Herstellung von Ersatzteilen durch 3D-Druck

Oft wenden sich Personen an mich, die ein Ersatzteil im 3D-Druckverfahren herstellen möchten. Die Anfragen sind so banal wie ein Herdknopf oder so ausgefallen wie ein Ersatzkristall für einen Kronleuchter. Meistens suchen die Interessenten nach seltenen Autoteilen. Andere fragen nach Teilen für Antiquitäten oder industrielle Nischengeräte. Unabhängig von der Anwendung ist die Herangehensweise an ein gedrucktes Ersatzteil weitgehend gleich.

Bevor Sie mit dem 3D-Druck eines Ersatzteils beginnen, empfehle ich immer, zunächst alle Beschaffungsmöglichkeiten auszuschöpfen. Wenn ein Teil noch bei einem Lieferanten bestellt werden kann, ist es in den seltensten Fällen wirtschaftlich sinnvoll, es in 3D zu drucken. Je nach Teil gibt es vielleicht ein Online-Forum oder einen Schrottplatz, um ein Ersatzteil zu beschaffen.

Einige Teile sind jedoch wirklich "unobtanium", ein lustiger Begriff, den Restauratoren für Teile verwenden, die wirklich nicht zu beschaffen sind. Die Beschaffung eines 3D-gedruckten Ersatzteils ist mit einer gewissen Investition verbunden, weshalb diese Teile einen hohen Wert haben. In der Regel handelt es sich um Teile, die, wenn sie kaputt gehen oder fehlen, ein teures Gerät oder Fahrzeug unbrauchbar machen.

Erstellung eines CAD-Modells: Der Schlüssel zum Ersatz seltener Teile

Die erste und größte Hürde beim 3D-Druck eines Ersatzteils ist die Beschaffung einer 3D-CAD-Datei des Teils, die die Geometrie des Teils genau beschreibt. In seltenen Fällen haben Sie vielleicht Glück und finden eine solche Datei im Internet oder eine technische Zeichnung, die die Abmessungen angibt. Bei einem einfachen Teil können Sie das Design durch sorgfältiges Messen mit einem Messschieber reproduzieren, aber bei komplexeren oder organischen Teilen muss das Teil oft in 3D gescannt werden. Dieser Vorgang kann mehrere hundert Euro kosten, wenn er von einem Unternehmen durchgeführt wird, das einen professionellen Service anbietet. Es gibt immer mehr Lösungen für das 3D-Scannen mit Smartphones, aber die Ergebnisse sind ziemlich ungenau. Die 3D-Scandaten müssen oft nachbearbeitet werden, um eine saubere, für den 3D-Druck geeignete Datei zu erhalten. Eine STL-Datei kann für den 3D-Druck verwendet werden, aber STP-Dateien sind besser, da sie für eine Vielzahl anderer Fertigungsverfahren außerhalb des 3D-Drucks verwendet werden können. Selbst bei einem professionellen Scan ist es wichtig, die kritischen Abmessungen des Teils zu kennen, um Funktionalität und Passgenauigkeit zu gewährleisten - und diese dann mit einem Messschieber zu überprüfen, um festzustellen, ob das 3D-CAD die Details des Teils korrekt erfasst hat. Das Letzte, was Sie wollen, ist Geld für ein Teil auszugeben, dessen kritische Abmessungen in der Baugruppe einfach nicht funktionieren.

Schwierigkeiten bei der Wiederherstellung von Teilen

Wenn das zu ersetzende Teil beschädigt oder nicht vorhanden ist, steht man vor einer echten Herausforderung. Bei vielen Fahrzeugkomponenten gibt es eine linke und eine rechte Variante des Teils. Wenn eine Seite beschädigt ist und die andere nicht, kann es sinnvoll sein, die unbeschädigte Seite zu rekonstruieren, und die Konstruktion kann einfach gespiegelt werden, nachdem sie in 3D-CAD übersetzt wurde. Seien Sie sich jedoch bewusst, dass das Reverse Engineering beschädigter Teile mit einigen Risiken verbunden ist und Sie möglicherweise mehrere Iterationen durchführen müssen, um eine korrekte Passform zu erzielen.

Sobald das 3D-CAD erstellt ist, kann das Ersatzteil im 3D-Druckverfahren hergestellt werden. Wenn es sich um ein Kunststoffteil handelt, gibt es viele verschiedene Kunststoffdruckverfahren, von denen jedes seine eigenen Vor- und Nachteile hat. Es ist wichtig, die Art des Kunststoffs zu berücksichtigen, aus dem das Originalteil hergestellt wurde, sowie die Umgebung und die Belastungen, denen das Teil während seiner Lebensdauer ausgesetzt ist. Ist das Teil großer Hitze ausgesetzt? Ist es Chemikalien wie Benzin oder Bremsflüssigkeit ausgesetzt? Ist es häufig der Sonne ausgesetzt? Wenn das Teil besondere Anforderungen an das Material stellt, ist dies oft ausschlaggebend für die Wahl des 3D-Druckverfahrens, das für die Reproduktion des Teils verwendet werden sollte.

Verfügbare Produktionsverfahren

FDM (Fused Deposition Modeling) ist die am weitesten verbreitete Technologie für Desktop-3D-Drucker und fast immer die kostengünstigste Option. Der Nachteil ist, dass das Teil deutliche Schichtlinien aufweist und die Teile entlang dieser Druckschichten schwach sein können. Dies kann dazu führen, dass sie sich entlang der Schichtlinien auflösen und brechen, wenn sie über ihre Grenzen hinaus belastet werden. Das FDM-Verfahren erfordert außerdem eine gerüstartige Stützstruktur, die die druckbaren Geometrien einschränken kann. Wenn ein Teil aus einem bestimmten Kunststoff hergestellt werden soll, kann das FDM-Verfahren die richtige Wahl sein. Für Teile mit geringen Anforderungen an Ästhetik und Festigkeit (wie der oben erwähnte Herdknopf) ist es das beste Verfahren.

Das SLS-Verfahren erzeugt im Vergleich zum FDM-Verfahren stabilere und ästhetisch ansprechendere Teile.

Selektives Lasersintern (SLS) und Multi Jet Fusion (MJF) sind ähnliche Verfahren, bei denen Kunststoffpulver gesintert wird. Dies sind die gängigsten 3D-Druckverfahren für die Herstellung von Kunststoffteilen für den Endverbrauch. Die mit diesen Verfahren hergestellten Teile sind in der Regel stabiler als die mit FDM hergestellten, und die Oberfläche ist strukturierter, aber auch gleichmäßiger als bei FDM. In ästhetischer Hinsicht weisen sie nicht das 3D-Druck-Look and Feel auf, das bei FDM-Teilen häufig zu beobachten ist. Da bei diesen Verfahren keine Stützstrukturen verwendet werden, bieten sie eine größere Designfreiheit als FDM.

Die Materialoptionen sind begrenzter als beim FDM, aber SLS und MJF bieten eine Reihe gängiger Produktionskunststoffe wie Polyamid (auch als Nylon bekannt), Polypropylen und TPU (thermoplastisches Urethan). Sie können die Oberfläche durch Dampfglättung verbessern und sie glänzender und glatter machen, so dass das Teil die Oberfläche des Spritzgussverfahrens nachahmt, das bei weitem die gängigste Herstellungsmethode für Kunststoffteile ist. Diese Technologien lassen sich auch für größere Stückzahlen gut skalieren. Wenn also mehrere Exemplare benötigt werden, sind SLS und MJF eine überlegenswerte Option.

SLA ist ein Verfahren zur Herstellung transparenter Teile, die unter Lichteinwirkung verfärben können.

Stereolithographie (SLA) und andere lichthärtende Verfahren werden selten für Ersatzteile verwendet, sind aber für Nischenanwendungen erwähnenswert. Die meisten mit diesen Verfahren hergestellten Materialien sind lichtempfindlich und verfärben sich und werden brüchig, wenn sie UV-Lichtquellen (wie z. B. der Sonne) ausgesetzt werden, was der Hauptgrund dafür ist, dass dieses Verfahren nicht häufig für Ersatzteile verwendet wird. Dies ist der Hauptgrund, warum dieses Verfahren nicht für Ersatzteile verwendet wird. Diese Einschränkung kann jedoch durch die Beschichtung des Teils mit Farbe, Klarlack oder Galvanisierung überwunden werden. Diese Verfahren bieten sehr klare Materialoptionen, so dass sie eine Überlegung wert sein können, wenn das Teil klar sein muss. Darüber hinaus ist das SLA-Verfahren in der Lage, eine sehr hohe Auflösung zu erzielen, so dass es die beste Wahl sein kann, wenn das Teil kleine Merkmale aufweist.

Urethangusswird häufig in Verbindung mit 3D-Druck zur Herstellung von Ersatzteilen verwendet. Eine Kopie des Teils wird 3D-gedruckt und zur Herstellung der Form für den Urethan-Guss verwendet, oder der 3D-Druck kann zur Herstellung der Form selbst verwendet werden, in die das Urethan gegossen werden kann. Dies ist ein arbeitsintensives Verfahren, mit dem jedoch ein sehr hochwertiger Ersatz hergestellt werden kann. Darüber hinaus bietet der Urethanguss eine große Auswahl an robusten kunststoffähnlichen und elastomeren Materialien.

Direktes Metall-Lasersintern (DMLS) Direktes Metall-Laser-Sintern (DMLS) ist ein 3D-Druckverfahren, bei dem ein Laser selektiv Metallpulver schmilzt, um Metallteile zu drucken. Mit dem DMLS-Druckverfahren können Metallersatzteile hergestellt werden, es ist jedoch teuer und die möglichen Anwendungsbereiche sind eher Nischenanwendungen. Mit DMLS könnten zum Beispiel Teile für besonders seltene und teure Fahrzeuge hergestellt werden, wie zum Beispiel ein Kampfflugzeug aus dem Zweiten Weltkrieg oder ein dampfgetriebenes Auto aus dem frühen 20. Da das Druckverfahren die Teile aus gesintertem Pulver aufbaut, haben die gedruckten Teile natürlich eine strukturierte Oberfläche. Interessanterweise ist die Oberfläche der von gegossenen Metallteilen sehr ähnlich.

Das Gießen von Metall war (und ist) eine weit verbreitete Methode zur Herstellung von Metallteilen, und die Oberfläche und das Aussehen von gedruckten Metallersatzteilen ähneln oft der Oberfläche des Originalteils. Wie beim Gießen gibt es auch beim Drucken eine Toleranz von einigen Tausendstel Zoll, was bedeutet, dass die Teile möglicherweise nachbearbeitet werden müssen, um eine genaue Passung zu erzielen. Es ist nicht ungewöhnlich, dass sekundäre Bearbeitungen wie Gewindeschneiden oder das Abflachen einer Gegenfläche erforderlich sind.

Verbesserung alter Teile durch 3D-Druck

Neben einfachen Ersatzteilen kann der 3D-Druck auch für neuartige Verbesserungen und Anpassungen bestehender oder früherer Konstruktionen eingesetzt werden. Wenn das Design vor dem Druck in einem 3D-CAD-System erfasst wird, kann es verbessert, modernisiert oder personalisiert werden. Wenn eine originalgetreue Reproduktion nicht das Ziel ist, warum dann nicht eine Verbesserung anstreben?

Der 3D-Druck kann eingesetzt werden, um die Nachfrage nach kundenspezifischen Teilen in kleinen Stückzahlen zu befriedigen, die leichter oder personalisiert sein können und eine besondere Note haben, für die der Kunde bereit ist, einen Aufpreis zu zahlen. In vielen Branchen gibt es ein kleines Marktsegment, das bereit ist, mehr für eine kundenspezifische Version des Produkts zu zahlen, und der 3D-Druck bietet eine Möglichkeit, diese Marktnachfrage zu erkunden und zu befriedigen. Beispielsweise wird der 3D-Druck im Rennsport für praktisch alle denkbaren Fahrzeuge eingesetzt, von Booten bis hin zu Fahrrädern, bei denen einige wenige nach möglichst leichten Teilen suchen. Bei Flugzeugen und Wasserfahrzeugen kann die Gewichtsreduzierung zu erheblichen Einsparungen führen, die die Reichweite erhöhen.

Eric Utley ist der Leiter der Anwendungstechnik bei Protolabs in North Carolina.