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3D-Druck besser als Stahl für BMW-Prototypen: Clemson University spart 75 % der Kosten bei Projekt Deep Orange

US News und World Report positionieren Clemson University unter den 20 Top-Universitäten in den Vereinigten Staaten. Die Hochschule beherbergt im „Clemson University International Center for Automotive Research” (CU-ICAR) landesweit die einzige Fakultät für weiterführende Studien in Automobilkonstruktion. Über seine hervorragende Forschungsabteilung und dem hochkarätigen Lehrpersonal hinaus begeistert CU-ICAR viele Studenten und Arbeitgeber mit seinem Projekt Deep Orange. Deep Orange ist ein zwei-jähriges Fahrzeugprototyp-Projekt, das die Studenten absolvieren müssen, um Ihren Masters-Abschluss oder den Doktortitel in Automobilkonstruktion zu erlangen. Von Anfang an bis zum Abschluss des Studienprogramms sind die Studenten aktiv in Design und Konstruktion sowie Prototyping und Produktion von Fahrzeugen involviert.

Das Team von Projekt Deep Orange
Das Team von Projekt Deep Orange

2011 startete CU-ICAR sein viertes Projekt Deep Orange, gesponsert von BMW-Manufacturing, Co., von dem auch die Rahmenbedingungen für das Projekt vorgegeben wurden. BMW legte fest, dass das Deep-Orange-4-Fahrzeug auf dem BMW X3 basieren soll. Ziel war, das Marktsegment mit leistungsorientierten SUV-Kunden anzusprechen, von dem sowohl ein erstklassiger Nutzwert mit großem Platzangebot als auch eine luxuriöse Designlinie für die Freude am Fahren erwartet wurde. BMW bestand außerdem auf einem kosteneffizienten Herstellungsplan für eine Kleinserie, der sich nicht negativ auf bestehende interne Herstellungsprozesse auswirken würde.

Zunächst führten die Studenten eine Marktanalyse durch und generierten drei Personengruppen, die das Verbraucherumfeld und den Lebensstil jener Kunden repräsentieren sollten, die ein solches Metamorphose-Fahrzeug von BMW kaufen würden. Mithilfe der Personengruppen erstellten sie einige Anwendungsszenarien, um die Wechselbeziehung zwischen Zielmarkt und Fahrzeug zu definieren und daraus das ultimative Fahrerlebnis abzuleiten.

Nach der Auswertung der Personengruppen, legte das Team die beiden Hauptziele für das Design fest:

  • Kompakter Crossover mit Transporternutzwert – als Anpassung an den urbanen Lebensstil der Personengruppen. Das Fahrzeug musste kompakt und hinreichend sparsam sein, aber dennoch ein großes Platzangebot für Transporte bieten – eine einzigartige Lösung im aktuellen, nicht allzu großen Crossover-SUV-Segment.
  • Vielseitigkeit – für die Nützlichkeit eines Kleintransporters in einem Fahrzeug der Kompaktklasse. Daher musste das Design die Funktion aufweisen, sich schnell an den jeweiligen Platzbedarf anpassen zu können.

Der letztendliche Entwurf hatte zwangsläufig viele Eigenschaften, die sich vom BMW X3 unterschieden, u. a.:

  • Hecktüren – um wie bei einer Transporter-Ladeklappe den Zugang zur offenen Ladefläche zu ermöglichen, wurde die sonst übliche Heckklappe durch zwei Türen ersetzt, die sich über ein Scharnier öffnen lassen.
  • Ein Schiebedach – das Schiebedach aus Glas verwandelt den Kofferraum optional von einem abgeschlossenen Bereich in eine offene Ladefläche mit dem Nutzwert eines Pickups.
  • Eine Heckscheibe – der Heckscheibenmechanismus befindet sich hinter der Rücksitzbank und verschließt die Fahrgastzelle, um die Insassen zu schützen, wenn sich das Fahrzeug im Transportmodus befindet. Zudem wird es heruntergeklappt, um die Ladekapazität zu erhöhen.
  • Eine Rücksitzbank – die hinteren Sitze können umgelegt werden, um eine plane Ladefläche zu schaffen.
3D-Prototypen, produziert mit Direct Manufacturing von Stratasys auf einem Fortus 900mc 3D-Produktionssystem, montiert auf einem Fahrzeugrahmen
3D-Prototypen, produziert mit Direct Manufacturing von Stratasys auf einem Fortus 900mc 3D-Produktionssystem, montiert auf einem Fahrzeugrahmen

Nachdem das CU-ICAR-Team sich auf ein Design festgelegt hatte, begannen Sie mit der Arbeit an einer Prototypen-Strategie und einem Produktionsplan. Da die Konstruktion auf der Plattform des BMW X3 aufsetzte, mussten sie bei der Konstruktion nicht von Null anfangen. Dennoch waren Anpassungen notwendig, um das flexible Konzept mit neuer Heckklappe, Dach, Verkleidungen, Seitenteilen, Führungsleisten und Fenstern im Fahrzeug unterbringen zu können.

Das Team verfolgte ursprünglich den Plan, die Umbauteile aus Stahlblech zu prägen. Bei dem Verfahren werden flache Stahlbleche zwischen zwei Formwerkzeugen in die gewünschte Form gepresst. Nach dem Einholen eines Kostenvoranschlags bei einem Metallverarbeitungsbetrieb wurde klar, dass das Budget des Deep Orange für die hohen Kosten der Herstellung der großen Bauteile aus Stahl nicht ausreichen würde. Darüber hinaus konnte der Metallverarbeitungsbetrieb durch seine langen Vorlaufzeiten die Terminvorgaben des Projekts nicht bedienen.

„Selbst unter Berücksichtigung der hervorragenden Beziehungen den Zulieferbetrieben, war es nicht sinnvoll, diese großen Teile aus Stahlblech zu pressen”, sagte Bill Sowerby, Programmdirektor des Deep-Orange-Projekts. „Als die Studenten erkannten, dass herkömmliche Herstellungsverfahren nicht in Frage kommen, mussten sie zurück ans Reißbrett, um den Bau des Prototypen zu überdenken.”

Zu diesem Zeitpunkt schlug ein Student vor, additive Fertigungsverfahren einzusetzen und die Teile mittels Rapid Prototyping zu fertigen. Die Teile mussten nicht aus Stahl sein, sondern lediglich fest genug, um das Gewicht des Fahrzeugs und eine Füllung aus einem hochfesten Strukturschaumstoff tragen zu können. Die Wahl der Studenten fiel auf Fused Deposition Modeling (FDM) von Stratasys. Das Verfahren überzeugte durch den Einsatz von leistungsfähigen Thermoplasten und der Möglichkeit, große Teile zu produzieren, indem zunächst Untergruppen gefertigt werden, die anschließend mit demselben Thermoplast verbunden werden konnten. Die Studenten schickten die Konstruktionsdateien zu Stratasys Direct Manufacturing, um einen Kostenvoranschlag für den FDM-Service einzuholen. Es stellte sich heraus, dass die Teile im Vergleich zur herkömmlichen Stahlprägung 75 Prozent günstiger und 3-4 Monate schneller gefertigt werden konnten.

„Herkömmlichen Fertigungsverfahren sind teuer und benötigen lange Vorlaufzeiten. Mein Team und ich brauchten eine Lösung für das Problem, die Teile in der kürzest möglichen Zeit und innerhalb der Budgetauflagen zu beschaffen. Darüber hinaus waren wir an äußerst präzise Maßtoleranzen gebunden und selbst einige Millimeter Abweichung von den CAD-Modellen hätte das Spaltmaß negativ beeinflusst, mit Problemen bei der Fluchtung oder durch zu große Lücken. „Wir haben uns verschiedene Alternativen in mehreren Karosseriewerkstätten angesehen,” sagte Ashish Dubey, Projektmanager bei Deep Orange 4. „Während unserer Nachforschungen sind wir auf das FDM-Verfahren gestoßen, einem Verfahren zur schnellen Fertigung (Rapid Manufacturing). Wir haben uns für FDM entschieden, da der Kosten- und Zeitaufwand für sämtliche Teile gegenüber herkömmlichen Stahlverformungsverfahren erheblich gesenkt werden konnte. Die endgültigen Bauteile lagen alle innerhalb der zulässigen Form- und Lage-Toleranzen (GD&T). Alles in allem war es eine tolle Erfahrung, mit dem Team von Stratasys Direct Manufacturing (SDM) zusammenzuarbeiten. Am Ende konnten wir eine neue Technologie kennenlernen, die das Potential hat, zur Patentlösung für die Kleinserienfertigung zu werden.”

Fortus 900mc 3D Produktionssystem von Stratasys
Fortus 900mc 3D-Produktionssystem von Stratasys

Mit der Umstellung auf additive Fertigung musste das Team speziellen Umständen Rechnung tragen, die der neue Prozess mit sich brachte. SDM empfahl, den Teileentwurf an das FDM-Verfahren anzupassen. Damit sollte sichergestellt werden, dass die Teile die Toleranzvorgaben einhalten und passgerecht mit den Originalteilen auf dem Unterbau des BMW X3 harmonieren sowie korrekt für die Nachbearbeitung vorbereitet waren.

Beispielsweise unterstützt der Wechsel der Orientierung oder des Anstellwinkels der auf die Bauplattform extrudierten Materialschichten den Aufbau einer festen und dennoch glatten Oberfläche, die sofort zum Sandstrahlen, Grundieren und Lackieren bereit ist. Das Team verstärkte auch die Wanddicke in einigen Bereichen des Teils, um die Zugfestigkeit zu erhöhen und den Materialverlust auszugleichen, der durch Sandstrahlen und Polieren der Oberflächen entsteht.  Und schließlich mussten Teile, die größer als 36 × 24 × 36 Zoll waren (entspricht den Abmessungen der größten FDM-Maschine) in mehrere Einzelteile zerlegt und mit Schwalbenschwanzverbindungen versehen werden, um die Zugfestigkeit zwischen den Abschnitten zu vergrößern, die später heißluftverschweißt werden sollten.

„FDM unterscheidet sich grundsätzlich vom Stahlpressen und machte eine Überarbeitung des Designs erforderlich. Ich habe den Studenten von Clemson dabei geholfen, die beste Ausrichtung und Positionierung der Verbindungsstücke zu bestimmen, damit wir die Bauteile präzise herstellen, verschweißen und die Abmessungstoleranzen einhalten konnten,” so Eric Quittem, Leitender Projektingenieur bei SDM. „Wir wussten, dass dickere Wände auch eine leichte Treppenbildung auf der Oberfläche der Teile bedeuten. Das hängt mit dem Auftragen der Schichten zusammen. Dieser Umstand war neu für das Clemson-Team und wir konnten ihnen versichern, dass sich die Linien mit der Nachbearbeitung entfernen lassen.”

Stratasys Direct Manufacturing baute 14 Teile für Deep Orange aus ABS-M30 auf dem Stratasys 900mc 3D-Produktionssystem, darunter: je vier Teile für die Heckklappe, die seitlichen Rahmenteile, das Dach und das Heckfenster sowie zwei Seitenverkleidungen. In der Nachbearbeitungsabteilung bei SDM wurden die Teile durch Sandstrahlen geglättet und für das im Automobilbau übliche Grundieren und Lackieren vorbereitet. Die Abschlussarbeiten beinhalteten auch das Heißluftverschweißen der Schwalbenschwanzverbinder an den Hecktüren, seitlichen Rahmenteilen und Seitenverkleidungen.

Der Prototyp wurde rechtzeitig zur Vorstellung beim Informationsseminar im „Center for Automotive Research Management” im August 2014 von den Studenten fertiggestellt. Das Fahrzeug wurde komplett aufgebaut, fertig montiert und voll funktionsfähig präsentiert. BMW Manufacturing war vom Design des Deep Orange 4 und vor allem vom Produktionsplan sehr beeindruckt.

„Die Möglichkeit, ohne kostenintensive Werkzeugumbauten und Effektivitätsverluste mehr Modell-Kleinserien aufzubauen, ist der Schlüssel zum Erfolg für unsere zukünftigen Bemühungen, auf schwankende Marktanforderungen schneller und flexibler reagieren zu können,” erklärt Rich Morris, Vizepräsident der Montageabteilung, BMW Manufacturing. „Die Studenten, die an dieser Projektphase beteiligt waren, haben außergewöhnliche Arbeit geleistet, die Kosten niedrig zu halten und die besten Lösungen zu finden.” 

SDM und 3D-Druck unterstützten Deep Orange 4 dabei, die Budgetvorgaben einzuhalten. „Die Herstellung von Fahrzeugprototypen ist nur eine von vielen Anwendungsmöglichkeiten von 3D-Druck für mehr Effizienz und qualitativ hochwertigere Teile in der Automobilindustrie. Diese neue Technologie findet zunehmend Verwendung in allen Bereichen der Automobilherstellung. Zukünftige Automobilkonstrukteure müssen lernen, wie sie die neuen Verfahren in ihre Designs aufnehmen und anwenden können,” so Mick Schrempp, Kundenberater bei RedEye, der mit Clemson University zusammengearbeitet hat.

Blog-Beitrag auch verfügbar in: Englisch Französisch Spanisch

Carrie Wyman

Carrie Wyman

Carrie is a technology and 3D printing enthusiast, with a passion for beautiful design.

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