HANSA 10-2019

Das Ersatzteil: Ein

Das Ersatzteil: Ein 3D-Potenzial wartet auf seine Erschließung Der größte Vorteil der additiven Fertigung besteht darin, dass infolge maximaler Gestaltungsfreiheit auch geometrisch komplexe Strukturen relativ einfach schichtweise aufgebaut werden können. Als Nutzen ergibt sich beispielweise eine optimierte Bauteilfunktion durch besonders strömungsgünstig ausgeprägte Freiformflächen oder eine materialeffiziente und ressourcenschonende bionische Leichtbaukonstruktion. Da für den additiven Herstellprozess keine speziellen Werkzeuge oder Formen benötigt werden, kann der 3D-Druck direkt und mit nur geringem Programmieraufwand aus den digitalen Bauteildaten heraus erfolgen. Demnach ist die additive Fertigung prädestiniert, um Bauteile »on demand« zu produzieren und diese neue Technologie in das Beschaffungsmanagement von Ersatzteilen einzubinden. Vorausgesetzt sind lediglich ein CAD-Modell des fehlenden Bauteils sowie ein 3D-Drucker und das zugehörige Know-how. Ein Seitenblick zeigt, Schienenfahrzeughersteller und Bahnbetreiber haben bereits zahlreiche wirtschaftlich interessante Anwendungsbeispiele identifiziert und umgesetzt. Im Obsoleszenzfall wird das Ersatzteil aus Kunststoff oder aus Metall kurzerhand gedruckt, auf Lagerhaltung von Ersatzteilen oder von bauteilbezogenen Werkzeugen kann verzichtet werden. Mit Hilfe des 3D- © Fraunhofer IAPT Drucks steigt die Verfügbarkeit von Ersatzteilen. Und jeder Tag zählt! Je früher ein Schienenfahrzeug wieder instandgesetzt und in Verkehr gebracht werden kann, desto geringer sind die Ausfallkosten bezogen auf das Gesamtsystem. Dieses Szenario lässt sich auch auf den maritimen Einsatz übertragen. Im Schiffsbetrieb, aber auch im Bereich der Werft- oder Hafeninfrastruktur werden häufig Ersatzteile benötigt. Insbesondere Gussteile bedeuten einen hohen Aufwand, wenn sie in geringer Losgröße nachgefertigt werden müssen, und sie sind oft mit langen Lieferzeiten verbunden. Damit grundsätzlich die wirtschaftliche Sinnhaftigkeit des 3D-Drucks gegeben ist, sollte das potenziell betrachtete Bauteil eine gewisse geometrische Komplexität aufweisen, um die Herstellkosten für den Druck zu rechtfertigen. Normteile, einfache Bolzen oder Blechkonstruktionen mit ebenen Oberflächen sind dagegen für die additive Fertigung ungeeignet, da sie sich mit konventionellen Methoden wesentlich kostengünstiger herstellen lassen. Allerdings kann die additive Fertigung einen zusätzlichen Mehrwert bieten, der in jeder Kalkulation berücksichtigt werden sollte. So besteht mittels 3D-Druck immer prinzipiell die Möglichkeit des Partialersatzes, sodass bei Bedarf nur einzelne Komponenten einer Baugruppe hergestellt und ausgetauscht werden müssen, auch wenn die Baugruppe beim ursprünglichen Lieferanten nur komplett erhältlich ist. Umgekehrt erlaubt es das Verfahren situativ auch, mehrere Einzelkomponenten zu einem additiv gefertigten Bauteil zusammenzufassen, um den Montageaufwand zu reduzieren. Treten konkrete Schwachstellen an einem Bauteil auf, lassen sich diese ohne größeren Aufwand durch ein Re-Design eliminieren, indem z.B. seine Wandstärke lokal etwas dicker ausgeführt wird. Nicht zuletzt kann das 3D-Druckverfahren genutzt werden, um sogenannte »Homecomer« zu erzeugen, die provisorisch die Funktion eines Bauteils solange übernehmen, bis ein Originalteil verfügbar ist. Als bisherige Hemmnisse standen die Größenbeschränkungen für Bauteile, resultierend aus den Bauraumabmessungen der 3D-Druckanlagen, die vergleichsweise geringen Aufbauraten und die damit verbundenen hohen Fertigungskosten einer flächen- 14 HANSA Report 3D – Additive Fertigung in der maritimen Industrie – 10 | 2019

deckenden Verbreitung der Technologie im maritimen Sektor entgegen. Diese Restriktionen verlieren jedoch zunehmend an Bedeutung. Die 3D-Drucker wachsen, Aufbauraten steigen und neue Verfahren senken Bearbeitungszeit und –kosten. Hybride Strukturen, in denen additiv Schichten auf konventionell gefertigten Basiselementen aufgebaut werden, helfen ebenfalls, die Wirtschaftlichkeit insgesamt zu verbessern, weil das gedruckte Bauteilvolumen abnimmt und nur diejenigen Bereiche eines Bauteils gedruckt werden, für die der 3D-Druck notwendig bzw. von Vorteil ist. Oft wird die Frage gestellt, ob der 3D-Druck von Ersatzteilen auch auf See denkbar sei. Die Reederei Maersk hat bereits im Jahr 2014 den Nachweis erbracht, dass die additive Herstellung von Kunststoffteilen mit dem FDM-Verfahren (engl. Fused Deposition Modeling) an Bord eines Schiffes möglich ist. Der Einsatz pulverbasierter Verfahren, wie sie für Metalle gebräuchlich sind, erscheint im Gegensatz dazu jedoch problematisch und kaum realistisch, da Seegang und Vibrationen das Aufbringen ebener Pulverschichten ausschließen und technische Maßnahmen zur Kompensation dieser Schiffsbewegungen in der Regel vermutlich zu aufwändig wären. Stattdessen empfehlen sich »3D-Druck-Hubs« in ausgewählten, besonders stark frequentierten Häfen. In der Vision wird dorthin lediglich ein Datensatz verschickt, und kompetente Dienstleister übernehmen bedarfsnah die dezentrale Produktion von Ersatzteilen mittels verschiedener 3D-Druckverfahren, sofern die benötigten Bauteile für die additive Fertigung geeignet sind. Die Hafenbetreiber in Rotterdam und auch in Hamburg haben die Zeichen der Zeit erkannt und verfolgen aufmerksam die Entwicklung der additiven Fertigungstechnologien. Entscheidend für den Erfolg ist es dabei, das nötige Know-how aufzubauen, um wirtschaftliche Use-Cases zu erkennen, die dann als Referenz und Vorbild für weitere maritime Anwendungsfälle dienen können. Autor: Olaf Steinmeier, Fraunhofer-Einrichtung für Additive Produktionstechnologien IAPT Leinen los Dank additiver Fertigung kurze Werftliegezeiten und schnell wieder in See stechen. Ihr All Inclusive Partner für additive und mechanische Fertigung Reverse Engineering 3DMP® / 3D-Druck digitale Endkontrolle 2 4 6 1 3 5 optische Datenerfassung CAD-Verfahren Nachbearbeitung Rolf Lenk Werkzeug- und Maschinenbau GmbH info@rolf-lenk.de Kornkamp 26, 22926 Ahrensburg HANSA Report 3D – Additive Fertigung in der maritimen Industrie – 10 | 2019 rolf-lenk.de 15