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

Wie sieht die Zukunft der Automobilproduktion aus? Die Ford Motor Company hat vielleicht die Antwort.

Im Sommer 2018 eröffnete der Automobilhersteller sein Advanced Manufacturing Center in Michigan. Die 135.000 Quadratmeter große Anlage mit einem Wert von 45 Millionen US-Dollar vereint eine Reihe von Technologien, darunter kollaborative Roboter, VR und AR.

3D-Druck wird ebenfalls ein zentraler Schwerpunkt der Anlage sein. Kein Wunder, wenn man bedenkt, dass Ford schon früh ein Vorkämpfer des 3D-Drucks war – mit dem Kauf des dritten 3D-Druckers, der 1988 hergestellt wurde.

Heute nutzt das Unternehmen den 3D-Druck heute ausgiebig als Teil seiner Produktentwicklung und erforscht Möglichkeiten, die Technologie in seine Produktionslinien zu integrieren. Eine Schlüsselrolle kommt dem Advanced Manufacturing Center zu, in dem bereits 23 industrielle 3D-Drucker untergebracht sind.

Mit 25 Jahren Branchenerfahrung ist Harold Sears der technische Leiter für additive Fertigungstechnologien bei Ford. Wir haben kürzlich mit Sears gesprochen, um mehr darüber zu erfahren, wie das Unternehmen den 3D-Druck für die Automobilindustrie innoviert.

Wie haben Sie sich bei einer so umfangreichen Karriere in der additiven Fertigung im Laufe der Jahre sowohl in der Branche als auch in den Technologien entwickelt?

In der Anfangszeit wurde die additive Fertigung nur als Möglichkeit angesehen, Konzeptmodelle zu erstellen, die sich die Menschen ansehen konnten. Das war es auch schon.

Von da an entwickelte es sich weiter, um haltbarere Materialien anzubieten, bei denen funktionale Prototypen hergestellt und getestet werden konnten.

Die lange Zeit als Rapid Prototyping bekannte Technologie hat sich seitdem zu der sogenannten additiven Fertigung entwickelt, bei der 3D-Drucktechnologien für weit mehr als nur für das Prototyping eingesetzt werden.

Mit dem Fortschritt und der Entwicklung von Materialien und Prozessen wird die additive Fertigung nun zu einem Werkzeug, um Produktionsanwendungen zu unterstützen und die Mainstream-Produktion zu unterstützen. Wir sehen auch einige der ersten Beispiele für Teile, die für den Einsatz in Verbraucherfahrzeugen hergestellt werden. Daher kommen jetzt Produktionsteile aus diesen AM-Systemen.

Die Branche hat seit ihren Anfängen große Fortschritte gemacht. Ich würde sogar sagen, dass sich die technologische Entwicklung in den letzten fünf Jahren viel stärker beschleunigt hat als in den ersten 10 bis 15 Jahren. AM ist viel funktionaler geworden und gehört mehr zu den täglichen Konstruktions- und Herstellungsprozessen.

Ford Motor Company war ein sehr früher Anwender der additiven Fertigung. Wie nutzt das Unternehmen AM heute? Welchen Wert bietet die Technologie?

Additive Fertigung hat sich definitiv als Schlüsselkomponente in unserem Produktentwicklungszyklus etabliert und unterstützt die Herstellung von Prototypenteilen und Entwicklungsübungen rund um die Produktentwicklung.

Während wir weiterhin die Produktentwicklung und das Prototyping unterstützen – wir produzieren buchstäblich Zehntausende von Teilen pro Jahr – haben wir in letzter Zeit untersucht, wie die Technologie zur Unterstützung der Produktionsumgebung.

Wir freuen uns darauf, herauszufinden, wie sich der 3D-Druck auf die Fertigungsabläufe auswirken kann. Unsere Aktivitäten konzentrieren sich hauptsächlich auf zwei Kernbereiche:Einer ist die Unterstützung aktueller Produktionsprozesse mit effizienteren Werkzeugen, Vorrichtungen und Vorrichtungen und der tatsächliche Einsatz dieser Prozesse in der Fertigung.

Darüber hinaus möchten wir die 3D-Druckindustrie dazu bringen, die Automobilindustrie stärker zu erkennen, indem wir Produkte entwickeln, die spezieller auf unsere Bedürfnisse zugeschnitten sind.

Im Großen und Ganzen wird vieles von dem, was wir heute in der additiven Welt sehen, von der Luft- und Raumfahrtindustrie und der Medizinindustrie getrieben. Ihre Bedürfnisse unterscheiden sich stark von denen der Automobilindustrie, daher hoffen wir, die Branche in eine Richtung zu führen, die auch für die Automobilindustrie sinnvoller ist.

Das bedeutet, mehr Material-Upgrades zu fordern, Bauräume für Maschinen zu schaffen, die den Arten von Teilen entsprechen, an denen wir interessiert sind, und die Geschwindigkeit des Prozesses erheblich zu verbessern.

Könnten Sie näher auf die spezifischen Bedürfnisse der Automobilindustrie eingehen?

Ein Beispiel sind mehr automobilorientierte Materialien.

Viele 3D-Druckverfahren verwenden beispielsweise UV-härtbare Materialien, und die UV-Strahlung in der Automobilindustrie ist ein ernst zu nehmendes Thema. Es ist schwierig, ein Material, das unter UV-Licht aushärtet, in ein Auto einzubauen, wo es nahezu konstantem UV-Licht ausgesetzt ist.

Gibt es also eine Möglichkeit, diese Belichtung zu kontrollieren oder nach einem bestimmten Punkt auszuschalten? Letztendlich ist es zumindest für Automobilanwendungen von entscheidender Bedeutung, den Strapazen der täglichen UV-Belastung standzuhalten.

Temperaturschwankungen sind eine andere Sache. Materialien können sehr bruchanfällig sein, wenn sie ständig großen Temperaturschwankungen ausgesetzt sind, was für Automobilanwendungen sehr typisch ist.

Wir haben eine Reihe von Materialien, die heute im Automobilbereich ziemlich gut angenommen werden. Was wir also wirklich gerne sehen würden, ist, dass die Industrie beginnt, einige dieser Materialien anzupassen. Das würde unsere Tests und Validierung sowie unsere Anwendungsnutzung viel besser für den 3D-Druck geeignet machen.

Das zweite Element ist die Größe des Bauraums von Systemen.

Jedes Fahrzeug besteht aus vielen kleinen Komponenten, die gut in den Bauraum der heutigen Maschinen passen. Aber es gibt auch viele größere Bauteile, die heute einfach nicht mehr so ​​richtig passen. Wir würden uns daher sehr wünschen, dass Hersteller andere Systeme in Betracht ziehen, die einen größeren Bauraum haben.

Der letzte Teil ist der Durchsatz oder die Geschwindigkeit der Maschinen.

Unsere Produktionsmengen unterscheiden sich erheblich von denen der Luft- und Raumfahrt oder Medizintechnik. Wir müssen uns also Systeme ansehen, die in der Lage sind, Teile in Minuten oder Sekunden statt in Tagen und Stunden zu produzieren. Alles, was wir tun können, um die Technologie in höhere Build-Geschwindigkeiten zu bringen, wird uns definitiv auch helfen.

Haben Sie eine Vorstellung davon, wie lange es dauern wird, diese für die Automobilindustrie besorgniserregenden Bereiche anzugehen? Wie weit sind wir beispielsweise von der Großserienfertigung für Autokomponenten entfernt?

Wenn Sie vor fünf Jahren nach der Massenproduktionsfähigkeit von AM-Maschinen gefragt hätten, hätte die Antwort möglicherweise mehrere Hundert oder vielleicht nur ein paar Tausend Teile lauten können.

Aber wenn Sie das gleiche Gespräch mit ungefähr . führen? Wer heute in der Branche tätig ist, wird die Antwort viel höher sein – in die Zehntausende von Teilen.

Ich vermute, dass die Antwort mit dem Wachstum der Technologie innerhalb von drei bis fünf Jahren näher bei vierhundert oder fünfhunderttausend Stückzahlen liegen wird.

Obwohl ich keine konkreten Zahlen zu allem nennen kann, an dem wir arbeiten, sind dies einige allgemein akzeptierte Ansichten in der Branche, wenn es um das Wachstum der Technologie und der Volumenkapazitäten geht.

Was waren einige der Erfolgsgeschichten des 3D-Drucks während Ihrer Zeit bei Ford?

Wir unterstützen weiterhin die Produktentwicklung mit Prototypen. Dies beinhaltete die Herstellung von Hunderttausenden von Teilen, um die Produktentwicklung zu unterstützen und Tests und Entwicklung zu beschleunigen.

Wenn man sich diesen Platz allein ansieht, hat das Unternehmen enorme Vorteile. Zum Beispiel durchläuft eine Komponente in der Entwicklungs- und Konstruktionsphase mehrere Iterationen.

Traditionell würde ein Ingenieur eine Komponente entwerfen, diese Konstruktion versenden, ein Werkzeug herstellen lassen und Teile unter Verwendung der Werkzeug zum Testen. Basierend auf diesen Ergebnissen würde mit sehr großem Aufwand das Design oder das Werkzeug modifiziert oder ein ganz neues Werkzeug hergestellt. Dieser langwierige Vorgang würde sich immer wiederholen.

Aber heute ist es so ziemlich ein Teil des Produktentwicklungsprozesses.

Ein Ingenieur kann jetzt mehrere Designs eines Bauteils gleichzeitig an eine 3D-Druckerei senden. Dadurch können sie gleichzeitig produziert und gleichzeitig an den Ingenieur übergeben werden. Der Ingenieur kann dann weggehen und parallele Tests an ihnen durchführen.

Letztendlich sehen wir also einen Prozess, der sehr schnell nach unten iteriert wird, bei dem Sie durch einen sehr schnellen Prozess von sieben Designs auf drei heruntergehen können, bis zu einem.

Das allein sorgt für enorme Effizienz, sowohl durch die Kosteneinsparungen durch den Verzicht auf mehrere Iterationen eines Tools als auch durch die erhebliche Zeitersparnis bei der Markteinführung eines Produkts.

Da wir dann beginnen, diese Technologien in der Fertigungsumgebung einzusetzen, sehen wir auch hier große Effizienzgewinne.

Zum Beispiel, um Menschen bei ihrer Arbeit zu helfen, indem Werkzeuge hergestellt werden, die für den Bediener ergonomischer sind. Dies ist vielleicht ein leichter Vorteil, aber einer, der sicherlich hilfreich ist, wenn die Bediener ihre Arbeit zufriedener und bequemer machen. Sie werden auch einen besseren Job machen, der nur die Qualität verbessert.

Wir arbeiten auch an einigen Anwendungen, auf die wir hingewiesen haben, aber nicht viele Details. Eine davon ist eine Anwendung in unserer Fertigungsumgebung, mit der wir über 2 Millionen Dollar einsparen können.

Was die Integration von AM in die Fertigungsumgebung angeht, schaffen wir wirklich die Voraussetzungen dafür, dass wir mit der Technologie einige wichtige Dinge tun können, um unsere Prozesse zu unterstützen.

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

Vor einem Jahr hätte ich gesagt, dass die additive Fertigung mit Metall viel Aufmerksamkeit bekommen würde, was sie immer noch ist. Aber auch auf der Polymer- oder Kunststoffseite gibt es einige bedeutende technologische Fortschritte. Ich glaube, dass beide Technologien zusammen wachsen werden.

Außerdem ist es für die Technologie wichtig zu verstehen, was sie nicht kann. Ich werde AM niemals als eine All-End-All-Technologie bewerben, die alles kann, weil sie es nicht ist.

Die Industrie erkennt also, was die additive Fertigung nicht kann und dass sie viel mehr kann, als die meisten sie heute verwenden.

Bei Ford liegt unser Fokus darauf, die aktuellen Fähigkeiten von Ford zu erkunden und einige der Vorteile daraus zu ziehen, während wir mit der Technologie wachsen und dabei helfen, sie dorthin zu lenken, wo wir wollen in die Zukunft gehen.

Welche anderen Faktoren sollten wir beachten?

Ich denke, wir haben in Bezug auf Technologie und Maschinen weitgehend über additiven und 3D-Druck gesprochen. Dazu kommen aber noch zwei weitere Faktoren:Software und Training.

Damit all diese Teile zusammenpassen, werden Unternehmen wie Ford und andere ihre Bemühungen darauf konzentrieren, ihre Mitarbeiter in der Anwendung von Design for Additive Manufacturing (DfAM)-Methoden zu schulen – eine andere Art, über Ihren Ansatz nachzudenken Design.

Im Großen und Ganzen wurden wir durch Ingenieurschulen darin geschult, über Designs nachzudenken, die mit herkömmlichen Verfahren hergestellt werden können. Das DfAM wird die Leute auffordern, anders darüber nachzudenken, was sie tun und wie sie ihre Designs angehen.

Software wird ein großer Teil davon sein. Tools wie Software zur Topologieoptimierung waren traditionell sehr schwierig zu verwenden, daher stellt sich die Frage, wie sie sich in Zukunft zu einfacheren Produkten entwickeln werden.

Generativer Designsoftware wird in der jetzt auch die Industrie. Aber wie können wir die Möglichkeiten generativer Konstruktionssoftware nutzen, um zumindest ein erstes Konzept zu generieren, das ein Ingenieur mit der Umsetzung beginnen kann? Diese und weitere Fragen müssen in Zukunft beantwortet werden.

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

Ford hat vor kurzem sein Advanced Manufacturing Center eröffnet. Könnten Sie uns einen Einblick in die Vision hinter der Anlage geben und was Ford erreichen möchte?

Was den zusätzlichen Teil der Einrichtung angeht, konzentrieren wir uns auf viele der Dinge, die ich erwähnt habe. Es geht wirklich darum, die Technologie voranzutreiben, mit Anbietern und Lieferanten in Kontakt zu treten – und sie mit auf diese Reise zu nehmen.

Zum Beispiel hatten wir vor kurzem einige unserer Tier-1-Lieferanten und diskutierten, wohin wir mit der Technologie gehen und was wir vorhaben.

Die Einrichtung ist also ein Ort, an dem wir viele dieser Interaktionen zusammenbringen können:Wir können mit 3D-Drucklieferanten an neuen Verfahren, Geräten und Materialien arbeiten.

Wir verfügen über eine flexible Stellfläche, sodass wir eine Maschine für 6 Monate oder ein Jahr auf Kommissionsbasis bereitstellen können. Wir können es einrichten und betreiben und direktes Feedback zur Anwendung der Technologie geben. Wir können dies tun, um die Materialentwicklung, Prozessentwicklung oder sogar eine ganz neue Technologie zu unterstützen.

Und gleichzeitig haben wir dies wirklich zu einem kollaborativen Raum gemacht. Wenn wir einen Lieferanten haben, den wir in diese Technologien einbringen müssen und der noch nicht da ist, sind wir bereit, ihn in diesen Bereich zu bringen und zu sagen:„Hier sind die Maschinen, lasst uns loslegen und mit dem Bau von Teilen beginnen, die besser auf Ihr Geschäft anwendbar sind und was Sie mit der Technologie tun müssen.“

Was steht 2019 für Ford als nächstes an?

Wir haben eine bedeutende Investition in diese Einrichtung getätigt und Sie werden sehen, wie wir beginnen, diese Investition zu nutzen.

In Zukunft werden Sie weitere Ankündigungen zu Produkten sehen, die für Serienfahrzeuge in 3D gedruckt werden, und weitere Ankündigungen zu Anwendungen, wie wir sie in der Fertigung einsetzen, um unsere Effizienz zu verbessern, helfen, unsere Produktentwicklungszyklen zu beschleunigen, die Qualität zu verbessern und neue Produkte einzuführen.

Additive Fertigung wird auch in Zukunft immer mehr in den täglichen Teil unserer Geschäftstätigkeit einfließen. Anstatt eine Ausnahme von der Norm zu sein, wird es viel mehr als die Art und Weise akzeptiert, wie es gemacht wird.