3D-Druck in der Anwendung: Ersatzteile erstellt mit 3D-Druck

kleinserien-produktion

Die additiven Fertigungsmethoden haben ein sehr breites Anwendungsfeld und werden sowohl zur Produktion von Prototypen (‚Rapid Prototyping‘) als auch zunehmend zur (Klein-) Serienproduktion (‚Rapid Manufacturing‘) verwendet.

Ein zunehmen an Bedeutung gewinnender Anwendungsbereich ist der 3D-Druck von Ersatzteilen. Insbesondere bei älteren Maschinen, bei sehr komplexen Bauteilen oder wenn es keine „originalen Ersatzteile“ mehr gibt, ist der 3D-Druck meist eine lohnenswerte Möglichkeit, Ersatz zu schaffen. Aber auch im Spezialmaschinenbau, oder wenn es nur sehr wenige Exemplare einer Maschine gibt, sind Ersatzteile oft rar oder sehr schwer zu bekommen. Der 3D-Druck schließt diese Lücke. Wie das funktioniert und was Sie dabei beachten sollten, erfahren Sie im diesem Beitrag.


HP Multi Jet Fusion PA12 Ersatzteil per 3D-Druck - Filter

Filtereinsatz einer Maschine, gedruckt mit dem HP Jet Fusion Verfahren in dem Kunststoff Polyamid 12.

Ersatzteil 3D-Druck Radio

Bedinknopf eines älteren Models links im Original und rechts in der 3D-Druck Replikation

Ersatzteil 3D-Druck mechanischer Mitnehmer

Einfache mechanische Bauteile (hier ein Mitnehmer aus PA6/PA66) gehören zu den typischen Teilen, welche als Ersatzsteile per 3D-Druck erstellt werden.

Rückspiegel eines Oldtimers

Auch für Oldtimer wird die additive Fertigung zunehmen beliebter für die Ersatzteilproduktion.


So funktioniert die additive Fertigung von Ersatzteilen

In aller Regel ist die additive Fertigung von Ersatzteilen wesentlich schneller als die traditionelle Herstellung desselben Bauteils. Allerdings kann es auch mit erheblichen Kosten verbunden sein. Dies ist abhängig vom gewählten Verfahren und Material. Insbesondere im Metall 3D-Druck sind die Kosten häufig sehr hoch.

Um von einem (defekten) Original-Teil eine 3D-gedruckte Kopie anzufertigen, sind folgende zwei Schritte notwendig:

  • Digitalisierung des Bauteils: Für den 3D-Druck ist es notwendig, dass ein digitales 3D-Modell von dem Objekt vorliegt. Es gibt 2 Möglichkeiten zu einem 3D-Modell zu gelangen. A: Konstruktion oder B: 3D-Scan.
  • 3D-Druck: Für die Produktion von Ersatzteilen kommen meist Thermoplasten (Polyamid, ABS) und Metalle zum Einsatz.

Insbesondere die Digitalisierung wird als Kostenfaktor häufig unterschätzt. Für das Einscannen des Objekts bzw. das Erstellen des 3D-Modells können je nach Komplexität Kosten im drei- bis vierstelligen Bereich entstehen. Für kleinere bis mittelgroße Teile übersteigen die Kosten für die Digitalisierung häufig die des 3D-Drucks.


Digitalisierung des Objekts

Konstruktion:

Bei der manuellen Konstruktion von digitalen 3D-Modellen werden die Objekte zuerst genau vermessen und anschließend mithilfe von CAD Programmen digital konstruiert. In aller Regel werden die Bauteile nach der Konstruktion mindestens einmal zur Probe gedruckt.

Dieser Prozess ist arbeitsintensiv und kann dementsprechend kostentreibend sein. Es ist aber auch eine genaue und zuverlässige Vorgehensweise um ein digitales 3D-Modell zu erstellen. Bei relativ einfachen geometrischen Formen ist die Konstruktion häufig die schnellste und ökonomische Herangehensweise.

Im Gegensatz zum 3D-Scan, bei dem Mesh-Dateien erzeugt werden, werden beim Konstruieren von 3D-Modellen gängige CAD-Formate erzeugt (bspw. STP/STEP). Diese Datenformate sind auch die Grundlage für andere Produktionsmethoden, wie bspw. die CNC Bearbeitung.

3D-Scan:

Für Objekte mit komplexen Geometrien, bspw. mit zahlreichen Freiflächen, ist der Einsatz von 3D-Scantechnik angebracht. Allerdings stößt diese Technologie an ihre Grenzen, wenn es um das genaue Scannen von Hinterschneidungen geht. Dies ist meist nur mit einem kostenintensiven CT-Scan möglich.

Mit einem 3D-Scan allein ist es meist nicht getan: Die Scandaten müssen nachbearbeitet werden (Artefakte entfernen, Auflösung überprüfen, Kontrolle der Dimensionen u. v. w. m.). Die Scanner per se erzeugen so genannte Punktewolken, aus denen im Arbeitsverlauf STL Daten entstehen. Letztere sind das Standard-Format im 3D-Druck, können aber für andere Fertigungsverfahren oder komplizierte Anpassungen der Konstruktion kaum verwendet werden. Die Umwandlung dieses Formats in ein parametrisches CAD Format (bspw. STP/STEP oder IGES) ist sehr arbeitsintensiv und erfordert meist Spezialsoftware.


3D-Druck der Ersatzteile

Je nach Funktion und Belastung des Objekts können Sie sich für einen der vielen Kunststoffe oder für ein Metall entscheiden.

Kunststoff:

Handelt es sich bei Ihrem Objekt um ein Funktionsbauteil, kommen vor allem Thermoplaste (meist Polyamid (Nylon) oder ABS) infrage. Die typischen Verfahren hierbei sind HP Jet Fusion, Lasersintern oder das FDM-Verfahren. Jet Fusion (PA 12) liefert eine gute Oberflächenqualität zu wirtschaftlichen Preisen. Beim FDM-Verfahren sind die Oberflächen weniger ansprechend, allerdings ist bei diesem Verfahren die Auswahl der Materialien noch größer (Polyimide, ABS, Polycarbonate, PEEK, u. v. w. m. ) als bei Jet Fusion (derzeit nur Polyamid 11  & 12). Die Verwendung von photopolymerbasierten Systemen eignet sich für Funktionsbauteile in aller Regel nicht, da die Materialien nicht über die nötige Stabilität und Haltbarkeit verfügen.

Metall:

Der 3D-Druck mit Metallen ist trotz gewisser technischer Gemeinsamkeiten nicht mit dem Kunststoffdruck vergleichbar. Fertigungs- und materialbedingt müssen beim Metall 3D-Druck Abstriche in der Oberflächenqualität und Dimensionstoleranz der Objekte hingenommen werden. Weiterhin unterscheiden sich Kosten nicht selten um Faktor 30 – 100.

Gängige Metall 3D-Druck Verfahren benötigen Supportstrukturen, welche mit dem Objekt verschweißt werden. Dementsprechend ist das Entfernen sehr aufwendig und hinlässt meist sichtbare Spuren an den Oberflächen. Daher ist es oft erforderlich, dass Funktionsflächen noch zerspanend nachbearbeitet werden müssen (Drehen, Fräsen, etc.).

Der Metall-3D-Druck hat vor allem dann Vorteile, wenn Zeit eine kritische Komponente ist oder die Herstellung mit „traditionellen“ Verfahren zu aufwendig ist. Auch wenn die Qualität der Oberflächen eine geringe Rolle spielt und Toleranzen nicht entscheidend sind.


Wann lohnt sich 3D-Druck von Ersatzteilen?

Es gibt eine einfache Antwort: Wenn der Wert des Bauteils hoher ist, als die Kosten für die Digitalisierung und den anschließenden 3D-Druck. Für Objekte mit einer einfachen Geometrie liegen die Kosten einer Digitalisierung meist im niedrigen bis mittleren dreistelligen Bereich. Für den anschließenden 3D-Druck fallen dann nochmals Kosten an, welche insbesondere im Kunststoff-3D-Druck jedoch (für kleine bis mittelgroße Objekte) meist niedriger sind als für die Digitalisierung.

Eine Einschränkung ist jedoch stets zu beachten: Schutzrechte auf die jeweiligen Teile. Bei sehr alten Anlagen stellt dies meist, jedoch nicht immer, kein Problem dar. Bei jüngeren Anlagen und insbesondere im Fahrzeugbereich kann dies aber durchaus zutreffen. Machen Sie sich am besten beim Hersteller kundig, ob eine Replikation zulässig ist.

Typische Anwendungsfälle:

  • Wichtiges Bauteil in der Produktionskette (z. B. Komponente einer Maschine) ⇒ Nutzen fast immer höher als die Kosten.
  • Das Bauteil wird in einer Stückzahl > 1 benötigt (Digitalisierungskosten bei steigender Stückzahl weniger relevant).
  • Es soll eine Veränderung am Bauteil vorgenommen werden (z. B. durch eine Umstellung der Produktion).

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Über 3Faktur: 3Faktur ist Spezialist für 3D-Druck und Rapid Prototyping. Wir arbeiten mit zahlreichen 3D Druckverfahren und -systemen, sowie unzähligen Materialien im Prototypenbau und in der Kleinserienproduktion. Sollten Sie Fragen zu Ihrem Projekt haben, können Sie uns gern kontaktieren.

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