Eine gemeinsame Vision geht nach Jahren der Forschung und Optimierung live: voxeljet und Loramendi präsentieren auf der diesjährigen Giesserei-Fachmesse GIFA ihr Leuchtturmprojekt für das BMW Group Werk Landshut. Im Rahmen ihres Kooperationsprojektes ICP (Industrialization of Core Printing) haben sie ein Verfahren samt vollautomatischer und integrierter Fertigungslinie zur anorganischen Großserienproduktion von Sandkernen mittels 3D-Druck entwickelt.

Durch den 3D-Druck zur Herstellung von Wassermantelkernen kann die Konstruktion des Zylinderkopfes für den BMW B48-Motor deutlich verbessert werden. Der anorganische Prozess schont die Umwelt und verbessert so auch die Arbeitsbedingung, da beim Abguss lediglich Wasserdampf entsteht. Gleichzeitig können die Effizienz und der Verbrauch des Motors durch das komplexe und Design der Kerne optimiert werden. Keine andere Technologie ermöglicht es, ein derart komplexes Element so (kosten-)effizient in Serie zu produzieren. Statt komplexer Einzelteile kann der Automobil-Hersteller den Kern nun vollständig im 3D-Druck herstellen. Die ICP-Fertigungslinie automatisiert und optimiert den einst manuellen und mühsamen Prozess komplett. Fünf voxeljet VX1300-X 3D-Drucker produzieren im Binder-Jetting-Verfahren nun wöchentlich vollautomatisch tausende Kerne. Diese werden anschließend in eigens von Loramendi entwickelten Entpackstationen, Mikrowellen und Reinigungszellen, entpackt sowie gehärtet und gesäubert und für den Abguss vorbereitet.

„In unserer Vision ist die vollautomatische Fertigungslinie der Standard, den wir erreichen wollen: Vier Jahre haben wir gemeinsam kreativ, mutig, innovativ und nachhaltig zusammengearbeitet. Das ICP-Projekt ist ein Meilenstein für uns und für die Automobilindustrie“, hebt Dr. Ingo Ederer, voxeljet-Gründer und CEO, hervor.

Der VX1300-X 3D-Drucker ist ein auf die additive Massenfertigung ausgelegter 3D-Drucker. Eine höchst leistungsfähige Prozesseinheit ermöglicht bidirektionales Beschichten und gleichzeitiges Bedrucken des Baufeldes. Damit erreicht der VX1300-X beispiellos kurze Schichtzeiten und hohe Output-Volumina. Auch im Mehrschichtbetrieb und Dauereinsatz, das macht ihn ideal für die Serienproduktion. Mit einer vollautomatisierten Nachbearbeitungszelle werden die komplexen Sandkerne für den Metallguss vorbereitet und in den bestehenden Gussprozess integriert. Der werkzeuglose Aufbau der Sandkerne ermöglicht Variantenwechsel in konkurrenzloser Geschwindigkeit. Ganz ohne aufwändigen Werkzeugwechsel und Ruhezeiten der Produktion.

voxeljet präsentiert auf der GIFA weitere Innovationen wie einen völlig neuartigen Bootspropeller. Für Sharrow Marine LLC in Detroit fertigt das Unternehmen aus Friedberg PMMA 3D-Druck-Modelle für den preisgekrönten Bootspropeller Sharrow MX-1. Dieser ist effizienter, schneller und vor allem deutlich leiser als andere Propeller. 3D-gedruckte PMMA-Modelle von voxeljet in Kombination mit metallischem Feinguss ermöglichen ein Design, das konventionelle Fertigungstechnologien an ihre Grenzen bringt und nur dank additiver Fertigung möglich ist.

Im Rahmen des Forschungsvorhabens „ULAS-E-VAN“ („UltraLeichte AufbauStruktur eines Elektrischen VANs“) entwickeln neun Partner Leichtbaulösungen für die Karosseriestruktur und ein modulares Batterieträgersystem von batterie-elektrisch betriebenen leichten Nutzfahrzeugen (Nfz, Klasse N1 – Ford Transit – BEV). Das Forschungsprojekt koordiniert Ford mit einem Gesamtvolumen von 5,8 Millionen Euro, gefördert durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK). Die Projektpartner sind Altair Engineering GmbH, BENTLER Automobiltechnik GmbH, C-TEC GmbH, Ford-Werke GmbH, Franken Guss GmbH + Co. KG, MORPHOTEC, RWTH Aachen University, Lehrstuhl und Institut für Strukturmechanik und Leichtbau (SLA), RWTH Aachen University, Institut für Kraftfahrzeuge (ika), und voxeljet AG.

Wird ein leichtes Nutzfahrzeug mit einem E-Antrieb versehen, erhöht sich das Leergewicht durch das hohe Batteriegewicht und die mögliche Nutzlast schrumpft. Um dem entgegenzuwirken, ist es zwingend erforderlich, das Gewicht, speziell bei batteriebetriebenen Lieferfahrzeugen, durch Leichtbaumaßnahmen entscheidend zu reduzieren. Leichtbau ermöglicht die Reichweite zu erhöhen, aber auch bei unveränderter Reichweite die Batteriegröße, das Sekundärgewicht und somit die Batteriekosten zu reduzieren. Allerdings ist im angestrebten Sektor der E-Nutzfahrzeuge die Notwendigkeit eines kostengünstigen Leichtbaus aufgrund der hohen Kostensensibilität des potenziellen Kundenkreises und der relativ geringen Stückzahlen nochmals verschärft.

Hier setzt das Projekt an. Das Konsortium zielt darauf ab, Ultra-Leichtbaulösungen für die Karosserie- und Aufbaustruktur derartiger, batterie-elektrisch betriebener leichter Nutzfahrzeuge mit Hilfe moderner CAE-Methoden wie „Simulation-Driven-Design“ und innovativen Fertigungsmethoden zu entwickeln. Dabei finden neben einem speziellen 3D-Druckverfahren – dem 3D-Sand-Form-Drucken – für die Herstellung von Formen für den Eisengussprozess auch großflächige, strukturelle Kunststoffteile Anwendung.

Konstruktiv soll eine Aufbaustruktur in Spanten-Stringer-Bauweise ausgelegt und damit die im Flugzeugbau bewährte Bauweise in den leichten Nutzfahrzeugbau mit höheren Produktionszahlen pro Jahr übertragen werden. Die Spanten sollen dabei möglichst einteilig und bionisch-optimiert konstruiert werden. Die Außenhaut wird durch vorgefertigte Kunststoffpaneele gebildet, die mit der Tragstruktur lasttragend verbunden sind. Im Unterboden soll ein lasttragendes, ultra-leichtes, skalierbares und modulares Batterieträgersystem integriert werden, welches die Karosseriestruktur in Hinsicht auf Steifigkeit, Dauerfestigkeit und Crash funktionell unterstützt. Die eingesetzten Technologien sollen eine Gewichtseinsparung in der Größenordnung von bis zu 150 kg auf Gesamtfahrzeugebene erreichen und somit eine erhöhte Reichweite bzw. Zuladung ermöglichen.

Unternehmen fehlen häufig der Zugang zu prozessspezifischem Know-how, das Equipment sowie die interdisziplinären Fähigkeiten und Ressourcen, um eigene Materialforschung und Technologieoptimierung zu betreiben. Das HSS Material Network schließt diese Lücke. Es bietet Unternehmen eine flexible und risikoarme Outsourcing-Option, das für ihre additiv gefertigte Anwendung beste Material einschließlich der geeigneten Prozessparameter zu identifizieren. „Mit der gebündelten Kompetenz und Expertise in unserem Netzwerk können wir Unternehmen jeder Größe bei ihren Projekten im Bereich der additiven Fertigung optimal unterstützen, angefangen von der ersten Eignungsprüfung, über eine spezifische Entwicklung und Parametrisierung bis hin zur Zertifizierung oder marktreifen Qualifizierung des Materials“, sagt Tobias Grün, Produktmanager bei voxeljet.

Die Kooperation bildete sich aus dem Campus Additive.Innovationen (CA.I) der Universität Bayreuth heraus, an welchem auch das Fraunhofer‐Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA beteiligt ist. Der CA.I verfügt über mehr als 20 verschiedene additive Fertigungsanlagen, darunter eine VX200 HSS von voxeljet. „Alle Forschungsanlagen im CA.I verfügen über offene Soft- und Hardware-Schnittstellen und ermöglichen eine individuelle Einstellung aller Prozessparameter, eine freie Programmierung der Prozessschritte sowie hohe Skalierbarkeit. Solche Anlagen eignen sich ideal um Fertigungsprozess und Material aufeinander abzustimmen“, so Jan Kemnitzer, Gruppenleiter beim Fraunhofer IPA. Durch die Zusammenarbeit und den offenen Austausch der Netzwerkpartner ist das HSS Material Network in der Lage, die Entwicklung neuer Materialien effektiv zu beschleunigen. Unternehmen erhalten eine anwendungsorientierte Lösung, die speziell auf ihre Bedürfnisse abgestimmt ist, und schnell erste Ergebnisse für eine potentielle Qualifizierung liefert. Weitere Pluspunkte sind die hohe Flexibilität in der Pulverauswahl und Optionen zur Skalierung für Produktionseinsätze verarbeitbarer Materialien.

Nach intensiver Forschungsarbeit konnte das Netzwerk nun zwei bedeutende „Proof of Concepts“ für die beiden Werkstoffe HDPE und iglidur® i3 PL erzielen. Das „Proof of Concept“ für HDPE erfolgte aus dem HDPE-Pulver DiaPow HDPE HX 11, das die Diamond Plastics GmbH für das Lasersintern entwickelt hat. HDPE ist ein Polyethylen mit hoher Dichte, wasserabweisender Wirkung und sehr guter Beständigkeit gegenüber Chemikalien und Fetten. Anwendung findet es beispielsweise in der Herstellung von Produkten für die Lebensmittel- und Verpackungsindustrie. Die von der Projektgruppe Prozessinnovation des Fraunhofer IPA und dem Lehrstuhl Umweltgerechte Produktionstechnik der Universität Bayreuth durchgeführte Prozessfähigkeitsanalyse und erste Parametrisierung weist dem HDPE-Pulver eine sehr gute Verarbeitbarkeit im HSS nach. Die Verarbeitung von HDPE via HSS bietet gegenüber anderen additiven Fertigungsverfahren, wie etwa laserbasierten Prozesstechnologien, einige Vorteile, darunter geringere thermische Belastungen des Materials und Erhalt der bewährten mechanischen Eigenschaften von HDPE. Außerdem ist HDPE ein weitverbreiteter Massenkunststoff, der in der Herstellung wesentlich günstiger ist als PA12 oder PA11. Schließich sorgt die Herstellung von HDPE in Europa für sichere Lieferketten und -zeiten.

Das zweite erfolgreiche „Proof of Concept“ betrifft das Material iglidur® i3. Die igus® GmbH hat das Kunststoffpulver speziell für die Fertigung von Gleitanwendungen und Zahnrädern via den additiven Fertigungsverfahren des Powder Bed Fusion of Polymer (PBF-P), beispielsweise dem Lasersintern (LS), entwickelt. Die Besonderheit von iglidur® i3 PL ist die Additivierung des Pulvers mit Festschmierstoffen. Die daraus gefertigten Bauteile weisen eine sehr hohe Abriebfestigkeit und eine bis zu 30-fach höhere Verschleißfestigkeit als Bauteile aus anderen marktüblichen Kunststoffpulvern auf. Die von der Fraunhofer-Projektgruppe Prozessinnovation des Fraunhofer IPA und dem Lehrstuhl Umweltgerechte Produktionstechnik der Universität Bayreuth im Rahmen des „Proof of Concept“ im HSS gefertigten Gleitlager und Zahnräder weisen sehr gute tribologische und mechanische Eigenschaften auf, die eine weitere Optimierung des Polymerpulvers spezifisch für den HSS-Prozess sowie eine Vollqualifizierung durchaus interessant machen. Zudem besitzt HSS dank seiner Open-Source Konzeption die Möglichkeit, Bauteileigenschaften prozessseitig gezielt einzustellen.

Um das Portfolio an geprüften Materialien für das HSS und damit einhergehend das Know-how stetig zu vergrößern, sind interessierte Unternehmen willkommen, sich dem Netzwerk anzuschließen.

TPU zählt neben dem Standard-Polymer PA12 zu den immer stärker nachgefragten Polymeren im 3D-Polymerdruck. Mit seinen dämpfenden Eigenschaften hat sich das thermoplastische Material seit Jahrzehnten bei der Herstellung von Schuhsohlen bewährt, es bietet Aufprallschutz und kommt branchenübergreifend immer mehr zur Anwendung: im kunststoffverarbeitenden Gewerbe, in der Automobil- und Konsumgüterindustrie, der Luft- und Raumfahrt sowie im Engineering-Bereich.

Bei der Herstellung von Polymerbauteilen macht sich voxeljet die speziellen Materialgegebenheiten von TPU in Verbindung mit dem HSS-Verfahren zunutze: TPU kann sehr weich und elastisch oder aber sehr hart und ausdauernd sein. Diese Eigenschaften lassen sich mit Hilfe der HSS-Technologie gezielt in alle drei Dimensionen beeinflussen. Beim High Speed Sintering wird eine feine Schicht Polymerpulver auf eine beheizte Bauplattform aufgetragen und die Bereiche des Bauteils anschließend mit einer wärmeabsorbierenden Tinte benetzt. Mittels Infrarotlicht verschmelzen die bedruckten Bereiche des Kunststoffpulvers, unbedrucktes Material verbleibt lose. Schicht um Schicht wird das Polymer aufgetragen, bedruckt und belichtet, bis der Aufbau des Bauteiles abgeschlossen ist. Wie weich oder fest das Bauteil ist, hängt vom eingebrachten Volumen der infrarotabsorbierenden Tinte ab. Je stärker ein Baufeldbereich eingefärbt wird, desto fester ist das Bauteil. Durch den Einsatz industrieller Tintenstrahldruckköpfe lassen sich entsprechend verschiedene Graustufen innerhalb einer Schicht drucken und somit unterschiedliche Produkteigenschaften je Schicht realisieren. Neben diesem Graustufendruck ist die Festigkeit eines Bauteils auch über die Geometrie beeinflussbar. Über Gitterstrukturen mit unterschiedlichen Wandstärken werden Geometrien gedruckt, die sich an individuelle Belastungsprofile anpassen lassen, um zusätzliches Material einzusparen.

„Durch das HSS-Verfahren in Verbindung mit dem TPU-Material können wir ein an sich hartes, hochbelastbares Bauteil mit weichen Eigenschaften versehen. Das eröffnet völlig neue und sehr individuelle Anwendungsmöglichkeiten des 3D-Drucks für Kunststoffbauteile“, sagt Tobias Grün, Produktmanager voxeljet AG. Mit dem HSS-Druckprozess hergestellte TPU-Bauteile verfügen über eine langfristige Dauerelastizität und hervorragende Rückpralleigenschaften. Tests haben gezeigt, dass dieses Verfahren im Vergleich zum Selektiven Lasersintern (SLS) mit TPUs anderer Hersteller als Covestro bessere Werte bei der Dauerelastizität erreicht. Der erfolgreich durchlaufene Cytotox-Test bestätigt zudem, dass es bei Hautkontakt mit dem Material zu keinen Schädigungen von Zellen und Gewebe kommt. Außerdem treten keine Verfärbungen der Bauteile auf. „Mit dem HSS-Verfahren können wir individualisierte Polymerteile On-Demand in hoher Qualität und Geschwindigkeit vergleichsweise kostengünstig anfertigen. High Speed Sintering ist durch die Verwendung von großformatigen Druckköpfen eine wirtschaftliche, effiziente und ressourcenschonende Lösung. Das Verfahren bietet enormes Potential für zukunftsweisende Produkte“, so Tobias Grün.

Das für das HSS-Verfahren qualifizierte TPU hat voxeljet gemeinsam mit dem Materialhersteller Covestro auf den Weg gebracht. „Durch die enge Zusammenarbeit von Material- und Maschinenhersteller konnten wir unser gemeinsames Know-how bündeln, die Bauteilqualität und den 3D-Druckprozess aufeinander abstimmen und optimieren“, erklärt Tobias Grün. Mit der Zusammenarbeit wollen die beiden Unternehmen integrierte Material- und Prozesslösungen für die wirtschaftliche additive Großserienfertigung von Polymerbauteilen entwickeln.

Diese Pressemitteilung enthält zukunftsgerichtete Aussagen über unser Geschäft, unseren Betrieb und unsere finanzielle Leistung. Alle Aussagen, die sich nicht auf historische Fakten beziehen, können als zukunftsgerichtete Aussagen betrachtet werden. Sie können diese zukunftsgerichteten Aussagen an Worten wie „glaubt“, „schätzt“, „geht davon aus“, „erwartet“, „projiziert“, „plant“, „beabsichtigt“, „kann“, „könnte“, „könnte“, „wird“, „sollte“, „zielt“ oder anderen ähnlichen Ausdrücken erkennen, die die Unsicherheit zukünftiger Ereignisse oder Ergebnisse zum Ausdruck bringen. Zukunftsgerichtete Aussagen beinhalten Aussagen über unsere Absichten, Überzeugungen, Annahmen, Prognosen, Aussichten, Analysen oder aktuellen Erwartungen, unter anderem in Bezug auf den geplanten Zeitplan und den erfolgreichen Abschluss der Sale-Leaseback-Transaktion, unsere Betriebsergebnisse, unsere Finanzlage und Geschäftsaussichten, die Branche, in der wir tätig sind, und die Trends, die sich auf die Branche oder uns auswirken könnten. Obwohl wir davon ausgehen, dass wir über eine angemessene Grundlage für jede in dieser Pressemitteilung enthaltene zukunftsgerichtete Aussage verfügen, weisen wir Sie darauf hin, dass zukunftsgerichtete Aussagen keine Garantie für zukünftige Leistungen sind. Alle unsere zukunftsgerichteten Aussagen unterliegen bekannten und unbekannten Risiken, Ungewissheiten und anderen Faktoren, die sich in einigen Fällen unserer Kontrolle entziehen und dazu führen können, dass unsere tatsächlichen Ergebnisse erheblich von unseren Erwartungen abweichen, einschließlich der Risiken, die unter der Überschrift „Risk Factors“ im Jahresbericht des Unternehmens auf Formular 20-F und in anderen Berichten, die das Unternehmen bei der U.S. Securities and Exchange Commission einreicht, aufgeführt sind. Sofern nicht gesetzlich vorgeschrieben, ist das Unternehmen nicht verpflichtet, zukunftsgerichtete Aussagen aus irgendeinem Grund nach dem Datum dieser Pressemitteilung zu aktualisieren, sei es aufgrund neuer Informationen, zukünftiger Ereignisse oder aus anderen Gründen.

Ziel des HSS Beta Programmes ist es, die Eigenschaften und Fähigkeiten der VX1000 HSS in einem umfangreichen, für den Einsatz in industriellen Produktionsumgebungen zusammengestelltem Programm zu testen. Nach einer gemeinsamen dreimonatigen Entwicklungs- und Preset-Phase im voxeljet Hauptsitz nahe München wird das System ins Brose Kompetenzzentrum für Additive Technik nach Coburg verlagert, in die Produktionsumgebung integriert und auf kundenspezifische Applikationen optimiert.

„Wir haben uns aus zwei Gründen für die VX1000 HSS entschieden: Zum einen bietet uns diese Technologie eine einzigartige Produktivität. Der steigende Trend zu immer komplexeren Bauteilen mit materialsparenden Gitterstrukturen, losgelöst von der Packdichte im Bauraum, wird im HSS Prozess im Vergleich zu laserbasierten Technologien in einer konstant schnellen Druckzeit umgesetzt. Wir können mit möglichen Bauteilgrößen von bis zu 1.000 x 540 x 180 mm zum Beispiel ganze Türmodule an einem Stück drucken. Zum anderen war ein ausschlaggebender Faktor, dass sowohl Prozess und Materialien offen sind. Neben der initialen PA12-Konfiguration können wir auf dem System auch Materialien testen und qualifizieren, die sich aktuell etwa mit SLS-Verfahren nicht verarbeiten lassen“, erklärt Christian Kleylein, Additive Technik bei Brose.

Neben der Produktion von Prototypen und Vorserien plant Brose die VX1000 HSS auch für die Serienproduktion zu implementieren. Insbesondere sogenannte „End of Life“-Bauteile nimmt das Unternehmen für den 3D-Druck in den Fokus. Dabei handelt es sich um Ersatzteile für auslaufende Automodelle.

„Nachhaltigkeit wird bei Brose großgeschrieben. Dank der additiven Fertigung müssen Werkzeuge für „End-of-Life“-Bauteile nicht mehr eingelagert und Ersatzteile vorproduziert werden, sondern können digital gespeichert und bei Bedarf abgerufen und gedruckt werden. Mit der HSS-Technologie und ihren hohen Druckgeschwindigkeiten können wir erstmals beginnen, physikalische Lager sowohl für Werkzeuge als auch Ersatzteile zu reduzieren“, so Kleylein.

„Wir freuen uns, Brose als einen der ersten Kooperationspartner für unser HSS Beta Programm gewinnen zu können“, sagt Rudolf Franz, COO bei voxeljet. „Seit unserer Gründung 1999 und im Rahmen unserer Mission M streben wir danach, einen neuen Fertigungsstandard zu etablieren und additive Massenproduktion neu zu definieren. Es freut uns mit Brose einen innovativen Partner an unserer Seite zu begrüßen, mit dem wir diese Vision weiterverfolgen können, um ein neues Zeitalter der additiven industriellen Produktion ins Leben zu rufen.“

„Hier bei voxeljet haben wir gelernt, dass echte Produktion bedeutet, den Prozess auf die jeweilige Anwendung abzustimmen. Wir wollen keine Fertiglösung anbieten, die einen ganz guten Job macht, sondern eine optimierte Lösung, die einen großartigen Job macht. Das Beta-Programm mit Brose ist daher eine wichtige Etappe für uns, um die Anforderungen in der Automobilproduktion zu verstehen und unsere Maschinen so anzupassen, dass sie diese Anforderungen in einer Weise erfüllen, die keine andere AM-Lösung erreichen kann“, so James Reeves, Global Director of Polymer Sintering (HSS) bei voxeljet.

Im Fokus der Weiterentwicklung der VX1000 HSS stehen insbesondere die Anpassung, Optimierung und Integration der Maschine an die spezifischen Prozess- und Produktionsbedingungen bei Brose. Darüber hinaus werden durch den im Programm enthaltenen direkten Entwickler-Support auf Hard- und Softwareebene die Flexibilität und Adaptierbarkeit der HSS Technologie auf verschiedene Anwendungen getestet.

Über Brose

Brose ist der viertgrößte Automobilzulieferer in Familienbesitz. Jeder zweite Neuwagen weltweit ist mit mindestens einem Brose Produkt ausgestattet. Die intelligenten Lösungen des Unternehmens für den Fahrzeugzugang und Innenraum sorgen für mehr Komfort und Flexibilität. Innovative Konzepte für Thermalmanagement erhöhen die Effizienz und tragen zu Umwelt- und Klimaschutz bei. Das Systemverständnis von Brose ermöglicht neue Funktionen bei Fahrzeugen aller Art – ob auf vier oder auf zwei Rädern. Rund 25.000 Mitarbeiter an 65 Standorten in 24 Ländern erwirtschafteten 2020 einen Umsatz von 5,1 Milliarden Euro.