Additive Fertigungstechniken 3D-Druck verändert die Ersatzteilversorgung

Zusammen mit der METAV (24./25.2.2016) findet die Fachkonferenz »Inside 3D Printing« statt. Sie bietet ein breites Vortragsspektrum zur additiven Fertigung mit Metallen und Kunststoffkomponenten. Die auch als Schichtbauverfahren bezeichnete Technologie scheint für die Ersatzteilversorgung und die Teilefertigung nach Bedarf geradezu prädestiniert.

Ulli Klenk, Vorstandsvorsitzender der Arbeitsgemeinschaft Additive Manufacturing im VDMA und im Hauptberuf General Manager Competence Center Additive Manufacturing in der Digital Factory Division der Siemens AG in Erlangen ist überzeugt: „Additive Manufacturing (AM) bietet Unternehmen völlig neue Möglichkeiten und Chancen in Bezug auf Effizienz, Geschwindigkeit und Flexibilität. Die gesamte Wertschöpfungskette im Unternehmen profitiert von diesen Vorteilen: Das umfasst neben der Entwicklung und Fertigung vor allem die Ersatzteilversorgung und den Service.“

Unternehmen können so nicht nur Prototypen, sondern individualisierte Produkte und Ersatzteile schnell herstellen. Das ist auch wirtschaftlich eine äußerst interessante Perspektive: Ersatzteile oder Komponenten werden erst bei Bedarf und möglichst nah am Ort der Nutzung produziert. Lager- und Versandkosten entfallen ebenso wie Lieferzeiten. Der notwendige administrative Aufwand wird auf ein Minimum reduziert. Dennoch ist Additive Manufacturing trotz der großen medialen Wahrnehmung ein Nischenthema, so Klenk.

Eine zentrale Herausforderung für die Realisierung sind die Materialien. Grundsätzlich lassen sich mit den heute etablierten 3D-Druckverfahren Teile aus unterschiedlichsten Materialien wie Metallen, Polymeren oder Keramik herstellen. Erste additiv gefertigte Bauteile werden inzwischen beispielsweise in Bussen oder Flugzeugturbinen eingesetzt. Auch die ersten praktischen Anwendungen von 3D-Druck für Ersatzteile sind positiv verlaufen. Ein Beispiel sind Fahrer-Armlehnen für einen Triebwagen der Siemens AG. Die Erfahrungen zeigen, dass sich ursprüngliche Entwürfe der Komponenten im 3D-Druck nachträglich noch optimieren oder individualisieren lassen. Der Verzicht auf Werkzeuge und Formen ermöglicht ganz neue Konstruktionsweisen. Damit lassen sich beispielsweise stabilere und leichtere Bauteile fertigen. Auch kundenspezifische Anpassungen sind schnell und einfach umsetzbar.

Voraussetzung für den Druck von Ersatzteilen ist, dass die 3D-Druckdaten in einem für 3D-Druckmaschinen lesbaren Format vorliegen. Das ist jedoch nicht immer der Fall. Ulli Klenk: „Daten müssen zuvor erstellt und geprüft werden, was mit manueller Entwicklerarbeit verbunden ist. Dieser erstmalige Prozess kann leicht mehrere Wochen dauern. Liegen die Daten vor, können diese per Datenverbindung an die herstellende Maschine übermittelt werden.“ Das heute dafür meist eingesetzte STL-Datenformat biete allerdings keinen konkreten Kopierschutz. Teile können theoretisch beliebig oft hergestellt werden, ohne dass der Urheber der Datei davon erfährt. Künftige Verfahren machen es erforderlich, dass der Urheber der Daten auch die Kontrolle darüber behält, „an welchen Maschinen, bei welchem Hersteller zu welcher Zeit welches Teil wie oft und mit welchem Material hergestellt wurde“.

Wenn 3D-Druck für Ersatzteile grundsätzlich machbar ist, stellt sich die Frage, inwieweit sich die Ersatzteilfertigung dorthin verlagern lässt, wo die Ersatzteile benötigt werden. Wichtige Voraussetzung, so Klenk, „dass ein Teil an verschiedenen Orten und Maschinen in gleichbleibender Qualität herstellbar ist, ist die Industrialisierung der gesamten 3D-Druck-Herstellungskette“. Die erforderlichen Fertigungsverfahren müssen beherrscht werden und Standards sicherstellen, dass die erforderliche Qualität zuverlässig produziert wird. Solch eine Standardisierung setzt eine hohe Prozesssicherheit und umfangreiche Möglichkeiten zur Prozesskontrolle und Qualitätssicherung – verbunden mit einem hohen Automatisierungsgrad der gesamten Prozesskette – voraus. Diese Punkte, fasst AM-Experte Klenk zusammen, „sind heute erst in Ansätzen realisiert“. Und er wird noch deutlicher: „Die industrielle Herstellung von Ersatzteilen auf weltweit verteilten Maschinen ist ein klares Ziel vieler Industrieunternehmen, aber derzeit noch nicht Stand der Technik.“

Ersatzteilproduktion nur ein Zwischenschritt?

Intensiv geforscht wird indes u.a. im EU-Projekt Repair, das Dr. Eric Klemp, Geschäftsführer des Direct Manufacturing Research Center (DMRC) der Universität Paderborn und Programmverantwortlicher der Fachkonferenz Inside 3D Printing auf der METAV 2016 vorstellen wird. Er erläutert die Problematik aus Sicht dieses Projekts: „In Repair stellt die Produktion von Ersatzteilen nur einen Zwischenschritt dar. Ziel ist, Bauteile zu reparieren und damit möglichst viel Material eines defekten Bauteils weiterzuverwenden.“ Vereinfacht muss also ein Defekt erkannt, das Bauteil für die Verwendung eines 3D Druck-Verfahrens vorbereitet, schichtweise die ursprüngliche Geometrie wiederhergestellt und die Oberfläche abschließend nachbearbeitet werden. Dies wird einerseits mittels Selective Laser Melting (SLM), andererseits mittels integrierten Laserauftragsschweißens möglich sein.

Klemp: „Wir arbeiten im Projekt mit verschiedenen metallischen Legierungen. Diesen Schwerpunkt haben wir uns selbst gesetzt. Eine besondere Herausforderung besteht darin, dass als Voraussetzung für die Zertifizierung der Bauteile die ursprünglichen Materialien in der Reparatur verwendet werden müssen.“

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