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Wie Ford Motor Company den 3D-Druck für die Automobilindustrie entwickelt: Experteninterview mit Harold Sears

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Wie sieht die Zukunft in der Automobilproduktion aus? Ford Motor Company könnte darauf bereits eine Antwort gefunden haben.
 
Im Sommer 2018 eröffnete der Automobilhersteller in Michigan sein Advanced Manufacturing Center. Die 135.000 Quadratmeter große Anlage im Wert von 45 Millionen US-Dollar vereint eine Reihe von Technologien, darunter kollaborative Roboter, VR und AR.
 
Der 3D-Druck steht ebenfalls im Mittelpunkt der Einrichtung. Kein Wunder, wenn man bedenkt, dass Ford ein früher Anhänger des 3D-Drucks war – sie bereits nach seiner Herstellung in 1988 einen der ersten drei dritten 3D-Drucker erworben.
 
Heute nutzt das Unternehmen den 3D-Druck inzwischen intensiv als einen Teil seiner Produktentwicklung und sucht nach Möglichkeiten, die Technologie in seine Produktionslinien zu integrieren. Das Advanced Manufacturing Center wird dabei mit 23 industriellen 3D-Druckern eine Schlüsselrolle spielen.
 
Mit 25 Jahren Branchenerfahrung ist Harold Sears der technischer Leiter bei Additive Manufacturing Technologies bei Ford. Wir haben kürzlich mit Sears gesprochen, um mehr darüber zu erfahren, wie das Unternehmen den 3D-Druck für die Automobilindustrie entwickelt.
 

Harold Sears, Technischer Leiter von Additive Manufacturing Technologies bei Ford [Bildnachweis: Ford]
Harold Sears, Technischer Leiter von Additive Manufacturing Technologies bei Ford [Bildnachweis: Ford]

 

Mit einer solchen umfangreichen Karriere in der additiven Fertigung, was können Sie uns über die Entwicklungsgeschichte der additiven Fertigung berichten,wie haben sich die Technologien im Laufe der Jahre entwickelt?

In der Anfangszeit wurde die additive Fertigung nur als eine Möglichkeit angesehen, Konzeptmodelle zu erstellen, die die Menschen betrachten konnten. Das war ungefähr alles.
 
Von dort aus entwickelte es sich um aus mehr haltbareren Materialien funktionale Prototypen herzustellen und zu testen.
 
Seitdem hat sich die seit vielen Jahren als Rapid Prototyping bekannte Technologie zu einer sogenannten additiven Fertigung entwickelt, bei der 3D-Drucktechnologien für weit mehr als nur Prototyping eingesetzt werden.
 
Mit dem Fortschreiten und Entwickeln von Materialien und Prozessen wird die additive Fertigung jetzt zu einem Hilfsmittel für Produktionsanwendungen und zur Unterstützung der Mainstream-Produktion. Wir sehen auch einige der ersten Beispiele für bereits produzierte Teile, die in Verbraucherfahrzeugen verwendet werden. Produktionsteile kommen jetzt aus AM-Systemen.

Die Branche hat seit ihren Anfängen einige Fortschritte gemacht. Ich möchte sogar behaupten, dass sich die letzten fünf Jahre der technologischen Entwicklung viel stärker beschleunigt haben als die ersten 10 bis 15 Jahre. AM ist viel funktionaler und mehr zu einem Teil des täglichen Engineering- und Fertigungsprozesses geworden.

Die Ford Motor Company hat sich sehr früh für die additive Fertigung eingesetzt. Wie nutzt das Unternehmen heute die AM? Welchen Wert bietet die Technologie?

Das Additive Manufacturing hat sich definitiv als Schlüsselkomponente in unserem Produktentwicklungszyklus etabliert und unterstützt die Produktion von Prototypenteilen und Entwicklungsaufgaben rund um die Produktentwicklung.
 
Während wir weiterhin die Produktentwicklung und das Prototyping unterstützen, produzieren wir buchstäblich Zehntausende von Teilen pro Jahr. In letzter Zeit haben wir erhoben, wie die Technologie zur Unterstützung der Fertigungsumgebung eingesetzt werden kann.
 
Es ist spannend herauszufinden, wie der 3D-Druck die Produktionsabläufe beeinflussen kann. Unsere Aktivitäten konzentrieren sich hauptsächlich auf zwei Schlüsselbereiche: Zum einen unterstützen wir die aktuellen Produktionsprozesse mit effizienteren Werkzeugen, Vorrichtungen und Einrichtungen und nutzen diese Prozesse dann tatsächlich im Fertigungsraum.
 
Darüber hinaus möchten wir die 3D-Druckindustrie dazu drängen, die Automobilindustrie noch stärker anzuerkennen, indem wir Produkte entwickeln, die auf unsere Bedürfnisse zugeschnitten sind.

Im Großen und Ganzen wird vieles, was wir heute in der additiven Welt sehen, von der Luft- und Raumfahrtindustrie und der medizinischen Industrie bestimmt. Ihre Bedürfnisse unterscheiden sich stark von den Bedürfnissen der Automobilindustrie. Wir hoffen, die Branche in eine Richtung führen zu können, die auch auf die Automobilbranche zugeschnitten ist.

Dies bedeutet, dass wir bessere Materialaufrüstungen anstreben, den Herstellungsumfang für Maschinen erstellen, die zu den Arten von Teilen passen, an denen wir interessiert sind, und die Prozessgeschwindigkeit erheblich verbessern.

Ein Blick auf das Advanced Manufacturing Center von Ford [Bildnachweis: Ford]
Ein Blick auf das Advanced Manufacturing Center von Ford [Bildnachweis: Ford]

 

Könnten Sie die spezifischen Bedürfnisse der Automobilindustrie näher erläutern?

Ein Beispiel ist die Verwendung von mehr auf die Automobilindustrie bezogenen Materialien.
 
Zum Beispiel verwenden viele 3D-Druckverfahren UV-härtbare Materialien und die UV-Belichtung im Automobilbereich ist ein ernst zu nehmendes Problem. Es ist schwierig, ein Material, das unter UV-Licht aushärtet, in einem Automobil einzusetzen, wo es nahezu ständigUV-Licht ausgesetzt wird.
 
Also stellt sich die Frage: Gibt es eine Möglichkeit, diese Belichtung zu steuern oder nach einem bestimmten Punkt auszuschalten? Zumindest für Anwendungen in der Automobilindustrie ist es äußerst wichtig, den Strapazen der täglichen UV-Belastung standhalten zu können.
 
Temperaturschwankungen sind eine anderes Problem. Materialien die ständig großen Temperaturschwankungen ausgesetzt sind können sehr anfällig für Zersetzung sein , was für Automobilanwendungen typisch ist.

Wir haben eine Reihe von Materialien, die im Automobilbereich heute recht gut angenommen werden. Was wir also wirklich gerne sehen würden, ist, dass die Industrie anfängt, einige dieser Materialien dementsprechend anzupassen. Dies würde unsere Tests und Validierungen sowie unsere Anwendung für den 3D-Druck wesentlich besser geeignet machen.

Das zweite Element ist die Größe des Herstellungsumfangs der Systeme.
 
Jedes Fahrzeug besteht aus vielen kleinen Komponenten, die sich heute gut in die Bauräume der Maschinen einfügen. Es gibt aber auch viele größere Komponenten, die heute nicht mehr ganz genau passen. Wir würden uns also wirklich wünschen, dass Hersteller andere Systeme in Betracht ziehen, die einen größeren Herstellungsumfang haben.
 
Der letzte Teil ist der Durchsatz oder die Geschwindigkeit der Maschinen.
 
Unsere Produktionsmengen unterscheiden sich erheblich von denen in der Luft- und Raumfahrt oder im medizinischen Bereich. Daher müssen wir uns Systeme ansehen, die Teile in Minuten oder Sekunden im Gegensatz zu Tagen und Stunden produzieren können. Alles, was wir tun können, um die Technologie schneller zu machen, wird uns definitiv weiterhelfen.
 

Haben Sie irgendwelche Einsicht darüber, wie lange es dauern wird, um diese Problembereiche für die Automobilindustrie anzugehen? Wie weit sind wir beispielsweise von der Großserienfertigung für Autoteile entfernt?

Wenn Sie vor fünf Jahren nach der Serienproduktionskapazität von AM-Maschinen gefragt hätten, wäre die Antwort möglicherweise mehrere hundert oder vielleicht nur einige tausend Teile gewesen.
 
Aber wenn Sie heute Angehörigen der Branche die gleiche Frage stellen, wird die Antwort viel höher sein – zehntausende von Teilen.
 
Ich nehme an, dass die Antwort mit dem Wachstum der Technologie mit wächst und innerhalb von drei bis fünf Jahren näher an vierhundert oder fünfhunderttausend Teilevolumen liegen wird.
 
Ich kann Ihnen zwar nicht genau sagen, worauf wir hinarbeiten, aber diese Aussagen sind in der Branche allgemein anerkannt, wenn es um das Wachstum der Technologie und der Volumenkapazität geht.
 

Nennen Sie uns einige der Erfolgsgeschichten des 3D-Drucks während Ihrer Zeit bei Ford?

Wir unterstützen weiterhin die Produktentwicklung mit Prototypen. Dazu wurden Hunderttausende von Teilen produziert, um die Produktentwicklung zu unterstützen und Tests und Entwicklung zu beschleunigen.
 
Wenn Sie sich diesen Bereich allein anschauen, hat das Unternehmen bereits enorme Vorteile gehabt. Zum Beispiel durchläuft eine Komponente in der Entwicklungs- und Entwicklungsphase mehrere Iterationen.
 
Traditionell hätte ein Ingenieur ein Bauteil entworfen, das Design weitergeleitet, ein Werkzeug hergestellt und mit dem Werkzeug Teile zum Testen hergestellt. Basierend auf diesen Ergebnissen würde das Design oder das Werkzeug mit sehr großem Aufwand geändert oder ein ganz neues Werkzeug erstellt werden. Dieser langwierige Prozess würde sich fortwährend wiederholen.
 
Heute ist dies jedoch ein Teil des Produktentwicklungsprozesses.

Ein Ingenieur kann jetzt mehrere Entwürfe einer Komponente gleichzeitig an eine 3D-Druckerei senden. Das heißt, sie können gleichzeitig produziert und gleichzeitig dem Ingenieur übergeben werden. Dieser kann dann parallele Tests durchführen.

Was wir also letztendlich sehen, ist ein Prozess, der sehr schnell rückläufig wurde, wobei Sie von sieben Entwürfen über drei zu einem heruntergefahren haben.
 
Dies an sich bietet bereits enorme Effizienz, sowohl durch die Kosteneinsparungen, die durch das Nicht-Durchführen mehrerer Iterationen eines Werkzeugs als auch durch erhebliche Zeiteinsparungen bei der Markteinführung eines Produkts erzielt werden.
 
Wenn wir dann anfangen, diese Technologien in der Fertigungsumgebung anzuwenden, werden wir auch hier eine hohe Effizienz erleben.
 
Zum Beispiel Menschen dabei helfen, ihre Arbeit zu erledigen, indem Sie Werkzeuge erstellen, die für den Bediener ergonomischer sind. Dies ist vielleicht nur ein geringer Vorteil, der jedoch sicherlich hilfreich ist, wenn die Anwender bei ihrer Arbeit zufriedener sind. Sie werden auch eine bessere Arbeit leisten, was die Qualität nur verbessern kann.
 
Wie wir bereits angedeutet haben, arbeiten wir auch an einigen Anwendungen, ich möchte hier nicht ins Detail gehen, aber eine davon ist eine Anwendung in unserer Fertigungsumgebung, mit der wir mehr als 2 Millionen Dollar einsparen können.
 
Bei der Integration von AM in die Fertigungsumgebung setzen wir also wirklich die Voraussetzungen dafür, mit der Technologie einige wichtige Dinge tun zu können, die unsere Prozesse unterstützen.
 

Das Advanced Manufacturing Center umfasst die Verwendung von kollaborativen Robotern. [Bildnachweis: Ford]
Das Advanced Manufacturing Center umfasst die Verwendung von kollaborativen Robotern. [Bildnachweis: Ford]

 

Wie sehen Sie die Entwicklung von AM in den nächsten 5 Jahren?

Vor einem Jahr hätte ich gesagt, dass die Metall -Additivfertigung viel Aufmerksamkeit auf sich ziehen würde. Es gibt jedoch auch einige bedeutende technologische Fortschritte auf der Polymer- oder Kunststoffseite. Ich glaube, dass beide Technologien zusammen aufwachsen werden.
 
Darüber hinaus ist es eines der wichtigsten Dinge in der Technologie, zu verstehen, was sie nicht gut kann. Ich werde nie für AM als eine All-End-All-Technologie werben, die alles kann, weil das nicht der Fall ist.
 
Die Industrie erkennt also, was die additive Fertigung nicht kann, und die Tatsache, dass sie weitaus mehr leisten kann,als das für das sie eingesetzt wird.
 
Bei Ford ist es unser Ziel, zu erkunden, was die derzeitigen Fähigkeiten sind, und um Vorteile daraus zu ziehen, wenn wir mit der Technologie wachsen und dabei helfen, sie in die Richtung zu lenken, die wir in Zukunft gehen wollen.
 

Welche anderen Faktoren sollten wir berücksichtigen?

Wir haben weitgehend über Additiv- und 3D-Druck in Bezug auf Technologie und Maschinen gesprochen. Ich denke, das noch zwei weitere Faktoren dazu kommen: Software und Schulung.
 
Damit all diese Komponenten zusammengefügt werden können zusammenpassen, konzentrieren sich Unternehmen wie Ford und andere darauf, Mitarbeiter darin zu schulen, die Methoden des DfAM (Design for Additive Manufacturing) zu verwenden – eine andere Art, über Ihre Herangehensweise im Bereich Design nachzudenken.
 
Software spielt dabei eine große Rolle. Werkzeuge wie Topologieoptimierungssoftware sind traditionell sehr schwierig zu verwenden.
 
Daher stellt sich die Frage, wird diese sich in Zukunft zu einem einfacheren Produkt entwickeln.
 
Generative Design-Software wird in der Branche derzeit viel Aufmerksamkeit gewidmet. Aber wie können wir die Möglichkeiten generativer Konstruktionssoftware nutzen, um zumindest ein erstes Konzept zu generieren, damit ein Ingenieur beginnen kann, um es Wirklichkeit werden zu lassen? Diese und weitere Fragen müssen in Zukunft angegangen werden.

Wenn Sie sich also die Schulung, die Software und die Hardwareentwicklung ansehen, müssen diese drei Faktoren eng miteinander verbunden werden, um den vollen Nutzen dieser Technologien zu erzielen.

3D-Druckteile bei Ford testen [Bildnachweis: Ford]
3D-Druckteile bei Ford testen [Bildnachweis: Ford]

 

Ford hat kürzlich sein Advanced Manufacturing Center eröffnet. Können Sie uns einen Einblick in die Vision hinter der Anlage geben und was Ford hofft damit zu erreichen?

Was den additiven Teil der Einrichtung betrifft, konzentrieren wir uns auf viele der Dinge, die ich erwähnt habe. Es geht wirklich darum, die Technologie voranzutreiben, mit Lieferanten und Lieferanten in Kontakt zu treten – und sie auf diese Reise mitzunehmen.
 
Wir hatten zum Beispiel kürzlich einige unserer Tier-1-Zulieferer hier und haben darüber diskutiert, wo unser Stand derTechnologie ist und wo wir die Zukunft sehen.
 
Diese Anlage ist also ein Ort, an dem wir viele dieser Interaktionen zusammenbringen können: Wir können zusammen mit 3D-Druckanbietern an neuen Prozessen, Geräten und Materialien arbeiten.
 
Wir verfügen hier über eine flexible Grundfläche, sodass wir eine Maschine für 6 Monate oder ein Jahr auf Sendungsbasis einbringen können. Wir können einrichten, ausführen und direktes Feedback zur Anwendung der Technologie geben. Wir können dies tun, um die Materialentwicklung, die Prozessentwicklung oder sogar eine völlig neue Technologie zu unterstützen.
 
Und gleichzeitig haben wir einen wirklich gemeinschaftlichen Raum geschaffen. Wenn wir einen Anbieter haben, der sich für diese Technologien engagieren will, und sie noch nicht vorhanden sind, sind wir bereit, sie in diesen Bereich einzubringen und zu sagen: „Hier sind die Maschinen, lassen Sie uns anfangen, Teile zu bauen die eher auf Ihr Unternehmen anwendbar sind und Ihnen zeigen wie Sie mit der Technologie umgehen müssen. “
 

Wie sieht die Zukunft für Ford im Jahr 2019 aus?

Wir haben eine bedeutende Investition in diese Einrichtung getätigt, und Sie werden sehen, wie wir von dieser Investition profitieren werden.
 
In der Zukunft werden Sie weitere Ankündigungen über Produkte erhalten, die für die Produktion von Fahrzeugen in 3D gedruckt werden sollen, und weitere Ankündigungen über entsprechende Anwendungen. Wie wir sie in der Fertigung einsetzen werden, um unsere Effizienz zu steigern, unsere Produktentwicklungszyklen zu beschleunigen und Qualität und die Einführung neuer Produkte zu verbessern.
 
Additive Manufacturing wird immer mehr in den Alltag unseres Unternehmens einbezogen. Anstatt eine Ausnahme von der Norm zu sein, wird es zur norm werden und die nötige Akzeptanz finden.