Wie mit SLS-3D-Druck Polizei- und Spezialfahrzeuge produziert werden

MOSOLF Special Vehicles GmbH ist ein führender Hersteller von Spezialfahrzeugen mit Sitz in Kippenheim, Deutschland. Das knapp 50 Mitarbeiter zählende Unternehmen produziert rund 1000 Spezial- und Einsatzfahrzeuge pro Jahr. Zu seinen Kunden zählen Länder- und Bundespolizeien, der Verteidigungssektor, der Katastrophenschutz, das Technische Hilfswerk, Kommunen sowie Industriekunden, die Fahrzeuge mit hohem Individualisierungsgrad und überragender Leistung benötigen.

In der Automobilindustrie werden die meisten Bauteile mittels Massenproduktionsverfahren wie Spritzguss gefertigt, welche bei standardmäßigen Produktionsserien von Hunderttausenden von Einheiten kosteneffizient sind. MOSOLFs Kundschaft benötigt jedoch eine breite Palette an individuellen Teilen in geringen Stückzahlen, bei denen sich die Kosten für das Produktionswerkzeug herkömmlicher Fertigungsmethoden nicht rentieren. Die ideale Lösung ist für MOSOLF daher der 3D-Druck.

Lesen Sie weiter, um zu erfahren, wie MOSOLF den SLS-3D-Druck (selektives Lasersintern) mit der Fuse-Serie einsetzt, um eine breite Palette von Endverbrauchsteilen für Polizeifahrzeuge und andere Spezial- und Einsatzfahrzeuge herzustellen.

„Unsere größte Herausforderung ist die Vielfalt“, erklärt Busam. Jedes Bundesland und jede Polizeibehörde kauft mehrere verschiedene Fahrzeugtypen – und jedes einzelne Fahrzeug kann dann je nach seinem spezifischen Zweck eine individuelle Anpassung erfordern. Auch die zu installierenden Bauteile sind unterschiedlich – so verwenden verschiedene Polizeien Funk- oder Signalsysteme unterschiedlicher Hersteller. Das bedeutet, dass jedes Fahrzeug eine große Menge an Sonderanfertigungen erfordert.

„Wir fertigen Fahrzeuge für 17 Polizeien in Deutschland, und jeder hat seine eigenen Vorstellungen, wie eine Ergonomie aussehen soll und wie er die Bedienung haben möchte. Dementsprechend sind die Stückzahlen in der Basiskonstruktion vergleichsweise hoch, aber wenn man den Grad der Individualisierung hinzunimmt, sind sie doch wieder gering“, erläutert Busam.

Das Team von MOSOLF baut auf Serienfahrzeugen auf, was bedeutet, dass handelsübliche Autos, Lastwagen und Transporter nach Bedarf umgerüstet werden. Für jede gewünschte Funktion muss das Team einen geeigneten Verbauort finden und sicherstellen, dass das Bauteil ergonomisch, robust und ästhetisch ist. Bei älteren Modellen war die Suche nach einem Verbauort einfacher, denn diese hatten mehrere leere Plätze im Armaturenbrett oder der Konsole, die MOSOLF für individuelle Komponenten nutzen konnte. Neuere Modelle haben sich als Herausforderung erwiesen.

„Fahrzeuge sind zunehmend mit Anzeigen überladen. Es keine DIN-Schächte mehr in den Fahrzeugen. Zwar gibt es einige Aufbewahrungsfächer und ein Ladegerät für das Handy, aber Bauräume zu finden, in denen alle Bedienelemente untergebracht werden können, ist schwierig. Vor allem bei verdeckten Autos, bei denen man nicht erkennen soll, dass es sich um ein Polizeifahrzeug handelt“, berichtet Busam.

MOSOLF's Weg in die Welt des 3D-Drucks begann 2016, als die bayerische Polizei einen Auftrag zur Ausstattung ihres gesamten Arsenals an Fahrzeugen und Motorrädern mit neuen, digitalen Funkgeräten erteilte.

„Wir mussten für jedes Auto und jedes Motorrad eine individuelle Lösung finden. Hätten wir alle Teile aus Blech geformt, wäre das unglaublich zeitaufwändig gewesen oder die Lösungen wären nicht besonders schön gewesen, also haben wir den ersten Schritt in die 3D-Welt gemacht.“

Das Team nutzte für seine Produktion zunächst das 3D-Druckverfahren der Schmelzschichtung (FDM-3D-Druck), das zu diesem Zeitpunkt die erschwinglichste und unkomplizierteste Technologie war, die ihren Anforderungen entsprach. Schnell jedoch stießen sie an ihre Grenzen. Der FDM-Druck ließ sich schwer auf ausreichend hohe Stückzahlen skalieren, um die Aufträge abzuwickeln, und die Druckteile selbst waren nicht von industrieller Qualität.

SLS-3D-Druck wäre der logische nächste Schritt gewesen, aber mit Geräten, die bei rund 200 000 Euro beginnen, war er für kleine Unternehmen unerschwinglich – bis die Fuse-Serie von Formlabs auf den Markt kam.

„Der SLS-Druck ist ideal für MOSOLF, weil er eine hervorragende Qualität, eine hohe Genauigkeit und eine hohe Materialleistung bietet und viele Bauteile auf einmal hergestellt werden können. Es ist kosteneffizient, weil das ganze System sehr, sehr erschwinglich ist“, urteilt Gerhard Duda, Geschäftsführer und Gründer der 3D-WERK Black Forest GmbH, einem Formlabs-Partner, der von Anfang an mit dem Team von MOSOLF zusammengearbeitet hat, um die besten Lösungen für das Unternehmen zu finden.

„Das Fuse-Ecosystem war für uns das Passende, weil es für uns in Bezug auf die Bedienung und den Workflow am einfachsten zu handhaben ist“, fügt Busam hinzu.

Im Vergleich zu herkömmlichen Massenproduktionsverfahren wie Spritzguss, Thermoformen oder Blechumformung liegt der größte Vorteil der additiven Fertigung darin, dass sie kundenspezifische oder in kleinen Stückzahlen hergestellte Endverbrauchsteile ohne teures Produktionswerkzeug liefern kann.

„Wir verwenden die SLS-Technologie und insbesondere den Fuse 1+ 30W für verschiedene Bauteile, von den kleinsten, einfachsten Designs bis hin zur komplizierten Konsole, die in das Auto eingebaut wird. Wir haben diese Technologie intensiv verfolgt und der Fuse erfüllt etwa 80 % unserer Anforderungen“, so Tiberiu Morariu, Leiter der Prototypenentwicklung, des Designs und der technischen Konzeption bei MOSOLF.

„Die Anforderungen sind von Bundesland zu Bundesland und von Polizeidienststelle zu Polizeidienststelle unterschiedlich. Mit 3D-Druck ist das einfach leichter umzusetzen. Man kann von Fahrzeug zu Fahrzeug schnell umkonstruieren. Wenn es sich um das gleiche Auto handelt, bleibt die Kontur gleich, aber die Systeme, die anschließend in das Fahrzeug eingebaut werden, die sind sehr unterschiedlich“, erklärt Morariu.

Die unkomplizierte Individualisierung beschleunigt sowohl die Prototypenentwicklung als auch die Produktion erheblich, zumal sowohl Prototypen als auch endgültige Teile für auf demselben Gerät hergestellt werden können.

„Für mich als Designer gibt es nichts Schöneres, als heute eine Idee im Kopf zu haben, sie zu zeichnen und sie dann am nächsten Tag in den Händen zu halten und zu betrachten“, so Morariu.

Einer der Hauptvorteile des SLS-3D-Drucks besteht darin, dass Konstruktionsteams mit den mechanischen Eigenschaften der verfügbaren Materialien bereits vertraut sind, z. B. Nylon, das in der Automobilindustrie häufig für die Herstellung von Teilen für den Innen- und Außenbereich zum Einsatz kommt. Das Team von MOSOLF hat ein gutes Verständnis von der Leistung von SLS-3D-gedruckten Teilen aus Nylon, sodass es beim Design die Funktionalität im Fokus behalten und sogar einige Originalbauteile aus Metall ersetzen kann.

„Mit dem Fuse-Ecosystem haben Sie natürlich das perfekte Material. Es ist einsatzbereit. Das gibt es schon sehr, sehr lange. Und es ist gründlich getestet worden“, fasst Duda zusammen.

Neben der Haltbarkeit ist die Hitzebeständigkeit eines der wichtigsten Kriterien für Anwendungen in der Automobilindustrie. Das FDM-Material PLA kommt hierfür nicht infrage, da seine Wärmeformbeständigkeitstemperatur (HDT) nur etwa 50 ºC bei 0,45 MPa beträgt. ABS hat eine HDT von 90 ºC bei 0,45 MPa, was zwar besser ist, aber immer noch an oder unter der Grenze für viele Anwendungen liegt. Mit einer HDT von 171 °C bei 0,45 MPa bietet Formlabs' Nylon 12 Powder eine wesentlich höhere Hitzebeständigkeit, sodass keine Gefahr besteht, dass Funktionsteile wie z. B. eine Funkgerätehalterung versagen, wenn sich das Fahrzeug im Sommer auf dem Parkplatz aufheizt.

In manchen Fällen werden Fahrzeuge an Polizei- oder Notfallkräfte verleast und nach ihrer Nutzungsdauer an Zivilisten oder andere Staatsorgane verkauft. Um dies zu ermöglichen, muss das MOSOLF-Team bei der Nachrüstung Schäden oder dauerhafte Veränderungen an den Fahrzeugen vermeiden, sodass sie am Ende ihrer Nutzungsdauer leichter in ihren ursprünglichen Zustand zurückversetzt werden können. Die additive Fertigung macht auch dies einfacher: Anstatt bestehende Bauteile permanent zu verändern, ersetzt das Team sie gegen 3D-gedruckte Teile, die später ausgetauscht werden können.

Aufbauend auf ihrem Erfolg mit dem SLS-3D-Druck prüfen die Teams von MOSOLF und 3D-WERK nun, wie sie weitere Materialien und zusätzliche Drucker einsetzen können, um eine noch größere Bandbreite an Bauteilen in Spezialfahrzeugen zu ersetzen.

„Es passiert mir auch jetzt noch, nach den vielen Jahren, wo wir den additiven Bereich betreiben, dass ich staunend vor Produkten stehe, die wir selbst konstruiert haben, die wir selbst gedruckt haben, mit all den Funktionalitäten und Möglichkeiten, die der 3D-Druck bietet“, so Michael Ringwald, Geschäftsführer bei MOSOLF.