Rapid Prototyping – Ersatzteile per 3D-Druck

Teure Lagerhaltung und Ersatzteilmangel bei älteren Fahrzeugen könnten dank Rapid Prototyping bald Geschichte sein. Viele Hersteller setzen schon jetzt auf die 3D-Druck-Technologie auf Basis von CAD-Modellen und bauen so das jeweilige Werkstück nach.

Dank der 3D-Druck-Technologie "Rapid Prototyping" lassen sich Ersatzteile in Zukunft theoretisch direkt in der Werkstatt nachbauen. Foto: Fotolia - Patrick Daxenbichler

Dank der 3D-Druck-Technologie „Rapid Prototyping“ lassen sich Ersatzteile in Zukunft direkt in der Werkstatt nachbauen. Foto: Fotolia – Patrick Daxenbichler

Daher spielt es keine Rolle, wie lange eine Fahrzeugbaureihe schon nicht mehr produziert wird. Auch Einzelanfertigungen von vergriffenen Ersatzteilen sind kein Problem. Abgesehen vom Drucker entfallen dabei kostspielige Spezialwerkzeuge. Zudem können solche Ersatzteile dezentral entstehen, also theoretisch direkt in der Werkstatt.

Darunter rangieren je nach Werkstoff verschiedene Verfahren. Daimler hat jüngst mit der Produktion von Metallersatzteilen für den Unimog begonnen. Basis hierfür ist das selektive Laserschmelzen (SLM). Um ein Teil herzustellen, trägt das Gerät zunächst eine Schicht des pulverförmigen Werkstoffes auf, in diesem Fall eine Aluminium-Silizium-Verbindung. Laser schmelzen gezielt die Bereiche, aus denen das Ersatzteil entstehen soll. Danach erstarrt das gelaserte Material und der Prozess läuft mit einer neuen Pulverschicht weiter. Lage für Lage wächst das Werkstück so in die Höhe. Am Ende ist es laut Daimler dichter und reiner als ein vergleichbares Gussteil und ebenso belastbar.

Der Blick in den Innenraum des 3D-Druckers zeigt die ersten gedruckten Thermostatabdeckungen, die noch mit der Bauplattform verbunden sind. Foto: Daimler

Der Blick in den Innenraum des 3D-Druckers zeigt die ersten gedruckten Thermostatabdeckungen, die noch mit der Bauplattform verbunden sind. Foto: Daimler

3D-Druck auch mit Kunststoff möglich

Auf dieselbe Weise lassen sich auch Ersatzteile aus Kunststoff herstellen. Hier spricht man vom selektiven Lasersintern (SLS). Eher für den Hausgebrauch hat sich ein einfacheres Verfahren durchgesetzt, das ohne Pulver arbeitet. Ein auf drei Achsen beweglicher Druckkopf verflüssigt einen Kunststofffaden und spritzt ihn über eine Düse auf die Arbeitsfläche. Überschüssiges Pulver gibt es bei dieser Variante nicht. Dafür erreichen die so gefertigten Werkstücke nicht die Oberflächengüte, die beim Lasersintern entsteht, und sind daher speziell als Ersatzteile im Automotivebereich nur bedingt geeignet. Während sich Kunststoff und mittlerweile auch Metall recht gut mit 3D-Druckern verarbeiten lassen, stellt Glas die Hersteller bisher vor große Herausforderungen.

Iris Gomeringer, Teamleitung Digitale Fabrik Powertrain, mit einem im 3D-Druck entstandenen Gusskern eines Zylinderkopfes. Foto: Daimler

Iris Gomeringer, Teamleitung Digitale Fabrik Powertrain, mit einem im 3D-Druck entstandenen Gusskern eines Zylinderkopfes. Foto: Daimler

Der bisher einzige Weg, Glas zu drucken, ist die Applikation über eine Düse. Doch auch beim Glas kommt es zu ähnlichen Problemen wie beim Kunststoff: Die Oberfläche ist rau, das Werkstück porös und voller Hohlräume. Abhilfe will das Karlsruher Institut für Technologie (KIT) schaffen. Das Institut nutzt die Prinzipien der Stereolithographie. Grundsätzlich entsteht das Modell aus flüssigem lichtempfindlichem Kunststoff. Gezielte Lichtimpulse härten die Flüssigkeit punktuell aus. Um so Glas zu drucken, mischen die Forscher Nanopartikel aus hochreinem Quarzglas mit einer kleinen Menge des Flüssigkunststoffes. Wie beschrieben entsteht aus dem Gemisch nach und nach ein Werkstück. Lösungsmittel waschen das überflüssige Material ab. Im Anschluss erhitzen die Forscher das Bauteil und entfernen so den noch eingemischten Kunststoff. „Die Form ähnelt zunächst einem Sandkuchen. Sie ist zwar geformt, aber instabil, deshalb wird das Glas in einem letzten Schritt gesintert, also so weit erhitzt, dass die Glaspartikel miteinander verschmelzen“, erklärt Dr. Bastian E. Rapp, Leiter des Projektteams.

Komplizierte, hochgenaue Strukturen aus Glas lassen sich durch eine am KIT entwickelte Methode im 3D-Druck fertigen. Foto: KIT Das Karlsruher Institut für Technologie nutzt beim 3D-Druck mit Glas die Stereolithographie. Foto: KIT Aus einem Gemisch aus Quarzglas und Flüssigkunststoff entsteht nach und nach ein Werkstück. Foto: KIT Zum Schluss wird mit einem Lösungsmittel überschüssiges Material vom Werkstück entfernt. Durch Erhitzen beseitigen die Forscher den noch eingemischten Kunststoff. Foto: KIT

3D-Druck mit Glas: zahlreiche Anfragen von Herstellern

Zentimetergroße Werkstücke lassen sich per 3D-Druck formen. Auf den ersten Blick kommen vor allem Metall- und Kunststoffersatzteile für den Einsatz im Automobil infrage. Doch auch für den Glasdruck gibt es laut Rapp zahlreiche Anfragen aus der Automobilindustrie, besonders aus dem Bereich Beleuchtung, zum Beispiel integrierte Optiken für Scheinwerfer. Neben den Herstellern sind indes auch Logistiker nicht untätig. Panalpina erwägt 3D-Drucker in seinen Logistikzentren zu installieren. Amazon geht einen Schritt weiter und nimmt den Begriff Just in time wörtlich. Vor fast drei Jahren ist ein Patent des Onlinegiganten für den mobilen 3D-Druck direkt im Lieferwagen aufgetaucht.