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3D-Kunststoffdruck

Losgröße 1 durch Additive Fertigung bei BMW

| Autor: Simone Käfer

Kundenindividuelle Produkte und Losgröße 1 sind die Träume, die durch Additive Fertigung wahr werden sollen. Dazu hat BMW ein Pilotprojekt mit seinem Mini gestartet. Doch vor dem Kundenansturm standen die Herausforderungen.

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Mit additiv gefertigten Bauteilen können Autofahrer ihren Mini individuell gestalten.
Mit additiv gefertigten Bauteilen können Autofahrer ihren Mini individuell gestalten.
(Bild: BMW Group )
  • Für den Mini bietet BMW individuell gestaltbare Komponenten an. Diese werden mit drei verschiedenen Verfahren additiv gefertigt.
  • Die Lösung für ein fehlendes MES war die Umprogrammierung des internen Kundenauftragssystems, die Bauteilidentifikation wurde durch mitgedruckte Bauteil-ID und Code gelöst.
  • Für die additiven Bauteile muss ein anderer Werkstoff verwendet werden. Dies erforderte eine intensive Zusammenarbeit über mehrere Abteilungen hinweg.

Seit 2018 kann man bei BMW seinen Mini individuell gestalten. Über die Webseite „Mini Yours Customised“ dürfen Seitenblinkereinleger (Side Scuttles) und die Dekorleisten auf der Beifahrerseite von Mini-Käufern gestaltet und bestellt werden, auch zum Nachrüsten. Hat der Kunde seine Bestellung abgeschickt, werden die Daten direkt in die Produktion übertragen. Bisher wird noch alles in Deutschland gefertigt, aber eine dezentrale Produktion ist geplant, um die Lieferkette zu optimieren. Schon heute muss man nur wenige Wochen auf seine Individualteile warten, dann können die Komponenten selbst oder von einem Servicepartner eingebaut werden.

Das klingt einfach und sehr individuell. Doch nicht jeder Wunsch kann erfüllt werden. Unter anderem müssen rechtliche Ansprüche, wie Markennamen und -logos, beachtet werden. „Für die Gestaltung stehen unterschiedliche Farben, Oberflächenstrukturen und Icons aus den jeweiligen Designwelten zur Auswahl“, erklärt Dr. Dominik Rietzel. Er ist verantwortlich für den Fachbereich der Nichtmetalle im Additive Manufacturing Center der BMW Group. Die vorgegebene Designauswahl, kann um einen frei formulierbaren Text ergänzt werden. Rietzel weist nachdrücklich darauf hin, dass „keine beleidigenden oder diskriminierenden Schrift­züge erlaubt sind“ – oder Inhalte, die Markenrechte verletzen und geschützte Begriffe beinhalten. Mit dem Logo des Lieblingsvereins kann man also noch nicht herumfahren. Aber zu einem Land können Mini-Fahrer sich bekennen: „Inzwischen bieten wir Länder­editionen an“, sagt Rietzel.

Drei Verfahren für eine optimale Bauteilproduktion

Ist das Design erstellt, wandern die Daten an die 3D-Drucker. BMW arbeitet mit Pulverbettverfahren, genauer gesagt mit Lasersintermaschinen (SLS), Multi-­Jet-­Fusion-Druckern und dem harzbasierten Verfahren Clip (Continuous Liquid Interface Production; siehe Kasten). Letzteres wurde vom Unternehmen Carbon entwickelt, in das BMW i-Ventures im Jahr 2016 investiert hatte. „Das Clip-Verfahren nutzen wir aufgrund seiner hohen Detailtreue für die Side Scuttles“, erklärt Rietzel. „Die pulverbettbasierten Verfahren SLS und Multi-Jet Fusion verwenden wir vor allem für die Dekorblende im Interieur.“

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So hat jedes Verfahren seine Berechtigung und ist auf die Anforderungen der jeweiligen Bauteilproduktion abgestimmt. „Die Fertigungsanlagen haben wir genau zu diesem Zweck über strategische Partnerschaften mit unseren Lieferanten befähigt“, so der Fachbereichsleiter. Es wurden Tests durchgeführt, um die Produktivität und Funktionalität sicherzustellen, die denen der Standardkomponenten eines BMWs beziehungsweise Minis entsprechen sollen. Daher hat man auch die „für alle Verfahren spezifische Testmethoden und Freigabe­prozesse adaptiert und teils selbst entwickelt“, fügt Rietzel an, „die wir dann zu internen Standards erklärt haben“. So soll die gesamte Prozesskette von Design bis Auslieferung der lackierten Teile den BMW-Qualitätsstandards entsprechen.

Vom internen zum externen Kundenauftragssystem

Die Anlagen und die Verfahren entsprechen nun den vom Haus geforderten Standards. Doch die eigentliche Herausforderung kommt erst noch: Mit welchem MES wird die additive Prozess­kette funktionieren und wie will BMW die fertigen Bauteile dem richtigen Kunden zuordnen?

Bestehende IT-Infrastrukturen für die neue Technik gab es nicht und ein MES, das den Anforderungen entsprach, fand BMW nicht. Also behalf man sich damit, das intern genutzte Kundenauftragssystem für Prototypen zu überarbeiten. Dieses Vorgehen ist sinnvoll, handelt es sich bei Prototypen doch ebenfalls um individuelle Bauteile in Losgröße 1. Für den Bestellvorgang musste das Programm also entsprechend aufbereitet werden, um Individual­teile, Qualitätsdaten und die dahinterliegenden Datensätze für den Prozess abzubilden und archivieren zu können.

Welches Bauteil gehört zu welchem Kunden?

Bleibt noch die Bauteilidentifikation. Schließlich werden auf einer Maschine mehrere Aufträge auf ein Mal gedruckt und jeder Kunde soll die von ihm bestellten Komponenten erhalten. Deswegen werden bereits im webbasierten Bestellprogramm sowohl die bauteilspezifische ID als auch ein maschinenlesbarer Code dem Datensatz zugeordnet. Um diese auf ein im Pulverbettverfahren gefertigtes Teil aufzubringen, gibt es zwei Möglichkeiten: entweder im Nachgang oder direkt im Bauprozess. Ein Aufbringen in der Nachbearbeitung würde die Mitarbeiter von BMW keinen Schritt weiterbringen, denn sie stünden immer noch vor der Frage, welches Bauteil zu welchem Kundenauftrag gehört. Eine vorprogrammierte Fehlerquelle, die zusätzlich viel Zeit verschlingt.

Also werden Bauteil-ID und Code direkt mitgedruckt. „Wir haben uns intensiv mit Lösungen beschäftigt, die wir leicht kombinieren und modifizieren können“, sagt Rietzel. „Heute sehen wir, dass sich insbesondere im IT-Umfeld zunehmend Technologien für den 3D-Druck auftun. Darüber freuen wir uns natürlich, denn es gibt uns die Möglichkeit, die Potenziale der Additiven Fertigung auszuschöpfen.“

Zwischen Automatisierung und Handarbeit

Im Gegensatz zum derzeitigen Stand in der Additiven Fertigung ist der Automatisierungsgrad in der Automobilwelt sehr hoch. Der Bestellprozess und die Bauteil­identifikation bei den Mini-Individualteilen entspreche diesem Standard. Doch ein Blick auf den Bauprozess zeigt, dass auch BMW noch auf eine automatisierte Fertigung im Bereich 3D-Druck wartet. Wobei, „nicht bei allen 3D-Druck-Techniken ist es sinnvoll, eine Automatisierung zu erreichen“, gibt Rietzel zu bedenken. Man automatisiert dort, wo es sinnvoll ist. „Der Automatisierungsgrad ist stark von den Produktionszeiten des jeweiligen Batches abhängig“, erklärt der BMW-Mann. „Wir simulieren sowohl Prozesse als auch die Auslastung von Maschinen und schauen uns dann gemeinsam Potenziale hinsichtlich der Automatisierung an – immer mit dem Ziel, Strategien für manuelle und automatisierte Vorgehensweisen ableiten zu können.“

Falls doch eine Vollautomatisierung kommt, hat BMW immerhin schon für den digitalen Zwilling der Bauteile gesorgt. Dieser wird jetzt schon zur Simulation der Wertströme und für einige Automatisierungsschritte eingesetzt. Auch für eine automatisierte Qualitätskontrolle sind digitale Zwillinge von Vorteil. Doch BMW nutzt für die individualisierten Mini-­Bauteile standardisierte Prüfverfahren, wie eine Sichtprüfung und das Vermessen der Komponenten.

Auch für das Material wird Kapazität aufgewendet

Für die Additive Fertigung werden spezielle Werkstoffe hergestellt, denn die Verarbeitung in den Maschinen erfordert andere technische Spezifikationen als etwa beim Spritzguss und je nach Verfahren treten nach dem Druck mitunter wiederum andere Eigenschaften zutage. Also kann BMW für die individualisierten Komponenten nicht exakt das gleiche Material verwenden. „Für uns stellt das eine spannende Herausforderung für die interdisziplinäre Zusammenarbeit zwischen Werkstoffwissenschaftlern, Konstrukteuren und Verfahrensspezialisten dar“, berichtet Rietzel. Allerdings ist das verwendete Material PA 11 ebenfalls ein Polyamid und gehört somit zur selben Werkstoff­familie, aus der auch die konventionell gefertigten Elemente im Mini bestehen. Ein Pluspunkt der Additiven Fertigung ist die Wiederverwendbarkeit einer gewissen Menge des überschüssigen Werkstoffs, von dem man auch bei BMW Gebrauch macht. „Wir führen einen Großteil des Pulvers wieder in den Produktionszyklus zurück und ergänzen es mit neuem Material“, sagt Rietzel.

Die abteilungsübergreifende Zusammenarbeit bei BMW war nötig, um die Einsatzgebiete der neuen Werkstoffe und Bauteile zu testen – und nach erfolgreichen Tests auch freizugeben. „Die daraus gewonnenen Erkenntnisse werden intern standardisiert und so genutzt, um in Zukunft weitere Projekte umzusetzen“, erklärt Rietzel weiter. Welche Projekte das sein werden, wollte er nicht verraten.

* Weitere Informationen: BMW in 80788 München, Tel. (0 89) 1 25 01 60 00, kundenbetreuung@bmw.de, https://yours-customised.mini

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Über den Autor

Simone Käfer

Simone Käfer

Redakteurin für Additive Fertigung, Werkstoffe und Materialfluss, Vogel Communications Group