Die Rolle des 3D-Drucks bei der Herstellung von Elektrofahrzeugen

Die Zeiten ändern sich, die Gesellschaft entwickelt sich weiter und passt sich an neue Veränderungen an. Das gleiche Phänomen ist bei der Technologie zu beobachten. Vor etwas mehr als einem Jahrzehnt konnten wir uns die Technologie, die uns heute zur Verfügung steht, nicht einmal vorstellen. Dies spiegelt sich in unserem täglichen Leben wider, von neuen Erfindungen wie der „Luftfritteuse“ oder Drohnen mit Gesichtserkennung für Videoaufnahmen bis hin zu Fortschritten bei bestehenden Technologien wie 5G oder 3D-Druck. Aber es gibt einen besonderen Fortschritt, an den wir uns in den letzten Jahren immer mehr gewöhnt haben: Elektrofahrzeuge (EVs).
Diese Art von Autos, Motorrädern und sogar Kleintransportern nimmt einen immer größeren Platz in unserem Leben ein. Ihre geringen Emissionen und die Kosten für das Tanken sind für die Verbraucher attraktiv. In der Tat ist heute ein großer Prozentsatz der Autos auf den Straßen der Welt Hybrid- oder Elektrofahrzeuge. Und wie eingangs erwähnt, entwickelt sich die Technologie ständig weiter, weshalb der 3D-Druck bereits von einigen Marken bei der Herstellung von Elektrofahrzeugen eingesetzt wird.

Warum sollten Sie Elektrofahrzeuge nutzen?

Es gibt mehrere Gründe, warum sich Menschen für den Kauf eines Elektrofahrzeugs gegenüber einem Benzin- oder Dieselfahrzeug entscheiden. Zum einen gibt es Autofahrer, die sich dafür entscheiden, aktiv zu werden und Verantwortung für die Umwelt zu übernehmen. Wir alle wissen, dass die Emissionen eines Elektrofahrzeugs gleich null sind, so dass diese Art von Autofahrern direkt zu den Bemühungen um Nachhaltigkeit beitragen kann. Auf der anderen Seite gibt es aber auch diejenigen, die an ihren Geldbeutel denken. Ein Elektroauto ist eine große Anfangsinvestition, aber langfristig gesehen ist es sehr rentabel, da die Kosten für die Nutzung eines Elektrofahrzeugs gering sind. Und schließlich gibt es Menschen, die gezwungen sind, eines dieser Autos zu kaufen, z. B. aufgrund von Beschränkungen.
Obwohl viele Menschen glauben, dass das, was sie als „Trend“ von Elektrofahrzeugen bezeichnen, nur leere Worte sind, gibt es Zahlen, die den wachsenden Trend und die Nutzung dieser Art von Autos belegen. Laut Statista hat der Markt für Elektroautos in den Vereinigten Staaten im Jahr 2022 mit geschätzten 918.500 verkauften leichten Elektrofahrzeugen einen neuen Rekord aufgestellt. Dies war ein deutlicher Anstieg, zweieinhalb Mal mehr als im Jahr 2018. Dieser Trend zeigt sich auch in der zunehmenden Popularität von Marken wie Tesla oder in bekannten Automobilherstellern wie Ford, die in den letzten Jahren ihre eigenen Hybrid- und Elektrofahrzeuge vorgestellt haben.

Der Beginn des 3D-Drucks für Elektrofahrzeuge

Der 3D-Druck ist nun schon seit einiger Zeit Teil des Automobilsektors. Neben Anwendungen wie Rapid Prototpying haben wir vor 10 Jahren auch die Einführung des 3D-Drucks für Autos durch Verbraucher erlebt. Es begann damit, dass die so genannten Maker, also Menschen, die zu Hause einen 3D-Drucker haben und ihre eigenen Modelle herstellen, damit begannen, kleine individuelle Teile für ihre Fahrzeuge zu entwerfen. Einige von ihnen bauten kleine Design-Accessoires oder sogar einige kleinere Teile der Fahrzeugstruktur ein.

Doch erst 2014 wurde auf der International Manufacturing Technology Show in Chicago (IMTS) erstmals ein Auto komplett mit einem 3D-Drucker gedruckt. Dabei handelte es sich um den Strati, ein kleines zweisitziges Elektrofahrzeug mit einem an Strandbuggys erinnernden Design, das von Local Motors hergestellt wurde. Dieses Auto blieb in den meisten Medien weltweit unbemerkt, obwohl es ein Novum war. Im Gegensatz zu anderen 3D-gedruckten Autos bestand der Strati aus nur 49 Teilen und wurde in weniger als 48 Stunden gedruckt. Außerdem hatte es eine Reichweite von knapp 200 km, so dass es trotz des Geredes über eine Massenproduktion im Jahr 2015 kein Erfolg wurde.

Jahre später, im Jahr 2018, wurde das Auto vorgestellt, das wir heute als XEV YOYO kennen, damals aber noch als LSEV bekannt war. Dieses kleine Fahrzeug, das von X Electrical Vehicle (XEV) entworfen und in Zusammenarbeit mit Polymaker hergestellt wurde, kann in nur 3 Stunden gedruckt werden und besteht aus nur 57 Teilen. Es wurde 2019 auf den Markt gebracht, und das ehemals kleine Unternehmen hat heute Händler in vielen Teilen der Welt und verkauft jährlich Tausende von Fahrzeugen.

Aber wenn wir bis vor etwa fünf Jahren zurückblicken, stellen wir fest, dass der 3D-Druck in der Automobilwelt noch nicht vollständig integriert war. Bis dahin waren einige kleine 3D-gedruckte Elektrofahrzeuge bekannt, wie der KILO Design oder der 4ekolka. Diese Technologien wurden auch bei der Restaurierung von Fahrzeugen von Volkswagen oder BMW eingesetzt, aber wir haben nicht einmal davon geträumt, was wir heute erreicht haben.

Welche 3D-Druckmaterialien und -technologien sind für Elektrofahrzeuge geeignet?

Heute gibt es viele Automarken, die den 3D-Druck einsetzen, sei es bei kleinen Teilen für spezielle Elektrofahrzeuge (wie auch für Standardfahrzeuge) oder in den Produktionslinien selbst. Einige Beispiele sind Volkswagen, Seat, Toyota oder Lexus, aber wie wir bereits erwähnt haben, gibt es noch viele mehr. Andererseits sind 3D-Drucker nicht das Einzige, was die Marken verwenden. Ein weiteres deutliches Beispiel für den Einsatz von 3D-Technologien in der Automobilindustrie sind 3D-Software, 3D-Scanner und Testfahrzeuge.

Die meisten Marken verwenden eine oder zwei spezifische Technologien, wie z. B. Koenigsegg mit FDM und Harz oder Volkswagen mit HP Metal Jet. Das bedeutet, dass es nicht nur eine Art von Technologie gibt, die speziell für Elektrofahrzeuge entwickelt wurde, sondern dass man je nach der gewünschten Anwendung die eine oder andere Technologie verwenden kann.

Was die mit der additiven Fertigung von Elektrofahrzeugen kompatiblen Materialien betrifft, so waren die Hersteller ursprünglich auf die Verwendung von Kunststoffen beschränkt. Im Laufe der Zeit hat sich die Palette der kompatiblen Materialien jedoch erweitert und umfasst nun eine große Vielfalt. Am häufigsten werden in der Branche jedoch thermoplastische Materialien wie ABS, Nylon oder Harze verwendet.

Bei den meisten der auf den oben genannten Materialien aufgedruckten Teile handelt es sich um unkritische Teile für das Fahrzeug. Das bedeutet, dass sie keinen Einfluss auf den Betrieb oder die Handhabung des Fahrzeugs haben. Es ist jedoch möglich, sicherheitskritische Teile für Elektrofahrzeuge in 3D zu drucken. In der Tat gibt es Unternehmen, die dies bereits tun. Diese Teile werden in der Regel nicht mit Polymeren, sondern mit Metallen und Legierungen gedruckt. Die am häufigsten verwendeten sind Titan- und Aluminiumlegierungen.

Anwendungen und Einsatzmöglichkeiten

Einige Hersteller haben erkannt, dass 3D-gedruckte Teile nicht nur schneller und kostengünstiger zu produzieren sind als herkömmliche Methoden, sondern auch genauso haltbar. Diese gedruckten Teile werden harten Tests unterzogen, um ihre Grenzen kennenzulernen, damit sie in die Fahrzeugproduktion einfließen können. Ganz gleich, ob die Teile aus Metall, Kunststoff oder Keramik gedruckt werden, sie müssen alle strengen Tests unterzogen werden.

Anfangs zögerten die meisten Unternehmen, mit einem 3D-Drucker hergestellte Teile in ihren Fahrzeugen einzusetzen. Im Laufe der Zeit hat sich jedoch gezeigt, dass diese Teile solide, robust und langlebig sind. In der Tat gibt es heute bereits viele Marken, die mit diesen Technologien hergestellte Teile in ihre Fahrzeuge einbauen. Marken wie Volkswagen haben bis zu 13 verschiedene Automodelle, die 3D-gedruckte Teile enthalten, sei es aus Metall oder Kunststoff. Laut Dr. Stefan Leest, Chief Technology Officer von Volkswagen, sind 3D-gedruckte Teile genauso stabil wie Teile, die mit traditionellen Methoden hergestellt werden.

Beispiele für diese Anwendungen sind Fahrzeugverkleidungen wie Armaturenbretter, Sitzrahmen, Bedienfelder, Lüftungsöffnungen und Kühlkanäle, Beleuchtungsarmaturen, Abdeckungen und Konsolenzubehör. Darüber hinaus werden auch wichtige Fahrzeugteile wie Halterungen, Gehäuse, Doppelquerlenkeraufhängungen und Bremskomponenten zunehmend in 3D gedruckt.

Ein anschauliches Beispiel kommt von LEXUS, als das Unternehmen Ende 2023 ankündigte, dass in seiner neuen Version des Sportwagens LEXUS LC500 der 3D-Druck zur Herstellung der AT-Ölkühlerkanäle eingesetzt werden würde. Anfänglich wurden Zweifel an dem Projekt für diesen Hybrid-Supersportwagen geäußert. Tomohiro Ohno, Karosseriedesigner bei LEXUS, erklärte: „Die beiden wichtigsten Fragen waren, ob die Kosten in Anbetracht der geringen Stückzahl machbar sind und wie die Qualität der mit 3D-Druckern hergestellten Teile bestimmt werden kann.“ Nach strengen Tests wurde das Projekt schließlich genehmigt, und im Jahr 2024 werden wir den LEXUS LC500 mit 3D-gedruckten Teilen auf der Straße sehen.

Ein weiteres Szenario, in dem sich der 3D-Druck in Elektro- oder Hybridautos widerspiegelt, betrifft die berühmte Hypercar-Marke Koenigsegg. Diese Marke verwendet FDM- und Harz-3D-Drucker in ihren Fahrzeugen, um Tausende von Teilen herzustellen. Und das alles mit Hilfe der Software 3DPrinterOS. Christian von Koenigsegg, Schöpfer und Direktor der Marke, erklärte in The Quail während der Monterey Car Week, dass sie ihr eigenes Harz herstellen, dessen Verkauf aber nicht öffentlich ist. Er fügte hinzu: „Wir drucken Gehäuse für elektronische Steuergeräte, Düsen zum Sprühen unter den Lüftungsöffnungen, Lamellen, diese Art von Dingen werden bei hohen Temperaturen gedruckt.“

Vorteile und Herausforderungen beim Einsatz des 3D-Drucks für Elektrofahrzeuge

Wie wir bereits erwähnt haben, befindet sich der 3D-Druck bei Elektrofahrzeugen auf einem der höchsten Niveaus seit seiner Einführung in der Automobilbranche. Viele Unternehmen nutzen diese Technologien, um Prototypen zu erstellen, wie im Fall des neuen CUPRA, oder einfach um Teile für ihre bestehenden Fahrzeuge kostengünstiger zu gestalten. Dr. Werner Tietz, technischer Leiter von CUPRA, erklärt: „Der 3D-Druck ermöglicht es uns, Prototypen schnell und kostengünstig zu erstellen, was uns hilft, den Entwicklungsprozess zu straffen.“

Darüber hinaus sind die Produktionskosten für Prototypen mit der additiven Fertigung beeindruckend niedriger als bei herkömmlichen Verfahren. Das Gleiche gilt für die Herstellungszeiten: Der 3D-Druck bietet Vorteile, von denen man bei herkömmlichen Methoden nicht einmal zu träumen gewagt hätte.

Es ist auch erwähnenswert, dass viele Marken diese Software sowohl für das Design ihrer Fahrzeuge als auch für den Betrieb der Steuereinheit des Fahrzeugs verwenden. MG Motors zum Beispiel wird Snapdragon in diesem Jahr in seinem neuen MG Coupé-Modell einsetzen, um die verschiedenen Funktionen des Fahrzeugs zu steuern. Wenn die Testfahrzeuge in 3D hergestellt werden, sinken die Kosten erheblich, so dass das Testen der Fahrzeuge viel billiger wird. Dies ist der Fall bei Tesla mit seinen Autos, die mit Hilfe des Binder Jetting hergestellt werden.

Ein weiterer großer Vorteil, den die additive Fertigung für die Elektroautoindustrie mit sich bringt, ist die Individualisierung. Die Möglichkeiten, die Industrie 4.0-Technologien wie der 3D-Druck für die Entwicklung und das Design von Elektrofahrzeugen bieten, sind praktisch unbegrenzt. Aus diesem Grund bieten bereits mehrere Unternehmen diese Möglichkeiten an. Eine Marke, von der wir schon viel gehört haben, ist XEV, die der Öffentlichkeit das bereits erwähnte Modell YOYO anbietet. Dabei handelt es sich um ein Auto, das dank des 3D-Drucks mehrere anpassbare Designs bietet. Ein weiteres Beispiel ist das Konzeptauto Toyota Ubox, das ein anpassbares Auto zu sein versprach, aber das Konzept ist noch nicht vollständig entwickelt.

Trotz der vielen Vorteile gibt es in der additiven Fertigung in der Automobilindustrie eine Reihe von Herausforderungen, die ihre Entwicklung und Weiterentwicklung behindern. Dazu gehören Arbeitskräfte, denn für die Konstruktion und Herstellung von 3D-Teilen werden auf die Automobilindustrie spezialisierte CAD-Konstrukteure und Mitarbeiter wie Maschinentechniker benötigt. Zwar gibt es heute einen Mangel an Fachleuten, die in beiden Bereichen ausgebildet sind, aber immer mehr Menschen studieren in diesen Berufen.

Der Diebstahl von geistigem Eigentum ist ein weiteres großes Hindernis für die additive Fertigung in EV. Es gibt eine Reihe von Schlupflöchern, durch die der Nachbau von Teilen und die fehlende Möglichkeit, Patente geltend zu machen, zum Brotberuf der Branche geworden sind. Es mangelt an Gesetzen, die die Entwürfe der restlichen Welt schützen, weshalb viele Marken und Unternehmen davor zurückschrecken, eine Karriere im 3D-Druck von Elektrofahrzeugen zu beginnen. Dies ist sogar bei Standardfahrzeugen ein Problem, wie das Verbot von 3D-Druckdateien durch Honda vor ein paar Jahren gezeigt hat.

Diese beiden Herausforderungen, die wir gerade erläutert haben, sind nur zwei von vielen, mit denen sich neue Technologien auseinandersetzen müssen, um auf den Markt zu kommen. Es gibt auch Probleme wie die Geschwindigkeit der Massenproduktion von Teilen, da einige mit traditionellen Methoden immer noch schneller hergestellt werden könnten. Es stimmt zwar, dass wir bereits über die schnelle Herstellung von Teilen durch 3D-Druck gesprochen haben, aber dies bezieht sich oft auf kleine Serien von Komponenten, Prototypen oder Einzelteilen. Wenn es um die Massenproduktion geht, wird der Spieß umgedreht. Auch die Herstellung großer Teile ist eine Aufgabe, bei der die additive Fertigung noch sehr eingeschränkt ist. Wir hoffen, dass all diese Herausforderungen im Laufe der Jahre der Vergangenheit angehören und dass sich der 3D-Druck in der EV-Industrie weiterentwickelt und ein Vorher und Nachher etabliert.

Wie sieht die Zukunft des 3D-Drucks von Elektrofahrzeugen aus?

Wir haben über die Vergangenheit und Gegenwart von 3D-gedruckten Elektrofahrzeugen gesprochen. Aber was bringt die Zukunft für diesen Sektor? Generell gibt es viele Spekulationen, aber eines ist sicher: Nach der Entwicklung, die wir in den letzten zehn Jahren beobachtet haben, wissen wir, dass er weiter wachsen wird. Das beweist die Tatsache, dass einige Marken für das Jahr 2024 eine Reihe von Projekten bestätigt haben, bei denen additive Fertigungstechnologien zum Einsatz kommen, wie zum Beispiel bei Marken wie Liux, Seat oder Cupra.

Ein anderes Unternehmen, das ebenfalls hofft, auf diesem Gebiet weitere Fortschritte zu machen, ist der deutsche Volkswagen-Konzern. Das Unternehmen arbeitet derzeit an der Einführung des 3D-Drucks bei Elektrofahrzeugen. Dazu gehört die sportlichere, geländegängige Version des ID.4 GTX EV, genannt ID.4 XTREME, ein Elektroauto, bei dem die additive Fertigung eine sehr wichtige Rolle bei den Designkomponenten spielt.
Zu den oben erwähnten Marken gehört auch Liux. Es handelt sich um eine Marke spanischen Ursprungs, die sich zum Ziel gesetzt hat, die Elektroautoindustrie zu revolutionieren. Nach jahrelanger Entwicklung verschiedener Projekte, um mehrere Autos auf den Markt zu bringen, scheint es nicht mehr lange zu dauern, bis die Öffentlichkeit in den Genuss dieser Autos kommen wird. Unter den drei möglichen Fahrzeugen ist das herausragendste das Liux Animal, ein Elektroauto, das nachhaltige Materialien wie Leinen verwenden und in 3D gedruckt werden soll.

Was die Zukunft bringt, ist noch unbekannt, aber klar ist, dass das, was wir bisher gesehen haben, erst der Anfang einer neuen Ära in der Automobilindustrie ist. Elon Musk, CEO von Tesla und SpaceX, sagte in Bezug auf Elektrofahrzeuge: „3D-gedruckte Autos sind ein wichtiger Schritt in Richtung einer nachhaltigeren und effizienteren Zukunft in der Transportindustrie.“ Ein weiteres deutliches Beispiel für die Vorteile des 3D-Drucks in diesem Sektor sind die Worte von Jim Hackett, CEO der Ford Motor Company: „3D-gedruckte Elektroautos haben das Potenzial, die Automobilindustrie zu revolutionieren und leichtere, effizientere und nachhaltigere Fahrzeuge zu schaffen“.

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