Das Herzstück des Automobilbauers Ford am europäischen Markt ist sein Werk in Köln, das vor allem für die Montage des Ford Fiesta bekannt ist. Neben dem Werk befindet sich in Köln-Merkenich ein Entwicklungszentrum, in dem alle Pkw für den europäischen Markt von Grund auf konzipiert werden. Ein Blick in das Rapid Technology Center zeigt, neben einer breiten Palette an subtraktiven Fertigungsmaschinen, SLA- und SLS-3D-Drucker von Formlabs. Diese sind maßgeblich an der Erstellung von Prototypen für die Produktentwicklung beteiligt. Und tragen so dazu bei, das Unternehmen wettbewerbsfähig zu halten.
Inhaltsverzeichnis
1. Die richtigen Werkzeuge für Automobil-Prototypen in Originalgröße
2. Entwicklung von Designprototypen mit SLA-3D-Druck
3. Prüfung mechanischer Teile mit SLS-3D-Druck
4. Betriebsinterner Spritzguss mit 3D-gedruckten Formeinsätzen
5. Über Ford
„Das Prototyping ist im Entwicklungsprozess sehr wichtig. Es gibt dem Ingenieur die Möglichkeit, seinen Entwurf zu überprüfen“, sagt Sandro Piroddi, Supervisor des Rapid Technology Center bei Ford. „Wenn man ein Spritzgusswerkzeug oder Produktionswerkzeug später nacharbeiten müsste, ist das sehr teuer. Das ist sehr zeitaufwendig, sodass es im schlimmsten Fall zu Produktionsausfällen kommen kann. Durch Prototyping und die Ausnutzung aller verfügbaren Technologien kann das vermieden werden.“
Die richtigen Werkzeuge für Automobil-Prototypen in Originalgröße
Die Herstellung von Fahrzeugprototypen in Originalgröße erfordert eine breite Palette von Werkzeugen. Das Rapid Technology Center ist eine weitläufige Anlage, die mit den modernsten Fertigungsmethoden ausgestattet ist: Es verfügt über eigene Spritzgussmaschinen, Umformwerkzeuge und eine breite Palette an subtraktiven Fertigungswerkzeugen, wie Fräsmaschinen, die selbst die größten Fahrgestellteile bearbeiten können. Natürlich darf jedoch auch die additive Fertigung nicht fehlen.
Bild: Formlabs
Das PD Merkenich genannte Entwicklungszentrum war 1994 die erste Werkstatt in Europa, die den Stereolithografie-3D-Druck (SLA) integrierte, und hat seine Flotte seitdem auf eine Reihe von Polymer-3D-Druckern der Technologien FDM (Fused Deposition Modeling oder Schmelzschichtung), SLA und SLS (Selektives Lasersintern) sowie auf den 3D-Druck von Metall erweitert. Nachdem die ersten Konzeptmodelle noch aus Ton entwickelt wurden, wird es mit fortschreitender Produktentwicklung und der Annäherung der einzelnen Komponenten an die endgültige Form immer wichtiger, sowohl Form als auch Funktion mit möglichst produktionsnahen Materialien und Verfahren testen zu können.
„Additive Fertigung macht einen im Vergleich zur Konkurrenz viel wettbewerbsfähiger.“
– Sandro Piroddi, Ford
„Für den Entwicklungsprozess ist die additive Fertigung sehr wichtig. Sie verleiht uns die Möglichkeit, Teile sehr schnell und effizient zu produzieren und die Kosten zu senken. Außerdem ist man in der Lage, kurzfristig zu reagieren“, so Piroddi. Wenn man sich die Entwicklung in Richtung Elektrifizierung ansähe, würden die Entwicklungszeiten immer kürzer. Das bedeute, dass immer weniger Zeit für die Entwicklung und die Validierung von Fahrzeugteilen zur Verfügung steht, weshalb es entscheidend sei, diese Technologie im Entwicklungsprozess dabei zu haben. Piroddi: „Das macht einen im Vergleich zur Konkurrenz viel wettbewerbsfähiger.“
Aufgrund der immer kürzer werdenden Entwicklungszeiten strebt das Rapid Technology Center ständig nach Optimierung durch additive Fertigung, um die Fertigstellung von Komponenten zu beschleunigen.
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Entwicklung von Designprototypen mit SLA-3D-Druck
SLA-3D-Drucker werden hauptsächlich für die Herstellung von Designprototypen verwendet, die eine gute Oberflächenqualität erfordern und für schnelle Iterationen schnell bereitstehen müssen. Der erste Formlabs-Drucker von PD Merkenich war ein Form 2, doch das Team stockte seine Flotte schnell auf mehrere Desktop-Geräte und einen großformatigen SLA-Drucker vom Typ Form 3L auf. Ford gehörte kürzlich außerdem zu den ersten Unternehmen, die den Form 4 testen konnten – den neuen MSLA-3D-Drucker von Formlabs.
„Der Form 4 ist sehr schnell, meiner Meinung nach der beste MSLA-3D-Drucker, den ich bisher gesehen habe, was die Geschwindigkeit angeht“, sagt Bruno Alves, Experte für additive Fertigung und Spezialist für Werkzeugbau bei Ford. „Er ist wirklich ein sehr gutes Upgrade im Vergleich zu den Vorgängermodellen. Er ist einfacher zu bedienen, sodass die Mitarbeiter in unserer Werkstatt den Umgang mit der Maschine viel leichter lernen und problemlos Teile in guter Qualität erhalten“, sagt Alves.
Bild: Formlabs
„Die Arbeit mit dem Form 4 ist ein echter Wendepunkt. Die Geschwindigkeit des 3D-Druckers wird unseren Arbeitsablauf umgestalten. Wir können mehr Teile liefern, der Durchsatz ist höher. Wir sind viel flexibler gegenüber kurzfristigen Anfragen. Mit dem Form 4 bekommen wir sie gleich erledigt,“ sagt Piroddi.
„Vor einigen Jahren dauerte es noch Tage, jetzt drucken wir Teile in wenigen Minuten. Unsere Ingenieure brauchen nicht zu zögern, neue Entwürfe und Iterationen zu erstellen, weil sie wissen, dass sie die Teile jetzt sehr schnell bekommen“, fügt Alves hinzu. Dank der hohen Druckgeschwindigkeit kann das RTC-Team jetzt mehr Anfragen in weniger als 24 Stunden bearbeiten – sogar solche aus Großbritannien, wohin die Teile schnell über Nacht versandt werden können.
Für den neuen Explorer, das erste Elektroauto für den europäischen Markt, das vor Kurzem im Kölner Montagewerk in die Serienproduktion ging, nutzte das Team den SLA-3D-Druck zur Validierung des Designs zahlreicher Außen- und Innenkomponenten. „Der Form 3L ermöglicht es uns, große Teile zu drucken, zum Beispiel Karosserieteile für das Fahrzeug. Diese Spiegelkappe haben wir zwecks Designvalidierung gedruckt. Dafür eignet sich der 3D-Druck gut, weil er schnell ist und wir im Vergleich zu Teilen aus der Massenproduktion eine sehr gute Qualität erzielen können“, so Alves.
Prüfung mechanischer Teile mit SLS-3D-Druck
Die Werkstatt verfügt auch über eine große Zahl von SLS-3D-Druckern, die für die Prüfung mechanischer Teile verwendet werden. „Wir versuchen immer, Materialien zu testen und zu validieren, die den in der Massenproduktion verwendeten Materialien möglichst ähnlich sind. Der Fuse 1+ druckt mit PA 12 [Nylon]. Solche Bauteile kommen Spritzgussteilen aus der Massenproduktion sehr nahe“, erklärt Alves.
Das Team verfügt betriebsintern zwar auch über großformatige SLS-3D-Drucker, mit denen große Karosserieteile gedruckt werden können, aber für alle Teile, die in das Fertigungsvolumen des Fuse 1+ 30W passen, wird dieser bevorzugt eingesetzt. „Der Fuse 1+ ist viel schneller als die Konkurrenz. Auch für unsere Mitarbeiter ist die Bedienung der Maschine sehr einfach. Letztendlich steht für uns an erster Stelle, dass wir die Teile schneller liefern können,“ fasst Alves zusammen.
Das Team war außerdem einer der Betatester für die automatisierte Reinigungs- und Polierlösung Fuse Blast, die den SLS-Workflow vervollständigt und die Nachbearbeitung vereinfacht. „Der Blast beschleunigt unseren Prozess enorm, weil die Teile jetzt nicht mehr manuell gereinigt werden müssen. Man legt sie einfach in die Box und startet die Maschine. Früher haben wir das von Hand gemacht, und das war sehr zeitaufwendig. Jetzt können unsere Mitarbeiter in dieser Zeit andere Dinge tun, und wir beschleunigen somit unseren Prozess“, so Alves.
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Das selbststützende Verfahren des SLS-3D-Drucks erleichtert die Herstellung komplexer Designs. Für den neuen Explorer verwendete das Team den Fuse 1+ 30W zur Herstellung verschiedener mechanischer Teile und Baugruppen. „Für diesen Ladedeckel war SLS unerlässlich, da wir ein funktionsfähiges Teil brauchten, mit dem wir die Mechanismen testen konnten. Es ist ein wirklich komplexes Design, das wir auf andere Weise nicht herstellen können. Wir können so ein Teil nicht fräsen. Wir können für die Herstellung von ein paar Mustern keinen Spritzguss verwenden. Die beste Lösung ist also der 3D-Druck mit einem Material, das wir physisch testen können“, erklärt Alves.
Betriebsinterner Spritzguss mit 3D-gedruckten Formeinsätzen
Dass verschiedene Technologien intern zur Verfügung stehen, erlaubt es dem Rapid Technology Center auch, hybride Arbeitsabläufe zu schaffen – zum Beispiel durch die Kombination traditioneller Fertigungsverfahren mit 3D-gedrucktem Rapid Tooling. Je nach Anwendungszweck kann das Team das am besten geeignete Produktionsverfahren und Material auswählen, um Kosten, Geschwindigkeit und Gesamteffizienz des Workflows zu optimieren. Für Crashtests beispielsweise müssen die Komponenten aus demselben Material und mit demselben Verfahren hergestellt werden wie in der Massenproduktion. Bei Kunststoffteilen ist dies in der Regel das Spritzgießen, ein Verfahren, das traditionell kostspielige und zeitaufwendige Metallwerkzeuge erfordert.
Bild: Farmlabs
„Wir sehen ein großes Potenzial in der Verwendung von 3D-gedruckten Einsätzen für den Spritzguss, weil wir das Design sehr schnell iterieren können. Wir drucken die Kavitäten, die wir dann im Werkzeug auswechseln, um die Teile zu formen“, so Alves. Für den neuen Explorer produzierte das Team Gummikomponenten für die Türgriffbaugruppe mithilfe von 3D-gedruckten Formeinsätzen in der internen Spritzgießmaschine.
„Das war ein komplexer Prozess, weil wir mehrere Einsätze benutzen und es auch mehrere verschiedene Designs gibt, die jeweils mehrere Iterationen haben können. Das externe Spritzgießen dauert normalerweise etwa zwei bis drei Monate. Intern können wir den Prozess mithilfe additiver Fertigung auf vielleicht zwei, maximal drei Wochen beschleunigen. Hätten wir für dieses Projekt externe Werkzeuge verwenden müssen, wäre es viel zeitaufwendiger gewesen und wir hätten die Teile nicht rechtzeitig bereitstellen können“, so Alves.
Bild: Formlabs
Fords Bestreben, bis zum Jahr 2030 seine komplette Produktpalette auf Elektrik umzustellen, legt dem Entwicklungszentrum in Merkenich einen ehrgeizigen Zeitplan vor. Um die notwendigen Meilensteine zu erreichen, muss das Unternehmen sich hochmoderne Technologien zunutze machen und neue, innovative Arbeitsabläufe ausprobieren. Sich seine Stellung auf dem Markt zu sichern, bedeutet, Grenzen zu überschreiten und neue Materialien, Prozesse und Maschinen zu integrieren, wie betriebsintern gefertigte Werkzeuge und 3D-Druck.
„Unsere Mitstreiter beschleunigen den Entwicklungsprozess. Auch wir müssen schneller werden. Die Lösung besteht also darin, neue Materialien, neue Verfahren und neue Maschinen zu testen, die auf den Markt kommen. Hätten wir nicht bereits Zugang zur additiven Fertigung, könnten wir nicht mit der Konkurrenz mithalten und wären nicht schnell genug. Der 3D-Druck macht es uns möglich, in kürzerer Zeit das beste Produkt für unsere Kunden zu entwickeln“, fasst Alves zusammen. (eve)
Über Ford
Die Ford Motor Company ist der sechstgrößte Automobilhersteller der Welt, produziert über 4 Millionen Fahrzeuge pro Jahr und beschäftigt weltweit über 175.000 Mitarbeitende. Das Herzstück des europäischen Geschäfts ist das 1930 gegründete Ford-Werk in Köln, das vor allem für die Montage des Ford Fiesta bekannt ist.
Ford nimmt, nach eigenen Angaben, im Bereich Elektrofahrzeuge eine Vorreiterstellung ein, ähnlich wie bei der Produktion des Modell T und der Einführung des Fließbandes vor über 100 Jahren. Jetzt plant das Unternehmen, in Europa bis 2030 ausschließlich Elektrofahrzeuge zu verkaufen.
Neben dem Werk in Köln befindet sich in Köln-Merkenich ein Entwicklungszentrum, in dem alle Pkw für den europäischen Markt von Grund auf konzipiert werden. Dazu gehören erfolgreiche Modelle wie der Fiesta, der Focus, der Kuga und jetzt auch der vollelektrische Explorer, das erste Elektroauto für den europäischen Markt, das vor Kurzem im Kölner Montagewerk in die Serienproduktion ging. Das Team unterstützt außerdem die Entwicklung von Nutzfahrzeugen und arbeitet dabei mit dem Dunton Technical Centre von Ford in Großbritannien zusammen.
