Wie Tesla Giga Nevada mit dem Fuse X1 große Teile in unter 24 Stunden liefert

Tesla hat drei Teams für die additive Fertigung, die sich in Nevada, Kalifornien und Texas befinden. Für alle drei Abteilungen ist Geschwindigkeit das A und O. Die Teile müssen innerhalb von 24 Stunden geliefert werden, und das dreiköpfige Team für additive Fertigung bei Tesla Giga in Nevada liefert sogar 10 000 bis 30 000 Teile pro Woche. Drucker müssen schnell sein, Umrüstzeiten minimal und die Betriebszeit ist entscheidend. 

Um mit Selektivem Lasersintern (SLS) 3D-gedruckte Teile in weniger als 24 Stunden zu liefern, lässt der technische Mitarbeiter Cody Jepsen seine herkömmlichen SLS-Drucker im Großformat nur bis zur halben Höhe drucken und muss große Teile in Abschnitte unterteilen, damit der Druck innerhalb des vorgegebenen Zeitrahmens abgeschlossen werden kann. Das bedeutet jedoch zusätzlichen Zeit- und Arbeitsaufwand für die Vorbereitung der Druckdateien sowie das Zusammenkleben und Schleifen der Teile. 

Mit dem Fuse X1 ändert sich das jedoch. Jepsen kann jetzt in 24 Stunden große – mehr als doppelt so hohe – Teile 3D-drucken, ohne sie zu unterteilen. Das spart Zeit und Arbeitsaufwand und liefert stärkere, widerstandsfähigere Prototypen sowie Vorrichtungen, Halterungen und Werkzeuge für die Produktionslinien.

Tesla Giga verfügt über mehrere herkömmliche SLS-Drucker im Großformat. Obwohl sie große Bauvolumen haben, sagt Jepsen: „Wir versuchen, unsere Drucke in weniger als 24 Stunden abzuschließen. Wir nehmen so viele Aufträge an, wie das Bauvolumen ermöglicht und wir trotzdem noch rechtzeitig fertig werden, um morgen dann mit dem nächsten Druck zu starten.“ Aufgrund dieser zeitlichen Einschränkungen druckt Tesla Giga auf seinen konventionellen Großformatdruckern nur Teile mit einer Höhe bis zu etwa 230 mm, was bedeutet, dass sie so effektiv nur die Hälfte ihres Bauvolumens nutzen.

Hier kommt der Fuse X1 ins Spiel. Das Bauvolumen des Fuse X1 beträgt 330 × 330 × 565 mm, also das 7,5-Fache des Fuse 1+ 30W, und dennoch sind die meisten Drucke in weniger als 24 Stunden fertig. Mit dem Fuse X1 kann Jepsen in 24 Stunden eine Bauhöhe von 565 mm erreichen – mehr als das Doppelte als mit herkömmlichen großformatigen SLS-3D-Druckern. 

Die Beschränkung auf 230 mm Bauhöhe bei herkömmlichen großformatigen SLS-3D-Druckern bedeutet, dass Teile unterteilt und Schwalbenschwanzverbindungen hinzugefügt werden müssen, was den Vorbereitungsprozess verlängert. Nach dem Druck müssen die Teile dann noch geklebt und geschliffen werden, was den Prozess weiter in die Länge zieht und arbeitsintensiver macht. Mit dem Fuse X1 kann Jepsen diese Teile in einem Stück drucken und spart so Zeit und Arbeitsaufwand für das Zerteilen, Hinzufügen von Schwalbenschwänzen, Kleben und Schleifen. Das mehr als doppelt so große effektive Druckvolumen ermöglicht es auch, mehr Teile in einem einzigen Druckvorgang unterzubringen, was einen höheren Durchsatz ermöglicht und Jepsen dabei hilft, sowohl den Rückstand als auch die Lieferzeiten zu verkürzen. Die Reduzierung des Rückstands bedeutet auch eine geringere Notwendigkeit, Teile auszulagern, was sowohl langsamer als auch bis zu viermal teurer ist als die Inhouse-Produktion.

Wegen der Begrenzung der Druckzeit auf 24 Stunden unterteilte Jepsen große Teile früher in Segmente mit einer Höhe von unter 230 mm, um sie in weniger als 24 Stunden drucken zu können. Dadurch wurde zwar die Druckzeit verkürzt, aber der Arbeitsaufwand erhöht.

Zunächst mussten die Teile in der CAD-Software aufgeteilt werden, einschließlich der Zeit für die Erstellung von Schwalbenschwanzverbindungen. Nach dem Druck mussten die Teile zusammengebaut werden, wobei jede Verbindung 5–10 Minuten zum Verkleben und 15–20 Minuten zum Schleifen erfordert. Für die Nachbearbeitungsvorrichtung waren dies zusätzliche 20–25 Minuten pro Vorrichtung. 

Da der Fuse X1 das komplette Teil in weniger als 24 Stunden drucken kann, muss Jepsen die Vorrichtung nicht in Abschnitte unterteilen. Außerdem kann er durch den einteiligen Druck mehr Vorrichtungen in einem einzigen Druckvorgang unterbringen. Nach dem Druck muss die Vorrichtung nur noch entpulvert und sandgestrahlt werden, was mit dem Fuse Blast automatisiert werden kann. 

Die Nachbearbeitungsvorrichtung ermöglicht es Technikern, Teile kontrolliert und wiederholbar anzupassen, um sie innerhalb der Spezifikationen zu halten. Ursprünglich wurden auf jedem herkömmlichen SLS-3D-Drucker im Großformat zwei Teile gedruckt, was 72 Stunden Druckzeit plus 72 Stunden Abkühlzeit pro Drucker in Anspruch nahm. Danach musste die Nachbearbeitungsvorrichtung geklebt und geschliffen werden. Auf dem Fuse X1 kann Jepsen in 24 Stunden fünf Nachbearbeitungsvorrichtungen in einem Durchgang drucken – ohne sie zu unterteilen. Der Druck in einem Stück sorgt für eine verbesserte Schlagfestigkeit und Maßgenauigkeit, was die Haltbarkeit erhöht und die Austauschrate reduziert.

Außerdem müssen Teile in herkömmlichen Großformat-SLS-Druckern im Drucker abkühlen, um die beste Druckqualität zu erzielen. Lösungen zur externen Kühlung bieten weniger Isolierung, wodurch Druckteile schneller abkühlen und das Risiko von Verzug steigt, insbesondere bei dünnen Teilen. Der Fuse X1 begegnet diesem Problem mit modularen Build Units, die über eine integrierte Isolierung verfügen. Die Drucke kühlen in der Einheit selbst ab, wobei optimale thermische Bedingungen aufrechterhalten werden, während der Drucker bereits mit dem nächsten Auftrag beginnen kann – noch bevor der vorherige Druck vollständig abgekühlt ist.

Jepsens Abteilung druckt viele Verpackungsprojekte, um Teile von einer Fabrik zur anderen zu transportieren. Ein Beispiel ist das Fensterregal, das während des Versands mehrere Fenster auf einer einzigen Palette hält. Die Herstellung des Fensterregals auf herkömmlichen großformatigen SLS-Druckern innerhalb von 24 Stunden würde bedeuten, dass jedes Teil in zwei Teile geteilt und dann vier vollständige Teile in einem einzigen Druckvorgang gedruckt werden. Mit dem Fuse X1 kann Jepsen acht Fensterregale in einem einzigen Druckvorgang drucken, der 24 Stunden dauert. Damit verdoppelt sich der Durchsatz im Vergleich zu herkömmlichen Großformat-SLS-Druckern, während der Arbeitsaufwand für das Verkleben von Teilabschnitten entfällt.

Die Durchlaufzeit für die Fensterregale ist wichtig, daher ist es von Vorteil, dass alle benötigten Regale in einen einzigen Druckauftrag in den Fuse X1 passen. So kann der Auftrag an einem Tag abgeschlossen werden, während er mit herkömmlichen großen SLS-Druckern zwei Tage in Anspruch nehmen würde. 

Die herkömmlichen SLS-Drucker im Großformat müssen von der Entfernung des Pulvers bis zur Reinigung von Laserfenstern und Luftleitblechen manuell 45 Minuten bis eine Stunde lang gereinigt werden. Dann muss das Gerät manuell gestartet werden, was bedeutet: Achsen referenzieren, Pulver hinzufügen und einen Vorheizzyklus starten. Außerdem ist die Dateieinrichtung für diese Geräte anspruchsvoll – durch die Wärmeverwaltung müssen große Teile sorgfältig platziert werden.

Jepsen ist der einzige am Standort, der die konventionellen großen SLS-3D-Drucker bedienen kann. „Wenn ich nicht da bin“, sagt er, „laufen diese Geräte nicht.“ Im Gegensatz dazu kann Jepsen Techniker innerhalb eines Tages für den Fuse X1 ausbilden.

Die Neueinrichtung des Fuse X1 dauert weniger als 15 Minuten: Die Baukammer wird einfach herausgerollt, überschüssiges Pulver abgesaugt und schon wird die neue Kammer eingesetzt. Die Druckeinrichtung ist mit der Druckvorbereitungssoftware PreForm einfach und intuitiv. Bei herkömmlichen SLS-Druckern schränkt die variable Wärmeverwaltung die Platzierung von Teilen und die Packdichte ein. Der Fuse X1 verfügt über adaptive Temperaturregelung, welche thermische Daten sammelt und verarbeitet, um 13 unabhängige thermische Zonen zu steuern, die das Pulver bei einer unglaublich präzisen und stabilen Temperatur liefern, halten und sintern. Dies eröffnet neue Möglichkeiten beim Packen von Druckaufträgen, da die Ausrichtung der Teile im Druckprozess weniger wichtig ist. So ist es einfacher, Teile in PreForm einzurichten und mehr Teile in einem einzigen Druckvorgang unterzubringen.

Das Team von Tesla verwendet einen kratzfreien Abstandshalter, um das Glas zu halten, ohne es zu beschädigen oder zu markieren. Es ist ein Provisorium, das sechs Monate lang benötigt wird.Jepsen hatte zunächst in Erwägung gezogen, die Abstandshalter spritzgießen zu lassen, stellte jedoch fest, dass die Pro-Teil-Kosten beim SLS-3D-Druck wettbewerbsfähiger waren. Vor dem Fuse X1 druckte Jepsen 10 000 bis 20 000 kratzfeste Abstandshalter pro Monat in dedizierten Druckaufträgen, da bei herkömmlichen großformatigen SLS-3D-Druckern das Bestücken kleiner Teile um ein großes Teil herum die Maßgenauigkeit der Teile beeinträchtigen würde, da dann die Temperaturregelung unzureichend ist. Dank der hohen Packdichten, die durch die adaptive Temperaturregelung des Fuse X1 ermöglicht werden, sagt Jepsen: „Mit dem X1 können wir diese Teile um andere Teile herum anordnen und so den ansonsten leeren Raum nutzen, was unsere Pro-Teil-Kosten weiter senkt.“   

Das Drucken der Abstandshalter mit konventionellen großformatigen SLS-Druckern war aufgrund der erforderlichen Einzelanfertigungen kostspieliger, sodass es auch Sinn gemacht hätte, nach zwei bis drei Monaten auf Spritzguss umzusteigen. Jepsen aber sagt: „Jetzt, mit den geringeren Pro-Teil-Kosten auf dem Fuse X1, ändert sich die Rechnung komplett und wir werden vielleicht überhaupt nicht auf Spritzguss umsteigen.“

Die 3D-Drucker von Formlabs sind seit dem Form 2 die Arbeitstiere in der additiven Fertigungsabteilung von Tesla Giga Nevada. Inzwischen sind dort auch Form 4 und Form 4L SLA-3D-Drucker und Fuse 1+ 30W SLS-Drucker im Einsatz, mit denen Teile aus Materialien wie dem hitzebeständigen Rigid 10K Resin, dem ESD Resin für elektronische Komponenten und der Tough-Familie für Teile, die die Produktionslinie überstehen müssen, gefertigt werden. Natürlich ist Geschwindigkeit immer von entscheidender Bedeutung. 

Angesichts der 10 000 bis 30 000 Teile, die Jepsens Abteilung pro Woche produziert, ist die Betriebszeit der Drucker von entscheidender Bedeutung. Die Möglichkeit, Geräte im eigenen Haus zu warten und zu reparieren, senkt die Ausfallzeit radikal. Bei herkömmlichen großen SLS-3D-Druckern führen Probleme oft dazu, dass man auf einen Servicetechniker warten muss. Mit den Druckern von Formlabs kann Jepsen Ersatzteile noch am selben Tag erhalten.

Jepsen sagt, dass die Absicht immer war, die Abteilung für additive Fertigung zu erweitern, aber dass diese Erweiterung mit schnelleren Druckern weniger notwendig wird. 

Neben dem höheren Durchsatz, den die zuverlässigen, schnellen Drucker bieten, bedeutet der geringe Platzbedarf des Fuse X1 von 1,3 m² auch, dass mehr Drucker auf derselben Fläche untergebracht werden können, was eine Expansion weniger notwendig macht.Jespen sagt, dass er mit den schnelleren Druckern die steigende Nachfrage im Unternehmen bewältigen konnte, ohne mehr Stellfläche zu benötigen. 

Mit den neuesten Technologien und über verschiedene Druckertechnologien hinweg liefert die Abteilung für additive Fertigung von Tesla Giga eine große Menge an Teilen in weniger als 24 Stunden.

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