Die Automobilindustrie steht an der Schwelle zu einer technologischen Revolution. Ein wesentlicher Faktor dieser Entwicklung ist die Einführung von 3D-gedruckten Metallformen, die vor allem in den Vereinigten Staaten die Herstellung von Fahrzeugkomponenten maßgeblich beschleunigen und effizienter gestalten könnten. Die Forschungsergebnisse des Oak Ridge National Laboratory (ORNL), eines führenden US-Forschungslabors, haben deutlich gemacht, dass der additive Fertigungsprozess für Metallwerkzeuge eine vielversprechende Alternative zu herkömmlichen Produktionsmethoden darstellt. Der traditionelle Herstellungsprozess von Metallformen ist oft langwierig, materialintensiv und durch Lieferkettenprobleme belastet. Ursprünglich werden Formen aus großen Stahlblöcken gefertigt, wobei bis zu 98% des eingesetzten Materials beim Herausfräsen und Formen verloren gehen.
Dieser subtraktive Prozess führt zu hohen Kosten und erhöhtem Abfallaufkommen. Demgegenüber steht das additive Fertigungsverfahren, das Metall schichtweise aufträgt. Dabei wird eine Metalllegierung – in den Versuchen meist Edelstahl ER410 – mithilfe eines gasmetallschweißenden Lichtbogens präzise zum Wachsen komplexer Strukturen angeregt. Dieses Verfahren verwendet gängiges Schweißdrahtmaterial, ist kostengünstig und reduziert den Materialverlust auf etwa 10%. Hinzu kommt die Möglichkeit, hochkomplexe Geometrien umzusetzen, die mit traditionellen Methoden kaum zu realisieren sind.
Besonders hervorzuheben sind interne Heizkanäle in den Metallformen, die eine optimale Temperaturführung erlauben und die Materialeigenschaften der eingesetzten Verbundstoffe verbessern. Genau solche innovationsträchtigen Details eröffnen neue Potenziale für die Serienfertigung leichter und widerstandsfähiger Autoteile. Die 3D-gedruckten Formen bieten nicht nur eine schnellere Produktionsgeschwindigkeit, sondern sind auch flexibler hinsichtlich Anpassungen und Designänderungen. Das beschleunigt die Produktentwicklung und reduziert die Durchlaufzeiten erheblich. Zudem verringert das additive Verfahren den Stress auf Lieferketten, da die für den Prozess notwendigen Materialien und Komponenten lokal verfügbar sind und keine massiven Stahlblöcke in großen Mengen eingekauft werden müssen.
In Kooperation mit Collaborative Composites Solutions (CCS) und dem IACMI–The Composites Institute wurden im Zuge der ORNL-Forschungen großformatige Formen für Batteriegehäuse gefertigt. Diese komplexen Bauteile erfordern präzise, temperaturgeführte Formen, deren Herstellung durch 3D-Druck eine optimale Lösung darstellt. Besonders der Einsatz des gasmetallschweißenden Lichtbogens (GMAW) sicherte durch die Verwendung einer Schutzgasatmosphäre die Qualität der gedruckten Metalloberflächen und verhinderte Verunreinigungen. Die Anwendung eines speziellen Werkzeugpfad-Algorithmus sorgte dabei für Gewichtsreduktion ohne Einbußen bei Festigkeit und Stabilität. Die realisierten Metallformen ließen sich im Praxistest als leistungsfähig und langlebig bestätigen, was den großtechnischen Einsatz des Verfahrens für die Serienproduktion von Automobilkomponenten untermauert.
Neben der automobilen Batteriegehäuseproduktion versprechen die Fortschritte im 3D-Metalldruck auch Vorteile für andere Bereiche der Fahrzeugherstellung. Die wachsende Bedeutung von Leichtbau-Verbundenstoffen, die nicht nur Treibstoff- und Energieeffizienz steigern, sondern auch Umweltziele unterstützen, erfordert innovative Werkzeuge, die genau solche Materialien am effizientesten verarbeiten können. Die additive Fertigung erlaubt durch individuelle Gestaltungsmöglichkeiten und schnelle Iterationen eine flexible Anpassung an neue Materialien sowie an spezifische Anforderungen verschiedener Fahrzeugmodelle. Damit trägt die Technologie zu einer nachhaltigen Modernisierung der US-amerikanischen Automobilindustrie bei. Durch die Reindustrialisierung und die Einführung intelligenter, automatisierter Herstellungsprozesse kann der Standort USA im globalen Wettbewerb signifikant gestärkt werden.
Die Kombination aus innovativem 3D-Druck, digitaler Produktionsplanung und smarter Automatisierung öffnet neue Wege für das produktive Zusammenwirken von Forschung, Entwicklung und Produktion. Das Ziel ist, schneller auf Marktanforderungen zu reagieren, ressourceneffizient zu produzieren und gleichzeitig qualitativ hochwertige Produkte zu liefern. Auch ökonomisch betrachtet bietet die additive Fertigung von Metallformen erhebliche Vorteile. Geringerer Materialverbrauch, reduzierte Produktionszeiten und verkürzte Lieferketten führen zu geringeren Kosten bei gleichzeitiger Optimierung der Produktqualität. Außerdem ermöglicht die Technologie eine Skalierbarkeit der Produktion von Prototypen bis zur Massenfertigung, die mit herkömmlichen Methoden so flexibel kaum möglich ist.
Durch die verbesserte Integration neuartiger Bauteile – wie zum Beispiel batterieseitig optimierter Gehäuse – können Fahrzeughersteller den Übergang zu nachhaltigen Antriebstechnologien beschleunigen. Damit leistet der 3D-Druck von Metallformen nicht nur einen Beitrag zur industriellen Innovation, sondern auch zu technologischer Nachhaltigkeit und Energieeffizienz. Im wissenschaftlichen Kontext geht die Forschung am ORNL auch über die reine Produktion hinaus. Es werden Verfahren zur Optimierung der Metalllegierungen, der Schweißparameter und der Werkzeugpfade erforscht, um noch effizientere und langlebigere Werkzeuge zu generieren. Moderne Simulationstechniken sowie maschinelles Lernen helfen dabei, den Fertigungsprozess weiter zu verbessern und Fehlerquellen frühzeitig zu erkennen.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass der 3D-Druck von Metallformen das Potenzial hat, die US-Automobilfertigung grundlegend zu verändern. Die Kombination aus reduzierten Kosten, kürzeren Produktionszeiten und höherer Fertigungskomplexität unterstützt die Hersteller dabei, hochwertige und zugleich nachhaltige Fahrzeuge effizienter zu produzieren. Die Technologie gilt als wichtiger Baustein einer zukunftsfähigen Automobilproduktion, die den steigenden Anforderungen an Umweltfreundlichkeit, Kundenspezifität und Wettbewerbsfähigkeit gerecht wird. Während die US-Industrie dadurch weiter an Attraktivität gewinnt, wird gleichzeitig ein Impuls zur globalen Innovationsführerschaft gegeben. Die Verbindung von additiver Fertigung, intelligentem Design und automatisierter Produktion ist ein Schlüsselfaktor, um auch in Zeiten wachsender internationaler Konkurrenz technologisch an vorderster Front zu bleiben.
Experten wie Andrzej Nycz von ORNL sehen die Zukunft der Industrie deshalb in der Verschmelzung von Digitalisierung und Herstellung – unterstützt durch die neuen Möglichkeiten, die der 3D-Druck gerade im Bereich der Metallwerkzeuge eröffnet. Die kommenden Jahre werden zeigen, wie schnell sich diese Technologien etablieren und welchen Einfluss sie auf die gesamte Wertschöpfungskette der Automobilindustrie haben werden. Eines ist jedoch sicher: Der 3D-Druck von Metallformen ist nicht nur ein vorübergehender Trend, sondern eine nachhaltige Innovation mit tiefgreifender Wirkung auf die Produktionslandschaft der USA und darüber hinaus.
