Der 3D-Druck ist schon seit vielen Jahren in der Industrie im professionellen Einsatz und ermöglicht eine Vielzahl an unterschiedlichsten Produkten. Seit dem ersten käuflichen 3D-Drucker aus dem Jahre 1988 welcher auf dem Laserstrahlsintern Verfahren beruhte, hat sich zu heutigen Methoden und Verfahren viel verändert. Oberbegriff des ganzen sind die sogenannten „additiven Verfahren“, bei denen die Bauteile Schicht um Schicht aufgebaut werden.

Auch die Deutsche Bahn sowie all Ihre Zulieferer produzieren Ersatzteile aus Metall und Kunststoff mittels 3D-Drucke. Damit können vor allem Lieferzeiten drastisch verkürzt werden. „So können wir eine bessere Versorgung mit Ersatzteilen sicherstellen und die Fahrzeuge schneller wieder für unsere Fahrgäste bereitstellen. Insbesondere geht es um Teile, die mit langen Lieferzeiten verbunden sind oder gar nicht mehr erhältlich wären“, so Stefanie Brickwede (Projektleiterin 3D-Druck DB).

Zu den modernen Fertigungsverfahren zählen unteranderem:

 

Druckverfahren

3D-Printing (3DP). Das in Pulverform vorliegende Material wird mit einem zusätzlichen flüssigen Binder und mittels eines Druckkopfes in den sogenannten Pulver-Bindeverfahren, ähnlich dem Selektiven Lasersintern, in Form gebracht. Überschüssiges Pulver wird anschließend abgesaugt und kann ebenfalls zur Herstellung anderer Bauteile genutzt werden.

Das gewünschtes 3D Modell entsteht so durch mehrere hundert oder gar tausend Schichten. Sowohl das Pulver als auch der Binder können zuvor eingefärbt werden und geben dem Modell so die gewünschte Farbe.

TechnikAuftragen von flüssigen Bindern auf ein Pulverbett
MaterialKunststoff, Keramik, Metall, Gips, Cellulose
VorteileNachteile
| wiederverwendbare Reste
| komplizierte Formen möglich| vollfarbige und teilfarbige Modelle
| keine Stützkonstruktion nötig
| raue Oberfläche
| Ungenaues Verfahren
   

 

Layer Laminated Manufacturing (LLM). Papier, Metall- oder Kunststofffolien werden schichtweise miteinander laminiert und mittels Schneidwerkzeug (Messer, Heißdraht, Laser) in Form geschnitten.

Bei Kunststofffolien werden diese verklebt oder polymerisiert, bei Metallfolien laser-, diffusions- oder ultraschallgeschweißt.

Besonders gut eignet sich dieses Verfahren gut für die kostengünstige Generierung massiver Bauteile und großer Modelle, da sie bezogen auf das Bauteilvolumen schnell arbeiten und maschinentechnisch wenig aufwendig sind.

TechnikVerkleben von Folien in verschiedenen Schichten
MaterialKunststofffolien, Papier, Metallfolien
VorteileNachteile
| schnelles Verfahren
| große Bauteile möglich
| kein Nachhärteprozess
| keine inneren Spannungen im Modell
| nicht für fragile Modelle geeignet
| Nachbearbeitung ist notwendig
| ineinander geschachtelte Teile
nicht möglich| Rest nicht wiederverwendbar
   

 

Selektives Laserstrahlsintern (SLS) und Laserstrahlschmelzen (SLM). Beim selektiven Laserstrahlschmelzen wird ein pulverartiger Werkstoff in einer dünnen Schicht auf eine Grundplatte aufgetragen und mittels eines Laserstrahls vollständig umschmolzen.

Beim selektiven Laserstrahlsintern hingegen wird der Werkstoff nicht vollständig geschmolzen, sondern nur angeschmolzen wodurch Sinterhälse die einzelnen Schichten miteinander verbinden.

TechnikLokals Aufschmelzen von pulverförmigen Werkstoffen durch einen Laser
MaterialKunststoff, Metall, Sand, Keramik
VorteileNachteile
| viele Werkstoffe zur Auswahl
| wiederverwendbare Reste
| komplexe Bauteile möglich
| hohe Detailgenauigkeit
| keine Stützen bei Kunststoff nötig
| Nachbearbeitung erforderlich
| hoher Energiebedarf
   

 

Fused Deposition Modeling (FDM). Das in fester Form vorliegende Material wird in einer beheizten Düse geschmolzen und anschließend Schicht um Schicht auf eine Bauplattform aufgebracht. Es handelt sich hierbei um ein sogenanntes Extrusionsverfahren, in welchem der Werkstoff aus der festen Phase aufgeschmolzen und verarbeitet wird.

Bei dem Werkstoff handelt es sich meist um Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS), ein Kunststoff, der sich besonders für Einsatzobjekte mit hoher Beanspruchung eignet.

TechnikSchichtweises Auftragen von geschmolzenem Material
MaterialABS, Wachs, PLA, PC, PPSF
VorteileNachteile
| kleine Maschinen
| schnell
| Preiswert
| Fertigung kompakter Werkstücke
möglich
| begrenzte Genauigkeit
| begrenzte Materialien
| Stützkonstruktionen notwendig
   

 

Stereolithografie ist das älteste additive Verfahren bei welchem sich das Werkstück in einem Flüssigbad aus Photopolymer befindet, in das es nach und nach tiefer abgesenkt wird. Ein Laser fährt bei jedem Schritt über den Ausgangsstoff, flüssiges Photopolymer, um die gewünschte Form durch aushärten zu schaffen.

Nachdem das Bauteil gefertigt wurde, wird es aus dem Flüssigbad entnommen und kann abtropfen. Anschließend werden die Plattform sowie sämtliche Stützkonstruktionen vom Bauteil entfernt und das gefertigte Bauteil nachbearbeitet.

Hiermit ist es möglich filigrane Strukturen und glatte Oberflächen zu erzeugen und gilt somit als ein äußerst präzises Verfahren.

TechnikSchichtweises Aushärten von flüssigen Polymeren durch einen UV-Laser
MaterialAcryl- und Epoxidharze
VorteileNachteile
| schnelle Fertigung von
Gussteilvorlagen
| Vereinfachte Fertigung sonst
langwieriger oder nicht
herstellbarere Teile
| Stützkonstruktionen notwendig
| hoher Aufwand für Nacharbeit
| Polymerreste müssen entsorgt werden
| begrenzte Haltbarkeit der Bauteile
   

 

3D-Druck im DB Konzern

Aus vorhandenen Zeichnungen oder eingescannten Objekten werden entsprechende Konstruktionsvorlagen für einen 3D-Drucker erstellt. Diese Vorlagen bestehen zumeist aus vielen einzelnen Vektorgrafiken, welche es erlauben, dass gewünschte Bauteil Schicht für Schicht aufzubauen. Anschließend wird für einen metallischen Werkstoff wie oben beschrieben beim Laserstrahlschmelz-Verfahren der in Pulverform vorliegende Werkstoff in einer dünnen Schicht auf eine Grundplatte aufgetragen und mit einem Laserstrahl vollständig umschmolzen. Dieses Verfahren wird gerade für Metalle als das bestmöglichste angesehen. Beim selektiven Laserstrahlsinter-Verfahren hingegen wird das Metall nicht vollständig geschmolzen, sondern lediglich angeschmolzen. Mittels dieses Vorgehens, werden die Schichten nicht vollständig miteinander verschmolzen, sondern lediglich die sogenannten Sinterhälse. Eine bessere Stabilität bietet natürlich das SLM-Verfahren, doch wird je nach Kraft die auf das Bauteil ausgeübt wird, zwischen einem SLM- oder SLS-Verfahren entschieden, da jedes Verfahren spezielle der Anwendung notwendigen Eigenschaften hat.

Auch die Deutsche Bahn ist sprichwörtlich auf den Zug aufgesprungen und produziert seit 2014 unteranderem ihre eigenen Ersatzteile für die Fahrzeuginstandhaltung mit Hilfe des 3D-Drucks. Wo im Jahre 2016 noch rund 1.000 Ersatzteile gedruckt wurden, waren es zwei Jahre später bereits 7.500 Teile. Das Ziel laut Sabina Jeschke, DB-Vorständin Digitalisierung und Technik, lag das Ziel im Jahr 2021 bis zu 10.000 per 3D-Druck produzierte Ersatzteile herzustellen. Doch inzwischen sind es sogar über 20.000 Teile, die im gesamten DB-Konzern in mehr als 180 Anwendungsfällen gedruckt wurden. Auf den gesamten Ersatzteilemarkt gesehen, wären dies knapp 5%. Produziert werden dabei neben einfachen Mantelhacken, Lüftungsgittern, Kopfstützen auch aufwendige Querdämpferkonsolen und ein aus Aluminium gefertigtes Anbauteil wie die sogenannte Kastenkulisse eines ICE, welche für den sicheren Lauf des Wagens in engen Kurven verantwortlich ist.

Diese Bauteile werden sowohl intern als auch über externe Dienstleister bezogen. Gerade für am Markt nicht mehr erhältliche Bauteile stellen additive Verfahren ein für die DB wirtschaftliches Ersatzteilmanagement dar. Somit ist auch eine Produktion von Klein- und Kleinstserien, seltener benötigter Ersatzteile möglich. Wodurch wiederum Lieferzeiten und teure Lagerungskosten vermieden werden können.

So können beispielweise die Lieferzeiten einer aus Metall gedruckten Kastenkulisse eines ICE2 von rund zehn Monaten auf zwei Monaten reduziert werden. Die Produktionsdauer, also die Druckdauer dieses Teils dauert dabei rund sieben Stunden. Es gibt jedoch auch Teile, welche eine Fertigungszeit von rund 50 Stunden haben. Dazu kommen noch eine anschließende Begutachtung, eine Prüfung und Zulassung was sich dann auf bis zu rund 28 Tagen aufsummieren kann.

Inzwischen können in der Bahntechnik mehr als 130 verschiedene Teile per Knopfdruck hergestellt werden.

Ein weiterer Vorteil welcher sich durch den 3D-Druck ergibt so Sabina Jeschke: „Mit dem Durchbruch beim Metalldruck können wir jetzt schrittweise eine schnellere Versorgung mit Ersatzteilen sicherstellen und die Fahrzeuge gehen zügig wieder auf die Strecke.“ Ebenso werden auch wertvolle Rohstoffe eingespart, da keine großen Mengen mehr an Ersatzteilen eingelagert werden müssen und durch das Print-on-Demand-Verfahren nur das aktuell benötigte Rohmaterial verbraucht wird. Produktionsabfälle werden minimiert, Lagerbestände reduziert und Transportwege entfallen.8

Neben Siemens, einer der Ersatzteillieferanten im 3D-Druck für die DB, prüft auch ALSTOM die Möglichkeiten der additiven Drucktechniken. Ein weltweit angelegtes Programm namens 3D4SPARES, welches unter der Leitung des Supply Chain Teams von ALSTOM agiert, prüft die Möglichkeiten des 3D-Scanns und -Drucks als erweiterte Möglichkeit des Ersatzteil- und Reparaturgeschäfts. Das Team, welches engen Kontakt zu Forschungs- und Entwicklungslaboren, Universitäten, Verbänden, 3D-Drucker-Hersteller und jung Unternehmen hat, betreut hier vor allem die Einsatzgebiete „Rapid Prototyping“, Formen, direkte Fertigung und Reparatur.

Für ALSTOM haben sich ebenfalls die Möglichkeit schnell auf Kundenwünsche zu reagieren, das Lösen von Problemen bei der Ersatzteilbeschaffung und die Reduktion der Kosten bei Kleinstserien als Vorteil bestätigt. Als nächstes steht die Einführung dieses Verfahrens in die Komponentenfertigung zu integrieren an.

Umgang mit neuen Technologien braucht Qualifizierung. So lehrt die Deutsche Bahn auch bereits seit 2019 in ihren Berufsausbildungen das Herstellen einzelner Teile in den unterschiedlichsten 3D-Druckverfahren, um die Auszubildenden möglichst optimal auf die Anforderungen der zukünftigen Arbeitswelt vorzubereiten. „Die Qualifizierungsangebote werden permanent weiterentwickelt und auf den neusten technologischen Stand gebracht. Sie bilden so die Basis für die Entwicklung von Innovationen im DB-Konzern und sind ein wichtiger Baustein der Dachstrategie Starke Schiene“. 10

Quellenverzeichnis

[1] Dreidimensionale Drucke (3DP): https://lkt.mb.uni-magdeburg.de/html/3dp/

[2] Laminated Object Manufacturing (LOM): https://www.lboro.ac.uk/research/amrg/about/
the7categoriesofadditivemanufacturing/sheetlamination/

[3] Selektives Laserstrahlsintern (SLS) und Laserstrahlschmelzen (SLM):
https://www.rioprinto.com/3d-druck-designrichtlinien-sla.html

[4] Fused Depostion Modeling (FDM): https://www.rioprinto.com/3d-druck-designrichtlinien-sla.html

[5] Stereolithografie: https://www.rioprinto.com/3d-druck-designrichtlinien-sla.html

[6] Mantelhaken: 3D-gedruckte Ersatzteile auf der Schiene, EisenbahnIngenieur 07.2017

[7] Additiv gefertigtes Aluminium-Anbauteil des ICE-Fahrmotors: 3-D-Druck bei der Bahn,
EisenbahntechnischeRundschau 12.2015

[8] deutsche Bahn produziert erstmals Ersatzteile aus Metall, Bahn im Bild 19.07.19

[9] Betriebsrelevante Ersatzteile on Demand, RailBusiness 15.07.19

[10] Starke Schiene – 3D-Druck: https://www.starkeschiene.training/3D-Druck 29.01.21