Alles begann mit einer visionären Idee: Was wäre, wenn sich der 3D Druck – bislang zur Herstellung von Prototypen genutzt – so weiterentwickeln ließe, dass man damit Millionen identischer Gehäuse nach den genauen Designstandards von Apple aus hochwertigem recyceltem Metall herstellen könnte?
„Es war nicht einfach nur eine Idee – es war eine Idee, die real werden wollte“, sagt Kate Bergeron, Vice President of Product Design bei Apple. „Als wir uns diese Frage gestellt hatten, begannen wir sofort mit ersten Tests. Wir mussten durch kontinuierliche Prototypenentwicklung, Prozessoptimierung und Sammeln von enormen Datenmengen nachweisen, dass diese Technologie in der Lage wäre, unseren hohen Qualitätsstandards gerecht zu werden.“
In diesem Jahr werden alle Gehäuse der Apple Watch Ultra 3 und der Apple Watch Series 11 aus Titan mit zu 100 Prozent recyceltem Titanpulver in Raumfahrtqualität im 3D Druckverfahren gefertigt – ein Meilenstein, der in dieser Größenordnung zuvor nicht für möglich gehalten worden ist. Alle Teams bei Apple haben gemeinsam an dieser ambitionierten Vision gearbeitet. Das spiegelpolierte Finish der Series 11 musste makellos sein. Die Ultra 3 sollte ihre Langlebigkeit und ihr leichtes Design beibehalten, um den Anforderungen von Abenteur:innen im Alltag gerecht zu werden. Beide Modelle mussten außerdem gleichzeitig umweltfreundlicher sein, ohne dabei Kompromisse bei der Performance oder Materialqualität einzugehen.
„Bei Apple ist Umweltschutz ein zentraler Wert in jedem Team“, sagt Sarah Chandler, Vice President of Environment and Supply Chain Innovation bei Apple. „Uns war klar, dass die 3D Druck-Technologie enormes Potenzial für Materialeffizienz hat, was ein entscheidender Faktor auf unserem Weg zu Apple 2030 ist.“
Apple 2030 ist das ehrgeizige Ziel des Unternehmens, bis Ende dieses Jahrzehnts im gesamten Unternehmen CO₂ neutral zu sein, einschließlich der Fertigungslieferkette und der gesamten Nutzungsdauer seiner Produkte. Bereits heute stammt der gesamte Strom, der für die Fertigung der Apple Watch verwendet wird, aus erneuerbaren Energiequellen wie Wind- oder Solarenergie.
Beim additiven 3D Druckverfahren wird Schicht für Schicht gedruckt, bis das Objekt so nah wie möglich an die gewünschte Endform herankommt. Früher war die Bearbeitung von Schmiedeteilen ein subtraktiver Prozess, der das Abtragen großer Materialmengen erfordert hat. Durch diese Umstellung benötigen die Gehäuse der Ultra 3 und der Series 11 aus Titan nur noch halb so viel Rohmaterial wie ihre Vorgängergenerationen.
„Eine Reduktion um 50 Prozent ist ein gewaltiger Fortschritt – aus der gleichen Materialmenge, die zuvor für eine einzige Uhr benötigt worden ist, lassen sich nun zwei herstellen“, erklärt Chandler. „Wenn man das hochrechnet, sind die Einsparungen für den Planeten enorm.“
Insgesamt schätzt Apple, dass allein in diesem Jahr durch das neue Verfahren mehr als 400 Tonnen Roh-Titan eingespart werden können.
In den vergangenen zehn Jahren hat Apple bereits mit 3D Druck experimentiert, während die Technologie selbst am Beginn ihres Aufschwungs stand. In Krankenhauslaboren verwendeten Ärztinnen erste 3D-gedruckte Prothesen und künstliche Organe. Und sogar außerhalb der Erdatmosphäre entdeckten Astronaut:innen auf der Internationalen Raumstation die Geschwindigkeit und Einfachheit, mit der sich lebenswichtige Werkzeuge direkt an Bord mit 3D Druck herstellen lassen.
„Wir haben die Entwicklung dieser Technologie schon seit Langem beobachtet und konnten sehen, wie sich Prototypen immer weiter unseren Designvorgaben angenähert haben“, sagt Dr. J Manjunathaiah, Senior Director of Manufacturing Design for Apple Watch and Vision bei Apple. „Es ist schon immer unser Ziel gewesen, unsere Produkte mit weniger Material herzustellen. Bisher ist es uns jedoch nicht möglich gewesen, optisch sichtbare Bauteile in großem Maßstab im 3D Druckverfahren herzustellen. Also haben wir damit begonnen, mit dem 3D Druck von Metall zu experimentieren, um Designkomponenten herzustellen.“
Für Apple sind Funktionalität, Ästhetik und Langlebigkeit selbstverständlich. Hinzu kommen Skalierbarkeit, strenge Zuverlässigkeitstests, Leistungsfähigkeit und sogar Durchbrüche in der Materialwissenschaft – und all das, ohne Kompromisse bei den Klimazielen im Rahmen von Apple 2030 einzugehen.
Aus der Vogelperspektive ragen Reihen von Blöcken wie weiße Lego-Wolkenkratzer aus dem Boden und surren Tag und Nacht.
Das sind die 3D Drucker, die unermüdlich daran arbeiten, die Titangehäuse für die Apple Watch Ultra 3 und Series 11 herzustellen.
Jede Maschine ist mit einem Galvanometer ausgestattet, das sechs Laser enthält. Alle arbeiten gleichzeitig, um Schicht für Schicht zu erstellen, wobei über 900 Schichten nötig sind, um ein einziges Gehäuse zu fertigen. Doch bevor der Druck überhaupt beginnen kann, muss das Roh-Titan zunächst in Pulverform gebracht werden. Dabei wird der Sauerstoffgehalt präzise abgestimmt, um jene Eigenschaften des Titans zu verringern, die bei Hitzeeinwirkung potenziell explosiv reagieren.
„Das war Materialwissenschaft auf höchstem Niveau“, sagt Bergeron.
„Das Pulver musste einen Durchmesser von 50 Mikrometern haben, was vergleichbar mit sehr feinem Sand ist“, erklärt Manjunathaiah. „Wenn man es mit einem Laser bestrahlt, verhält es sich anders, wenn es Sauerstoff enthält, als wenn es keinen enthält.
Also mussten wir herausfinden, wie wir den Sauerstoffgehalt niedrig halten können.“
„Um die Stärke so einzustellen, dass jede Schicht exakt 60 Mikrometer dick ist, muss das Pulver mit höchster Präzision aufgetragen werden“, fügt Bergeron hinzu. „Wir müssen so schnell wie möglich arbeiten, um den Prozess skalierbar zu machen – und gleichzeitig so langsam wie nötig, um maximal präzise zu sein.
So konnten wir effizient bleiben und gleichzeitig die Designziele erreichen.“
Sobald der Druckvorgang abgeschlossen ist, wird überschüssiges Pulver in einem als „Grobentpulverung“ bezeichneten Verfahren durch eine Fachkraft von der Bauplatte abgesaugt. Da die Bauteile in nahezu finaler Form mit allen erforderlichen Verbindungselementen gedruckt werden, kann sich noch Pulver in den Ecken und Winkeln der Gehäuse befinden. In der Phase der „Feinentpulverung“ sorgt ein Ultraschallrüttler dafür, dass auch die letzten Pulverreste zuverlässig entfernt werden.
Während des sogenannten „Vereinzelungsprozesses“ trennt ein dünner, elektrisch leitender Draht die einzelnen Gehäuse voneinander, während gleichzeitig ein flüssiges Kühlmittel aufgesprüht wird, um die beim Schneiden entstehende Hitze gering zu halten. Anschließend vermisst ein automatisiertes optisches Inspektionssystem jedes einzelne Gehäuse und überprüft, ob Abmessungen und Design den Vorgaben entsprechen. Dies ist die abschließende Qualitätskontrolle, um sicherzustellen, dass die Gehäuse für die finale Bearbeitung bereit sind.
„Die Maschinenbauingenieur:innen müssen die besten Problemlöser:innen der Welt sein“, sagt Bergeron. „Sie nehmen die Platine, das Display, die Batterie – alle Komponenten, die bei der Endmontage ins Gehäuse kommen – und bringen alles passgenau unter. Wir testen während des gesamten Prozesses, um sicherzustellen, dass die Uhr einwandfrei funktioniert. Anschließend spielen wir die Software auf und lassen sie über einen definierten Zeitraum hinweg laufen, um zu überprüfen, ob alle Funktionen unseren Anforderungen entsprechen.“
Eine weitere wichtige Designverbesserung, die durch den 3D Druck möglich wurde: das Drucken von Texturen an Stellen, die im Schmiedeprozess bisher nicht zugänglich gewesen sind. Für die Apple Watch bedeutete das, dass der Wasserschutz für das Antennengehäuse in Mobilfunkmodellen verbessert werden konnte. Im Inneren des Gehäuses verfügen Mobilfunkmodelle über einen mit Kunststoff gefüllten Spalt, um die Antennenfunktionalität zu ermöglichen. Durch gezielten 3D Druck einer speziellen Textur auf die innere Metalloberfläche konnte Apple eine bessere Verbindung zwischen Kunststoff und Metall erzielen.
Das Zusammensetzen der Puzzleteile war ein mehrjähriger Prozess, der mit einer Reihe von Demos und Machbarkeitsnachweisen begann, um die richtige „Rezeptur“ zu entwickeln: von der spezifischen Legierungszusammensetzung bis hin zum Druckverfahren selbst. Nachdem das Team das Verfahren bereits in viel kleinerem Maßstab bei früheren Produktgenerationen getestet hatte, war es überzeugt davon, auch die besonderen Herausforderungen der Arbeit mit Titan erfolgreich meistern zu können.
„Wir versuchen immer, Schritt für Schritt voranzugehen, um den nächsten Fortschritt möglich zu machen“, sagt Bergeron. „Dies hat uns nun eine ganz neue Flexibilität beim Design eröffnet, die wir zuvor nicht hatten.
Da wir diesen Durchbruch nun in großem Maßstab erreicht haben, auf wirklich nachhaltige Weise und auf dem von uns benötigten Design- und Strukturlevel, sind die Möglichkeiten grenzenlos.“
Diese neue gewonnene Flexibilität beim Design hat noch einen weiteren Fortschritt möglich gemacht, der über die Apple Watch hinausgeht: den USB-C-Anschluss des neuen iPhone Air. Durch die Entwicklung eines völlig neuen Anschlusses in einem Titangehäuse, das mit dem gleichen recycelten Titanpulver im 3D Druckverfahren gefertigt wird, konnte Apple ein bemerkenswert dünnes und zugleich robustes Design verwirklichen.
Das ist die Magie, die entstehen kann, wenn die Gesetze der Physik, Materialinnovation, unvergleichliches Design und ein kompromissloses Engagement für den Umweltschutz perfekt zusammenspielen.
„Wir setzen uns mit voller Überzeugung für systemischen Wandel ein“, sagt Chandler. „Wir tun niemals etwas nur einmal – wir tun es, um Standards zu schaffen, die das gesamte System nachhaltig verändern. Seit jeher ist es unser Leitmotiv, Produkte zu entwickeln, die sowohl für Menschen als auch den Planeten besser sind. Wenn wir gemeinsam – ohne Kompromisse – in den Bereichen Design, Fertigung und Umweltziele innovativ denken, ist der positive Effekt um ein Vielfaches größer, als wir es uns je vorstellen könnten.“
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