mittels 3D-Druck hergestellt.
Bild 1: Für den ersten Prototypen (Streetscooter C16) wurden sämtliche Kunststoffexterieurteile in Kooperation mit Stratasys und Street-scooter mittels 3D-Druck hergestellt.
(Bild: Streetscooter)

Im Automobilbau werden Kunststoffkomponenten für unterschiedlichste Anwendungen verwendet, beispielsweise im Interieur und Exterieur (siehe Kasten Anwendungsbereiche). Das Gesamtgewicht der in einem Automobil verbauten Kunststoffkomponenten liegt häufig bei etwa 120 kg. Kunststoffkomponenten werden aufgrund ihres geringen Gewichts und der umfangreichen Gestaltungsmöglichkeiten genutzt. Vor allem dem Aspekt der Gewichtsreduktion wird im Elektromobilbau durch den Einsatz von Kunststoffkomponenten eine große Bedeutung zugewiesen. Ein niedrigeres Fahrzeuggewicht wirkt sich positiv auf die Reichweite des Fahrzeugs aus.

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Anwendungsbereiche
Wo werden Kunststoffteile im Automobilbau eingesetzt?

Kunststoffkomponenten können in folgenden Bereichen in einem Automobil verbaut werden:

  • Interieur: Tür-, Seiten- und Gepäckraumverkleidungen inklusive Hart- und Weichschaum auf der Rückseite für beispielsweise thermische und akustische Bauteileigenschaften,
  • Exterieur: Karosserieabdeckungen, Unterboden- und Radhausverkleidungen, Stoßfängersysteme,
  • Luftmanagement: Luftansaugung Motor, Luftansaugung Innenraum, Aerodynamik (steuerbare Luftführungen),
  • Wassermanagement: Motorkühlung, Scheibenwaschsystem,
  • Dichtungen.

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Die Bundesregierung hat sich zum Ziel gesetzt, dass bis zum Jahr 2020 1 Mio. Elektrofahrzeuge auf Deutschlands Straßen fahren. Die Anzahl der Neuzulassungen von Elektrofahrzeugen im Jahr 2013 betrug jedoch erst 6051 Autos – bei einer Neuzulassungszahl von insgesamt 2,95 Mio. Pkw. Und diese Zahl ist bereits eine Steigerung der Anzahl an neu zugelassenen Elektrofahrzeugen von 105 % im Vergleich zum Jahr 2012.

Weniger als 1 % Elektrofahrzeuge bei Pkw-Neuzulassungen in 2013

Elektrofahrzeuge bewegen sich damit in deutlich kleineren Losgrößen, wenn man die Zahlen mit dem klassischen Automobilbau vergleicht. Im Automobilbau sind außerdem die Absatzzahlen von Jahr zu Jahr stark steigend. Daher werden für Elektrofahrzeuge, und somit auch für Kunststoffkomponenten im Elektromobilbau, Produktionstechnologien benötigt, die eine kostengünstige und flexible Produktion bei kleinen und künftig steigenden Losgrößen ermöglichen.

Mit dieser Herausforderung beschäftigt sich der „Chair of Production Engineering of E-Mobility Components“ (PEM) der Rheinisch-Westfälischen Technischen Hochschule (RWTH) Aachen gemeinsam mit dem Zentrum für Elektromobilproduktion (ZEP). Das ZEP umfasst auch eine Anlauffabrik.

Serienähnliche Fertigung von Prototypen in Anlauffabrik

Diese Anlauffabrik dient als Werkzeug zur Vorbereitung von Serienanläufen für Elektrofahrzeuge. Dort werden unter serienähnlichen Bedingungen Prototypen und Vorserien aufgebaut. Des Weiteren steht die Entwicklung und Verbesserung der Produktionstechniken für den Elektromobilbau im Fokus der Anlauffabrik. Für die Herstellung von Kunststoffkomponenten für den Elektromobilbau verfügt die Anlauffabrik über ein breites Spektrum an Fertigungstechnologien und Fertigungssystemen. Mit der vorhandenen Anlagentechnik können verschiedene Anforderungen, die bei der Herstellung von Kunststoffkomponenten für Elektrofahrzeuge auftreten, untersucht werden. Beispielsweise stehen eine Thermoformanlage sowie eine PUR-RIM Anlage zur Verarbeitung von Polyurethanen zur Verfügung. Beide Verfahren stellen interessante Fertigungstechnologien für Kleinserien im Elektromobilbau dar. Ergänzend können mit einer vorhandenen fünfachsigen Portalfräse Werkzeuge und Formen gefertigt werden.

Additive Fertigungsverfahren gewinnen zunehmend an Bedeutung

Da in den letzten Jahren sowohl Anlagenkosten gesunken sind als auch das Anwendungsspektrum in der Automobilindustrie gewachsen ist, haben additive Fertigungsverfahren zunehmend an Bedeutung gewonnen. Der PEM hat für seine strategische Ausrichtung additive Fertigungsverfahren als einen Kompetenzbereich identifiziert und verfügt derzeit über drei Drucker der Firma Stratasys. Diese 3D-Drucker basieren auf dem Polyjet-Verfahren. Bei diesem Verfahren wird flüssiges Photopolymer schichtweise auf eine Bauplattform aufgetragen und mit UV-Licht ausgehärtet. Mit dem Drucker Objet1000 von Stratasys steht dem PEM die weltweit größte Anlage für das Polyjet-Verfahren zur Verfügung. Dadurch lassen sich Bauteile bis zu einer Länge von 1 m drucken. Der PEM der RWTH Aachen ist die weltweit erste Hochschuleinrichtung, die eine solche Anlage besitzt. Weitere Produktionssysteme für das kunststoffbasierte Additive Manufacturing, die auf anderen additiven Fertigungstechnologien basieren, wie zum Beispiel das Fused Deposition Modeling (FDM), sind in der Beschaffung.

Der PEM arbeitet anwendungsnah mit unterschiedlichen Industriepartnern aus verschiedenen Branchen entlang der gesamten Fertigungskette zusammen, wie im Falle der Industriekooperation mit Streetscooter (Bild 2). Dabei liegt der Fokus in großem Maße auf Prototypen sowie Vor- und Kleinserien.

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Der PEM in Kürze:

Der „Chair of Production Engineering of E-Mobility Components“ (PEM) der RWTH Aachen steht für zukunftsweisende Forschung und Innovation im Themenfeld Elektromobilität. In fünf Forschungsbereichen werden die Produktionsprozesse des Elektrofahrzeugs und dessen Komponenten weiterentwickelt. Anwendungsorientierte Forschungsprojekte werden dabei durch zahlreiche Industriekooperationen ergänzt. Die Themenfelder des PEM sind:

  • Elektromobile Produktionstechnik,
  • Batterieproduktion,
  • elektrischer Antriebsstrang,
  • Montage,
  • Karosseriebau ,
  • Kunststoffkomponenten,
  • Fügetechnologie,
  • additive Fertigungsverfahren,
  • integrierte Produkt- und Prozessentwicklung,
  • Qualität in der Elektromobilproduktion,
  • Prototypenbau und -test.

Um mehr zu möglichen Anwendungsfeldern der additiven Fertigungsverfahren in Ihrem Unternehmen zu erfahren, können Sie sich an der Studie „Additive-Manufacturing-Technologien“, die vom PEM der RWTH Aachen ab März 2015 durchgeführt wird, beteiligen. Für weitere Informationen senden Sie bitte eine Mail an 3D-Drucken@pem.rwth-aachen.de.

Ein Forschungsthema am PEM auf dem Gebiet der additiven Fertigungsverfahren ist das Rapid Tooling. Dabei werden die Entwicklung, die Herstellung und der Einsatz von Werkzeugen aus Kunststoff mittels additiver Fertigungsverfahren beleuchtet (Bild 3). Als erste Prozesse für die Untersuchung der Werkzeuge dienen das Thermoformen und das PUR-RIM Verfahren. Ausgewählte Komponenten eines Elektrofahrzeugs des Industriepartners Streetscooter, dazu zählen beispielsweise Einschubfächer für die Mittelkonsole oder die Heckpartie, werden als Referenzbauteile herangezogen. Um die mechanischen und thermischen Eigenschaften – und somit die Standzeit der Arbeitsgeräte – zu verbessern, können die Werkzeuge zusätzlich beschichtet werden. Es werden verschiedene Photopolymere, die für das Polyjet-Verfahren geeignet sind sowie unterschiedliche Beschichtungsverfahren und Beschichtungsmaterialien betrachtet.

Fokus des PEM liegt auf Prototypenbau, Vor- und Kleinserie

Zusätzlich wird der Einfluss komplexer Temperierkanäle, die mit dem Polyjet-Verfahren in das Werkzeug eingearbeitet werden können, analysiert. Ein herkömmliches Aluminiumwerkzeug dient als Benchmark für das additiv gefertigte Kunststoffwerkzeug. Dadurch lassen sich das Kunststoff- und das Aluminiumwerkzeug hinsichtlich folgender Kriterien miteinander vergleichen:

  • Herstellkosten,
  • Herstelldauer,
  • Werkzeugstandzeit,
  • Prozessführung (am Beispiel des Thermoformprozesses: Aufheizen, Abkühlen, Umformgeschwindigkeit),
  • Bauteilqualität (Genauigkeit, Oberflächenbeschaffenheit).

Industrielle Zusammenarbeit für die Deutsche Post

Streetscooter ist ein enger Industrie- und Forschungspartner des PEM. Unter dem Namen Streetscooter entwickelt ein Netzwerk aus Unternehmen und Forschungsinstituten ein innovatives Elektrofahrzeug auf Basis einer offenen Technologieplattform. Ein Beispiel für das Geschäftsmodell von Street-scooter ist die Entwicklung eines auf die Anforderungen der Deutschen Post zugeschnittenen Elektrofahrzeugs. Beispielsweise befindet sich die Ladefläche auf einer rückenfreundlichen Höhe und der Laderaum besitzt keine störenden Radkästen. Seit Mitte 2013 wird das Zustellfahrzeug in Kleinserie produziert. Die ersten 50 Fahrzeuge wurden Ende 2013 ausgeliefert, um im Einsatz auf Herz und Nieren getestet zu werden. Aktuell weitet Streetscooter seine Produktionskapazitäten auf fünf und künftig zwölf Elektrofahrzeuge pro Tag aus. Der PEM der RWTH Aachen arbeitet eng mit Streetscooter zusammen und hat so Zugang zu vielfältigen Daten der wesentlichen Komponenten eines Elektrofahrzeugs. Diese enge Kooperation ist in der weltweiten Forschungslandschaft einmalig und bildet ein Alleinstellungsmerkmal des PEM der RWTH Aachen.

Die Forschungsaktivitäten des PEM werden vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie (BMWi) im Rahmen des Projekts „Forschungslabor Anlauffabrik“ gefördert.

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Der PEM in Kürze:

Der „Chair of Production Engineering of E-Mobility Components“ (PEM) der RWTH Aachen steht für zukunftsweisende Forschung und Innovation im Themenfeld Elektromobilität. In fünf Forschungsbereichen werden die Produktionsprozesse des Elektrofahrzeugs und dessen Komponenten weiterentwickelt. Anwendungsorientierte Forschungsprojekte werden dabei durch zahlreiche Industriekooperationen ergänzt. Die Themenfelder des PEM sind:

  • Elektromobile Produktionstechnik,
  • Batterieproduktion,
  • elektrischer Antriebsstrang,
  • Montage,
  • Karosseriebau ,
  • Kunststoffkomponenten,
  • Fügetechnologie,
  • additive Fertigungsverfahren,
  • integrierte Produkt- und Prozessentwicklung,
  • Qualität in der Elektromobilproduktion,
  • Prototypenbau und -test.

Um mehr zu möglichen Anwendungsfeldern der additiven Fertigungsverfahren in Ihrem Unternehmen zu erfahren, können Sie sich an der Studie „Additive-Manufacturing-Technologien“, die vom PEM der RWTH Aachen ab März 2015 durchgeführt wird, beteiligen. Für weitere Informationen senden Sie bitte eine Mail an 3D-Drucken@pem.rwth-aachen.de.

* Dipl.-Ing. Johannes Triebs ist Gruppenleiter am Lehrstuhl für Production Engineering of E-Mobility Components (PEM) der RWTH Aachen; Prof. Dr.-Ing. Achim Kampker ist Leiter des Lehrstuhls PEM; weitere Informationen: Johannes Triebs, PEM, 52074 Aachen, Tel. (02 41) 8 02 81 01, J.Triebs@pem.rwth-aachen.de

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