3D-Daten bringen Effizienz

Additive Fertigung in der Ersatzteilbeschaffung

Reparatur und Ersatzteilbeschaffung sind vor allem im produzierenden Mittelstand wiederkehrende Themen. Doch speziell Kleinserienfertigungen rentieren sich kaum, wenn für die herzustellenden Ersatzteile keine CAD-Modelle vorliegen und diese von Hand gefertigt werden müssen.

  • Konstrukteur an einem AR-Modell

    Neue Simulationsverfahren können die additiven Fertigungsprozesse wesentlich unterstützen. ((Bildquelle: Thinkstock/iStock))

  • Pedro Santos

    Pedro Santos betreut am Fraunhofer-Institut für Graphische Darstellung das Projekt M3D, das durch das Technologieprogramm PAiCE vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie gefördert wird. ((Bildquelle: Fraunhofer IGD))

Im Gespräch mit IT-MITTELSTAND erklärt Pedro Santos, der für das Fraunhofer IGD am Projekt M3D arbeitet, wie bei der additiven Fertigung 3D-Daten dazu eingesetzt werden, Produktionsprozesse zu verschlanken und zu präzisieren.

ITM: Herr Santos, vor welchen Herausforderungen steht der deutsche Mittelstand im Hinblick auf Reparatur und Ersatzteilbeschaffung für Produkte oder Produktionsanlagen?
Pedro Santos: Momentan ist die Kleinserienfertigung zumeist noch sehr teuer und aufwendig. Kompliziert wird es, wenn Ersatzteile produziert werden sollen, zu denen keine CAD-Modelldaten vorliegen, also Daten für die rechnergestützte Konstruktion. Dies kann bei der Wartung von Produktionsanlagen der Fall sein, wenn beispielsweise bestimmte Komponenten nicht mehr erhältlich sind.

Bisher werden deshalb oftmals anhand von Zeichnungen oder Koordinatenmessmaschinen am alten Bauteil CAD-Modelle in Handarbeit gefertigt, die für die Herstellung von Gussformen eines Ersatzteils genutzt werden. Eine solche Herstellung ist recht zeit- und kostenintensiv, sodass sich eine Kleinstserienfertigung bisher nur für hochpreisige Produkte gelohnt hat.

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ITM: Was sind die perspektivischen Entwicklungen, um die Herstellung von Ersatzteilen unkomplizierter und damit auch rentabler zu machen?
Santos: Die Entwicklungen bei der Nutzung von 3D-Daten schreiten derzeit rasant voran. Mussten bisher Bauteile manuell oder semimanuell in CAD-Modelle überführt werden und Ersatzteile z. B. mithilfe von Umformtechniken gefertigt werden, so ermöglichen 3D-Technologien einfachere Verarbeitungsprozesse. Sie erlauben es, zu ersetzende Baugruppen in 3D zu erfassen, zu modellieren, zu simulieren und mithilfe additiver Fertigung zu produzieren. Durch diese Entwicklung ist es nicht mehr notwendig, zur Nutzung von Skaleneffekten in großen Stückzahlen zu produzieren. Stattdessen können auf den Anwendungszweck optimierte Objekte einzeln und direkt vor Ort entworfen und gefertigt werden.

ITM: Welche Rolle kann die additive Fertigung dabei übernehmen?
Santos: Ein wichtiger Aspekt im Zusammenhang mit neuen Herstellungsprozessen ist die rasante Entwicklung bei additiven Fertigungsverfahren. Während diese Technologien bislang meist industriell zur Herstellung von Prototypenteilen verwendet wurden, zielen neue Anwendungen auch auf die Fertigung von Produkt- und Ersatzteilen ab. Neue Simulationsverfahren können die additiven Fertigungsprozesse wesentlich unterstützen und zu Materialeinsparungen gegenüber den Originalbauteilen führen. Auch ist es mittlerweile möglich, zahlreiche Materialien, von Photopolymeren bis hin zu Metall, zu verdrucken.

ITM: Wo liegen derzeit noch die Hürden bei der Implementierung der notwendigen Technologien?
Santos: Neue Herstellungsprozesse erfordern stets die Weiter- bzw. Neuentwicklung von Technologien. Bei der Produktion von Ersatzteilen mithilfe von additiver Fertigung gehört beispielsweise die präzise Erfassung von Objekten zu den Herausforderungen.

Die physikalischen und thermischen Materialeigenschaften eines nachgefertigten Bauteils müssen außerdem simuliert werden, um seine Strukturfestigkeit im späteren Lastfall zu garantieren. Die Simulation von Materialeigenschaften ist meist noch sehr zeitaufwendig und vielfach nicht in Echtzeit möglich. Benötigt werden neue Verfahren, die eine Echtzeitmodellierung bzw. -simulation ermöglichen, sodass Aussagen über das Materialverhalten getroffen werden können.

ITM: Was leistet in diesem Hinblick das Projekt M3D, das im Rahmen des Technologieprogramms PAiCE vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie gefördert wird?
Santos: Die Identifizierung von Bauteilen in Großgeräten, die sich durch eine Lebensdauer von teilweise über 50 Jahren auszeichnen, kann durch Servicetechniker oft nur unzureichend durchgeführt werden, wenn beispielsweise die Konstruktionsdaten nicht mehr verfügbar sind. Die im M3D-Projekt entwickelten Technologien, Verfahren und Plattformen erlauben hier einige Verbesserungen. Durch die Erfassung mit autonomen Scanrobotern kann z.B. die Objektgeometrie defekter Bauteile schnell und präzise abgebildet werden. Zudem kann durch Ansätze zur Echtzeitsimulation und Modellierung von Bauteilen die Nachfertigung von Ersatzteilen enorm beschleunigt werden. Außerdem können durch die Fortschritte im 3D-Druck immer mehr Bauteile mit additiven Verfahren produziert werden.

ITM: Ende November wurden die Ergebnisse des Projektes M3D in Berlin vorgestellt: Was wurde während der Projektlaufzeit erreicht und wo muss noch geforscht werden?
Santos: Das Projekt konnte erfolgreich abgeschlossen werden, jeder Aspekt des Projekts bedarf jedoch naturgemäß weiterer Forschung und Erprobung in der Praxis. Beispielsweise erwarten wir eine Kommerzialisierung autonomer 3D-Scanstationen sowie die Lizensierung von grafikkartenbeschleunigten Ansätzen zur Simulation strukturmechanischer Stabilitätsanalysen und deren Lastfallspezifikationen für das Jahr 2019. Durch die Simulation von Stabilitätsanalysen können beispielsweise Festigkeiten oder Verformungen von Bauteilen erprobt und die Lasten, die auf das Teil einwirken können, schnell und präzise ermittelt werden. Damit werden kosteneffiziente Fertigungsprozessketten von der 3D-Erfassung bis zur Modellierung, Simulation und Produktion mit additiven Technologien für Kleinserien möglich.

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