Sind 3D‑gedruckte Autos möglich? Neue Entwicklungen werfen Licht auf eine Antwort

3D‑Druck hat die Vorstellungskraft einer Vielzahl von Branchen weltweit erobert. Auch als additive Fertigung bekannt, wird 3D‑Druck zu Recht als eine der prägendsten Technologien unserer Zeit bezeichnet. Im Gegensatz zu herkömmlichen Fertigungstechnologien ist es ein Verfahren, das fast jede Art von 3‑D‑Objekt schichtweise aufbauen kann. Dafür nutzt die Technologie computergestütztes Design (CAD) und ein breites Spektrum an Materialien, wie Metall, Kunststoff, Beton oder Papier.

Die Vielseitigkeit, die sie Herstellern weltweit bietet, um ihre Produktionsabläufe kosten‑ und zeiteffizient zu optimieren, macht sie zu einem Spitzenkandidaten für eine rasche, exponentielle Verbreitung. Schätzungen zufolge könnte der globale Markt für 3D‑Druck‑Produkte und -Dienstleistungen von US$12,6 Mrd. im Jahr 2020 auf US$37,2 Mrd. im Jahr 2026 wachsen. Bis 2030 könnte die Zahl der additiven Fertigungs‑ und 3D‑Druck‑Geräte weltweit 2,8 Millionen erreichen.

Ein solches starkes Wachstum würde 3D‑Druck praktisch allgegenwärtig machen. Daher fragen sich alle: Kann 3D‑Druck für den Automobilsektor, eine Branche, in der Fertigungspräzision enorm geschätzt wird, geeignet werden? Um es direkter zu sagen: Ist es möglich, Autos mit 3D‑Druck zu fertigen? Wir werden die Möglichkeiten in den folgenden Abschnitten diskutieren.

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Durchbruch der Tohoku‑Universität in der Multi‑Material‑3D‑Druck‑Technik

Das Institut für Materialforschung und das New Industry Creation Hatchery Center der Universität haben etwas Spitzentechnologisches erreicht. Die Forschenden haben den Prozess zur Herstellung eines leichten, aber dennoch robusten Autoteils mittels einer Multi‑Material‑3D‑Druck‑Technik demonstriert.

Source: Tohuku University

Hier müssen wir das Phänomen der Multi‑Material‑3D‑Druck‑Techniken genauer betrachten. Multi‑Material‑Strukturen, wie der Name schon sagt, kombinieren strategisch verschiedene Materialien, um die optimale Leistung einer Komponente zu erzielen. Noch wichtiger: Sie können durch 3D‑Druck hergestellt werden.

Beim Erklären des Aufkommens dieser Technik sagte der außerordentliche Professor Kenta Yamanaka von der Tohoku‑Universität:

„Multi‑Materialien sind ein heißes Thema im Bereich der additiven Fertigung wegen ihrer Prozessflexibilität.“

Er wies jedoch auch auf die Grenzen der Technologie hin. Laut ihm:

„Bei bestimmten Metallkombinationen, wie Stahl und Aluminium, können spröde intermetallische Verbindungen an den Grenzflächen entstehen. Das Material wird also leichter, aber zugleich spröder.“

Der relevanteste Aspekt dieser Forschung war, dass die Wissenschaftler versuchten, dieses Engpassproblem zu lösen, indem sie eine Stahl‑Aluminium‑Legierung entwickelten, die – trotz ihres geringen Gewichts – nicht an Festigkeit einbüßt.

Das Ziel wurde erreicht durch den Einsatz von Laser Powder Bed Fusion (L‑PBF), einer der wichtigsten Metall‑3D‑Druck‑Technologien, die einen Laser verwendet, um Metallpulver selektiv zu schmelzen. Die Forschenden stellten fest, dass eine Erhöhung der Scan‑Geschwindigkeit des Lasers die Bildung spröder intermetallischer Verbindungen (wie Al5Fe2 und Al13Fe4) signifikant unterdrücken kann. Sie vermuteten, dass diese höhere Scan‑Geschwindigkeit zu einer sogenannten Nicht‑Gleichgewichts‑Solidifikation führt, die die Lösungsmitteils‑Partitionierung minimiert und damit Schwachstellen im Material reduziert. Das endgültige Ergebnis war ein Produkt mit stark verbundenen Schnittstellen.

Zum Wert dieses in‑situ‑Legierungsmechanismus erklärte der speziell ernannte Assistenzprofessor Seungkyun Yim von der Tohoku‑Universität:

„Mit anderen Worten, man kann nicht einfach zwei Metalle zusammenklatschen und erwarten, dass sie ohne Plan haften.“

Obwohl die Ergebnisse der Tohoku‑Forscher technisch und hochfliegend klingen, haben sie große Auswirkungen auf das angewandte Feld der Automobilfertigung. Zusammengefasst konnten die Forschenden das weltweit erste vollskalige, mehrmaterialige Automobilbauteil (eine Aufhängungsturm) mit maßgeschneiderter Geometrie prototypisieren. Künftig könnten die Erkenntnisse auch andere Metallkombinationen beeinflussen, bei denen ähnliche Bindungsprobleme verbessert werden müssen.

Während diese Forschung neue Horizonte für die Automobilindustrie eröffnet, ist der Einsatz von 3D‑Druck in diesem Bereich nicht neu.

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3D‑Druck für schnellere Prototypen und neu gestaltete Komponenten oder Bauteile

Branchenexperten sagen, dass 3D‑Druck bereits zur Beschleunigung der Prototypenentwicklung, zur Neugestaltung ausgewählter Teile und Komponenten sowie zum Ersatz dieser eingesetzt wurde. Mit der Zeit hat sich die Nutzung von 3D‑Druck jedoch über den ursprünglichen Anwendungsbereich hinaus entwickelt und wird nun auch zur Fertigung von Prototypen und zur Produktion von kleinvolumigen, kundenspezifischen 3D‑gedruckten Verkleidungsteilen in einigen aktuellen Fahrzeugen verwendet.

Laut Robert Wilig, Executive Director, CEO, SME, ehemals Society of Manufacturing Engineers:

„Da die Automobilindustrie zunehmend auf leichte, hybride oder sogar elektrifizierte Fahrzeugplattformen zusteuert, passt additive Fertigung perfekt dazu, weil sie wirklich effiziente Wege zur Erstellung optimierter Designs ermöglicht.“

Statt drei einzelner Teile, wie früher oft nötig, ermöglicht 3D‑Druck heute die Optimierung des Designs zu einem einzigen Bauteil, das Material nur dort einsetzt, wo es für ein leichteres, stärkeres und flexibleres Teil nötig ist.

Laut Dallas Martin, Additive Manufacturing Engineer bei Toyota Motor North America:

„Die Integration von 3D‑Druck in die Fertigung von Werkzeugen und Vorrichtungen hat die Effizienz und Flexibilität der Produktionslinie verbessert.“

Eine Übersicht der bisherigen Forschung legt nahe, dass 3D‑Druck die Automobilindustrie revolutionieren könnte, indem Designs flexibler, Prototypen schneller und Abfallreduzierung effizienter werden. Dies könnte durch die Beibehaltung eines leichten Produktionsgewichts erreicht werden. Die Forschenden nannten diese Gründe als Treiber für die zunehmenden Investitionen der Automobilhersteller in AM‑Techniken.

Während wir in den kommenden Abschnitten einige Vorreiterunternehmen vorstellen, die in diesem Feld aktiv sind, haben Forschende weitere Chancen für AM in nachhaltigen und grünen Lösungen gesehen, insbesondere bei der Weiterentwicklung von Batteriesystemen und Elektroautos. 3D‑Druck könnte nützlich sein, um hitzebeständige Batterieführungen zu erzeugen, die die Wärmeabfuhr und Kühlung von Batterien verbessern. Zudem gilt er als vielversprechende Lösung für die Fertigung von Festkörper‑Lithiumbatterien.

In den kommenden Abschnitten werden wir Anwendungsfälle betrachten, in denen bekannte Automobilhersteller effektive Lösungen entwickeln.

1. Toyota (TM )

Im Juli 2024 wurden Berichte veröffentlicht, dass Toyota Hyper‑F Konzeptautos mit 3D‑gedruckten Teilen vorstellte. Ein Veteran in diesem Feld, Toyota, über TCD Asia (Toyota Customizing & Development) – bereits in die Produktion von Fahrzeugzubehör für verschiedene Toyota‑Modelle involviert – präsentierte ein Hochleistungs‑SUV‑Konzept mit 3D‑gedruckten Teilen und modernsten Materialien. Dies war nur durch die Zusammenarbeit mit den japanischen Unternehmen Mitsui Chemicals und ARRK Corporation möglich.

Berichten zufolge basiert das Toyota Hyper‑F Konzeptauto auf dem Toyota Fortuner, entwickelt von TCD Asia. Durch die fortschrittliche technische Expertise von Mitsui Chemicals nutzte Toyota 3D‑Druck mit Pellets, um Teile aus Kunststoffgranulat kostengünstig zu produzieren, wodurch Entwicklungszeiten und Investitionskosten reduziert wurden.

Das Unternehmen behauptete, diese 3D‑gedruckten Teile seien besonders stabil und bereit, zu großformatigen Bauteilen verarbeitet zu werden. Für das Toyota Hyper‑F Konzeptauto zieren 3D‑gedruckte Komponenten die Verkleidungen der Motorhauben‑Luftkanäle.

Vorher hatte Toyota bereits mit Solize, einem Partner für globale Produktentwicklungs‑Engineering und Anbieter von Ingenieurdienstleistungen, zusammengearbeitet, um 3D‑Ersatzteile auf Abruf zu drucken. Konkret nutzte Toyota Multi‑Jet‑Fusion‑3D‑Druck, um Lagerteile zu erzeugen, bevor sie neben traditionell hergestellten Ersatzteilen verkauft wurden. Ein weiterer globaler Technologieriese, HP, lieferte die Drucker an Toyota.

Zum Interesse der Automobilindustrie an der Nutzung von 3D‑Druck sagte Nobuki Okado, Managing Director von HP Japan:

„Tag für Tag sehen wir ein wachsendes Interesse und reifere 3D‑gedruckte Anwendungen in vielen verschiedenen Branchen weltweit, besonders in der Automobilindustrie. Führende Hersteller wie die Toyota Motor Corporation demonstrieren die Kraft von 3D‑Druck für flexibles Design, Markteinführungs‑Geschwindigkeit und nachhaltige Wirkung.“

Abgesehen von HP hat Toyota mehrere weitere Unternehmenslösungen genutzt, um ihre 3D‑Automobilangebote zu verfeinern und zu verbessern. Beispielsweise arbeitete das Unternehmen mit Materialise zusammen, um einen ultraleichten 3D‑gedruckten Autositz zu entwickeln. Es investierte in die F&E der Technologie, indem es gemeinsam mit DSM das Material Somos Taurus entwickelte, das für Automobilanwendungen ideal sein soll, weil es eine äußerst effektive Wärmeverformungs‑Temperatur von 95 °C aufweist. Das Unternehmen hat die 3D‑Druck‑Abteilung nach ihm an der University of Waterloo benannt.

Im Mai 2024 veröffentlichte die Toyota Motor Corporation ihren Geschäftsbericht 2024 für den Zeitraum vom 1. April 2023 bis zum 31. März 2024. Das Unternehmen verzeichnete einen Umsatz von 45 095 325 Millionen Yen und ein Betriebsergebnis von 5 352 934 Millionen Yen.

2. General Motors (GM )

Im Jahr 2022, vielleicht der weltweit bekannteste Automobilakteur, ging laut Berichten über Prototypen und Kleinserien‑Teile hinaus in seiner Nutzung von 3D‑Druck oder additiver Fertigung. Der größte Automobilhersteller der USA druckt kundenspezifische Werkzeuge für Anlagenbediener, wodurch deren Arbeit sicherer und produktiver wird.

Die Beziehung von General Motors zum 3D‑Druck reicht zurück bis 1989, als das Unternehmen an seinem Campus des Warren (Michigan) Tech Center nahe Detroit einen frühen 3D‑Drucker, ein Stereolithografie‑Gerät mit der Seriennummer „3“, installierte.

Laut Ali Shabbir, Engineering Group Manager bei GM für die Industrialisierung der additiven Fertigung:

„Als die Technologie, die Materialstärken und die Verfügbarkeit von Metallen wirklich Fahrt aufnahmen, sagten die Führungskräfte: ‚Wir müssen dem wirklich Aufmerksamkeit schenken, also stellen wir ein kleines Team zusammen, das erforscht, was möglich ist.‘“

2019 eröffnete GM sein Additive Innovation Lab (AIL), eine 4.000 ft² große Einrichtung im Cole Engineering Center des Global Technical Center.

Laut Ali Shabbir war dieses Labor das Kronjuwel von GMs additivem Bildungsprogramm. Es war ein DIY‑Maker‑Space und Lernzentrum, in dem Mitarbeitende lernen konnten, additive Aufbauten zu entwerfen, einzurichten und Nachbearbeitungen durchzuführen.

Unter den vielen Beispielen, bei denen GM 3D‑Druck erfolgreich in der Automobilindustrie einsetzte, stechen einige hervor. Beispielsweise druckte das Unternehmen 2020 75 % der Teile für den nicht‑produktionsfähigen Prototyp (nicht das Serienfahrzeug) des ersten 2020 Chevrolet C8 Corvette, sodass Ingenieure den finalen Montageprozess studieren und Produktionsherausforderungen identifizieren konnten.

Im selben Jahr produzierte das Unternehmen additive Teile für die Rennsaison des Corvette C8.R, INDYCAR, NASCAR Camaro und Silverado Rennteams.

2021 druckte GM in Zusammenarbeit mit GKN Additive Forecast 3D 60 000 flexible „Spoiler‑Abschlussdichtungen“, um 30 000 Chevrolet Tahoe SUVs in fünf Wochen fertigzustellen. Der herkömmliche Produktionsweg – Spritzguss – hätte bis zu 10 Wochen gedauert.

GM integrierte außerdem 3D‑gedruckte Teile, darunter zwei HVAC‑Kanäle und einen Halter für das elektrische Kabelbaum, in die Fahrzeuge Cadillac CT4‑V und CT5‑V Blackwing. Im Oktober 2022 kündigte das Unternehmen das ambitionierteste Projekt an: den 300.000 $ teuren Cadillac CELESTIQ EV, der umfangreich Metall‑Additive‑Manufacturing für maßgeschneiderte Anpassungen nutzen würde.

Laut dem Jahresbericht für das Geschäftsjahr, das am 31. Dezember 2023 endete erzielte GM einen Umsatz von 171,8 Mrd. $, einen den Aktionären zurechenbaren Nettogewinn von 10,1 Mrd. $ und ein EBIT‑adjusted von 12,4 Mrd. $.

3. Daimler Truck

Daimler Truck Holding AG ist einer der weltweit größten Hersteller von Nutzfahrzeugen. Mit über 40 Produktionsstandorten weltweit und mehr als 100.000 Mitarbeitenden bietet das Unternehmen leichte, mittlere und schwere Lkw, Stadt‑ und Fernbusse, Reisebusse und Bus‑Chassis an.

Das Unternehmen gibt an, enorm von seiner innovativen 3D‑Druck‑Technologie profitiert zu haben. Seine fast 30‑jährige Erfahrung im 3D‑Druck‑Prototypenbau wurde nun auf die Serienproduktion mit hohen Qualitätsstandards übertragen. Durch 3D‑Druck kann die Bus‑Division von Daimler schnell, flexibel, wirtschaftlich und umweltfreundlich auf dringende Kundenanforderungen reagieren, einschließlich der Produktion spezieller Komponenten wie Abdeckungen, Griffen und einer Vielzahl individueller Halterungen.

Daimlers „Centre of Competence for 3D Printing“ begann 2019, über 300.000 aktuelle Bus‑Ersatzteile im Detail auf ihre Eignung als 3D‑gedruckte Teile zu prüfen. Das Unternehmen verfügt inzwischen über eine vollwertige Additive Manufacturing Solutions‑Abteilung, die zu einer Reduktion der Beschaffungszeit um bis zu 80 % führte, über 7.000 potenzielle 3D‑Druck‑Komponenten identifizierte und ein Portfolio von über 400 genehmigten Ersatzteilen entwickelte, die 3D‑gedruckt werden können.

Laut Ralf Anderhofstadt, Leiter des Centre of Competence for Additive Manufacturing, Printing Shop & Media bei Daimler Buses, haben die Aktivitäten des Unternehmens im Bereich der additiven Fertigung gezeigt, dass das „immense potential of the technology along the entire value chain has become evident step by step.“ „Wie Ralf sieht, reichen die Chancen für Daimlers Geschäft sowie für seine Kunden von Einsparpotenzialen bis hin zu neuen Geschäftsmodellen.“

Im Jahr 2023 meldete Daimler Truck einen Umsatz von 55 890 Millionen Euro, ein signifikanter Anstieg gegenüber den 50 945 Millionen Euro im Jahr 2022.

Ausblick

Die Meinung ist nach wie vor gespalten, ob 3D‑Druck die Automobilfertigung in Zukunft vollständig übernehmen wird. Laut Robert Willig, Executive Director, CEO, SME, ehemals Society of Manufacturing Engineers, könnte es keine „gigantische Fabrik geben, die nur aus Druckern besteht.“

Jedoch sagte Luke Czinger, Mitbegründer und COO von Divergent Technologies, das derzeit mit sechs Automobilherstellern, darunter Mercedes‑Benz, Aston Martin, Bugatti und McLaren, zusammenarbeitet: 3D‑Druck, vor allem für Aufhängungs‑ und Verstärkungs‑Komponenten, kann die Leistung von Elektrofahrzeugen verbessern.

„Die EV‑Story ist überzeugend für die Reichweite. Wenn Sie 20 % bis 30 % Masse an Ihrer Fahrgestellstruktur einsparen können, können Sie entweder die Reichweite erhöhen oder die Pack‑Größe verkleinern. Für diese kostengünstigeren EVs ist das wirklich bedeutsam für die Rentabilität des Geschäfts. Außerdem gibt es den Nachhaltigkeitsaspekt. Wenn Sie ein leichteres Fahrzeug bauen, haben Sie weniger Reifenverschleiß, aber Sie verbrauchen auch weniger Aluminium und erzeugen weniger CO₂ im Fertigungsprozess.“

‑ Czinger

Forscher glauben, dass die Stärke des 3D‑Drucks in der Automobilherstellung darin liegt, überschüssiges Material und damit unnötigen Abfall zu eliminieren sowie lange Transportwege und Lagerflächen zu vermeiden, wodurch die Umweltauswirkungen erheblich reduziert werden.

Zusammengefasst ist es ein vielversprechendes, nachhaltiges Fertigungsverfahren. Allerdings muss es einige Engpässe überwinden, um wirklich erfolgreich zu sein. Beispielsweise muss die Kontrolle der Produktqualität gesichert werden. Es muss die Notwendigkeit übermäßiger Nachbearbeitung eliminiert, das Produktionsvolumen gesteigert und der Mangel an Standards behoben werden.

Für die erfolgreiche Anwendung von 3D‑Druck in der Automobilindustrie sind standardisierte Prozesse und Materialien erforderlich. Das Fehlen universeller Standards könnte die Interoperabilität zwischen verschiedenen 3D‑Druckern und Software behindern, sodass es schwierig wird, bei identischen Prozessparametern dieselbe Leistung zu erzielen.

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