Wie zukünftige Autos wie Smartphones entworfen und hergestellt werden könnten

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Kevin Czinger geht davon aus, dass Autos wie Smartphones entworfen und hergestellt werden können, wobei Marken mit Hilfe von künstlich intelligenten und maschinell erlernten Supercomputern Produkte entwickeln, die man haben muss, und die Konstruktion einer deglobalisierten Konstellation von Vertragsherstellern überlassen wird. Additive Fertigung oder 3D-Druck ist der Schlüssel zu seiner Vision und die Mission seines Unternehmens Divergent 3D.

Als ich 2017 zum ersten Mal über Czingers Idee berichtete, bestand seine Fahrzeugarchitektur aus 3D-gedruckten Aluminiumknoten, die auf Länge geschnittene Standard-Carbonfaserrohre miteinander verbanden. Heute gibt es keine Carbonrohre mehr, und die Knotenpunkte haben sich zu weitaus intelligenteren Strukturen wie Hilfsrahmen (für den Aston Martin DBR22), Aufhängungskomponenten, einem Getriebegehäuse (von Xtrac) und vielleicht bald einem Motorblock entwickelt.

Das Czinger 21C-Hyperauto, mit dem wir gefahren sind, ist ein glamouröser Proof of Concept für eine umfassendere Vision, in der eine emissionsarme Fertigung mit geringen Investitionen einen erschwinglichen Transport ermöglicht. Zu den beeindruckendsten Entwicklungen seit 2017 gehören die von Czingers Firma entwickelten computergestützten Designalgorithmen, die die Bidirektionale Evolutionäre Strukturoptimierung (BESO) nutzen. Dieser iterative Designprozess bestimmt nicht nur die Form des Bauteils, das vom 12-Laser-Pulvermetall-Sinter-„Drucker“ hergestellt werden soll, sondern auch die ideale Legierung, aus der es besteht.

Ingenieure beginnen mit der Definition der grundlegenden geometrischen Form eines Teils oder einer Struktur, seiner Montageorte, der Lasten, die es unter normalen Bedingungen tragen soll, der Verformung, die es bei einem Unfall zulassen muss, Ermüdungsanforderungen, Bedenken hinsichtlich der Reparierbarkeit und Umgebungsbedingungen (z. B. ob es sein wird). korrosiven Elementen oder extremen Temperaturen ausgesetzt sind?) und schließlich Gewichts- und Kostenziele. Sobald alle diese Bedingungen programmiert sind, wählen Czingers Algorithmen aus 28 erschwinglichen, allgemein zugänglichen Elementen eine ideale Metalllegierung für das Teil aus. Es definiert auch die ideale Form und platziert Material nur dort, wo es für die Struktur, den Flüssigkeitsfluss oder aus anderen Gründen erforderlich ist. Schließlich programmiert es die laserenergieeffizienteste 3D-Druck-Schichtstrategie für das Teil.

Bei Bedarf kann der Computer eine Struktur oder ein Teil in kleinere Teile unterteilen, die in den jeweiligen 3D-Drucker passen, und den besten Ansatz für die Verbindung einzelner Teile empfehlen – entweder durch Kleben oder (bei reparierbaren Teilen) durch mechanische Befestigung. Verklebte Teile erhalten die Laschen und Schlitze oder Fenster, die zum Auftragen und/oder Aushärten der verschiedenen Klebstoffe erforderlich sind. Eines davon härtet in 60 Minuten im Ofen aus, ein anderes von Czinger patentiertes Modell härtet in 2,0 Sekunden mit ultraviolettem Licht aus. Letzteres wird zum „Heftschweißen“ von Teilen verwendet, die für den Ofen bestimmt sind. Das Ziel besteht darin, dass jedes Teil aus diesen Form- und Verbindungsprozessen hervorgeht, die keine weitere Wärmebehandlung oder Korrosionsschutzmaßnahmen erfordern und vor der Endmontage nur eine minimale Bearbeitung und Nachbearbeitung erfordern.

Das Ergebnis ist ein leichtes, stabiles Teil, das die Gesamtzahl der Teile reduziert und Untermontageprozesse eliminiert, wie bei einem Tesla-Gigacasting, aber ohne die gigantischen Werkzeugkosten für den Kauf einer riesigen Gussanlage und die Herstellung komplexer Formen für mehrere Teile. Für die Herstellung jedes Teils wird deutlich weniger Energie benötigt, und Produktdesignänderungen sind so einfach wie das Flashen eines neuen Codes auf dem Drucker. Auch der Umstieg von der Produktion eines Teils auf die Produktion eines anderen Teils auf derselben Maschine ist minimal.

Die von Czinger vorgeschlagene Montagelinie nimmt eine sechseckige Grundfläche mit einer Breite von etwa 75 Fuß ein und kann 10.000 rollende Fahrgestelle oder 100.000 Hilfsrahmen pro Jahr montieren. Die Einrichtung und Inbetriebnahme dieser Linie dauert etwa wie bei den 3D-Druckmaschinen zwei bis drei Wochen, wodurch dieser Fertigungsbetrieb mit geringem Platzbedarf sehr schnell skalierbar und äußerst anpassungsfähig ist.

Bei einem solchen Vorgang verschwindet die Gewinnschwelle für ein bestimmtes Produkt praktisch und die Folgen eines fehlerhaften Produktdesigns werden nahezu eliminiert, da die Maschinen mit minimalem Aufwand an herkömmlichen Werkzeugen schnell für die Herstellung von Teilen für ein anderes Auto oder eine andere Branche programmiert werden können. Die Bevorratung sperriger Ersatzteile entfällt, da Ersatzteile bei Bedarf gedruckt werden können.

Ich bin am meisten von Czingers 3D-gedrucktem Motorblockkonzept begeistert. Er ist nicht bereit, Einzelheiten zu sagen, aber stellen Sie sich vor, das gesamte Kühlmittel und Öl in Kanälen optimal durch den Block zu leiten, ohne Rücksicht auf das Einfüllen oder Ausschütteln von Sandkernen. Ölkanäle und Spritzvorrichtungen könnten fast überall platziert werden, der Kühlmittelfluss könnte auf nie zuvor mögliche Weise gelenkt werden und der Motor benötigt möglicherweise keine externen Flüssigkeitsleitungen – vielleicht könnte die Legierung sogar lokal geändert werden, um sie an verschiedene Teile des Motors anzupassen. Die endgültige Bearbeitung und Montage des Motors würde erheblich reduziert, die Zuverlässigkeit verbessert und das äußere Erscheinungsbild wird mit Sicherheit viel cooler sein.

Wenn ich mich über den drohenden Untergang der Verbrennungsmotoren beklage, kontert Czinger mit einem leidenschaftlichen Argument für E-Fuels, die aus recyceltem CO2 hergestellt werden – eine Sache, für die ich durch 3D-gedruckte Motoren neuen Anstoß gebe, mich dafür einzusetzen.