3D-Druck für Reparaturen: Produktlebenszyklen verlängern
Wenn Ersatzteile fehlen, endet der Lebenszyklus vieler Produkte oft vorzeitig. Forschende des Zukunftslabors Circular Economy verdeutlichen anhand eines Pedelecs, wie defekte Bauteile mithilfe des 3D-Drucks nachproduziert werden können. Ziel ist es, Reparaturen zu erleichtern und Produkte länger nutzbar zu machen.
Defekte Produkte zu reparieren, ist ein zentraler Hebel für mehr Nachhaltigkeit. Häufig müssen nur wenige Komponenten eines Produktes ausgetauscht werden, um es weiterhin nutzen zu können. In der Praxis zeigt sich aber oftmals, dass Ersatzteile nicht lieferbar sind oder das Produktdesign eine Reparatur nicht ermöglicht. Dadurch endet der Lebenszyklus eines Produktes früher als notwendig, was sowohl wirtschaftlich als auch ökologisch bedenklich ist.
Die Forschenden des Zukunftslabors Circular Economy untersuchen deshalb, wie mittels 3D-Druck fehlende Ersatzteile effizient nachproduziert werden können. Gemeinsam mit einem Fahrradgeschäft arbeiten sie an einem konkreten Anwendungsbeispiel aus dem Alltag: Eine Kundin bittet um Reparatur eines älteren, aber hochwertigen Pedelecs (Fahrrad mit elektrischem Hilfsantrieb). Der Zweiradmechaniker stellt fest, dass ein Zahnrad im Antriebsmotor gebrochen ist. Obwohl alle übrigen Komponenten des Pedelecs noch funktionsfähig sind, kann es nicht mehr genutzt werden, denn das benötigte Ersatzteil ist nicht mehr lieferbar. Mithilfe eines 3D-Druckers könnte das defekte Zahnrad leicht nachproduziert werden, sodass die Kundin das Pedelec weiterhin nutzen könnte.
3D-Drucker erzeugen Bauteile anhand von digitalen 3D-Modellen. Das Material (z. B. Kunststoff, Metall) wird Schicht für Schicht aufgetragen, bis ein vollständiges Bauteil entstanden ist. Diese additive Fertigung unterscheidet sich zentral vom Spritzguss, der häufig für die Herstellung von Zahnrädern genutzt wird. Beim Spritzguss wird das Material geschmolzen und in eine Form eingespritzt, die die Geometrie des Bauteils bestimmt. Deshalb erfordert der 3D-Druck andere Herstellungs- und Designmerkmale als der Spritzguss.
Bei der Herstellung wird unterschieden in funktionsrelevante und fertigungsrelevante Merkmale. Funktionsrelevante Merkmale sind entscheidend dafür, dass das Bauteil seine technische Funktion erfüllt (z. B. die Form der Zähne eines Zahnrades, die Position der Bohrungen für die Befestigung). Die Art und Weise der Produktion ist nicht entscheidend, solange die Funktion gewährleistet wird. Fertigungsrelevante Merkmale sind durch das Herstellungsverfahren bedingt. Sie sind notwendig, um das Bauteil in dem gewählten Verfahren zu produzieren. Beim Spritzguss sorgen z. B. sogenannte Entformungsschrägen dafür, dass das Bauteil nach dem Abkühlen aus der Form herausgelöst werden kann. Für den 3D-Druck sind diese Schrägen nicht erforderlich. Deshalb ist es sinnvoll, diese fertigungsrelevanten Merkmale für den 3D-Druck zu übersetzen, um ein optimales Ergebnis zu erzielen. Die Forschenden des Zukunftslabors untersuchen daher, welche Merkmale für die ursprüngliche Herstellung des Zahnrades erforderlich waren und inwiefern diese für den 3D-Druck angepasst werden können oder müssen.
In einem sogenannten Übersetzungskatalog tragen die Forschenden alle Merkmale zusammen, die für den 3D-Druck geändert werden können. Je nach Fertigungsart sind andere Übersetzungen erforderlich, z. B. vom Spritzguss in den 3D-Druck oder vom Zerspanen in den 3D-Druck. Um diesen Übersetzungskatalog zu erstellen, recherchieren die Forschenden Konstruktionsmerkmale in unterschiedlichen Quellen wie Fachliteratur, Herstellerinformationen oder Online-Foren. Die Herausforderung besteht darin, sich einen Überblick zu verschaffen, welche Daten vorhanden sind, welche fehlen oder nicht ausreichen und demnach beschafft werden müssen oder welche Daten widersprüchlich sind. In diesem Zusammenhang erstellen die Forschenden auch eigene Versuchsreihen und Ersatzteile mit 3D-Druckern, um Konstruktionsmerkmale selbst zu untersuchen und die Lücken fehlender Informationen zu schließen.
Das Ziel der Forschenden ist es, praktikable Lösungen für kleine und mittlere Unternehmen zu schaffen. Sie sollen die Möglichkeit haben, mit erschwinglichen 3D-Druckern defekte Bauteile selbstständig herzustellen. Man kann sich das am Beispiel des Fahrradgeschäftes so vorstellen: Die Mitarbeitenden scannen mit einem 3D-Scanner das defekte Zahnrad. Auf dem Bildschirm erscheint das digitale 3D-Modell. Eine Software analysiert, welche Geometrien funktionsrelevant sind und welche fertigungsrelevanten Merkmale angepasst werden können. Daraufhin erstellt die Software einen Geometrievorschlag für den Druck, den die Mitarbeitenden prüfen und freigeben. Die Forschenden führen die Analysen zu den funktions- und fertigungsrelevanten Produktionsmerkmalen durch, die für diesen Prozess in der Werkstatt erforderlich sind.
Die Möglichkeit, Ersatzteile mithilfe des 3D-Drucks zu produzieren, ist eine große Chance für die Circular Economy. Wenn wir die Optionen der Reparatur verbessern und dadurch den Lebenszyklus von Produkten verlängern, reduzieren wir Materialverbrauch und Abfall und stärken zugleich die Wieder- und Weiterverwendung bestehender Produkte. Diese Idee ist grundsätzlich nicht neu. Was fehlt, ist eine Durchdringung und einfache Übertragbarkeit hinein in den Fachhandel oder in eine klassische Werkstatt. Hier könnten die ‚Übersetzungskataloge für Konstruktionsmerkmale‘ einen wichtigen Beitrag leisten, ohne dass die Facharbeiter selbst zum Konstrukteur werden müssen. Dabei darf nie das Thema der Haftung oder Garantie außer Acht gelassen werden. Heutige (Ersatz-)Teile werden über aufwendige Prozesse technisch abgesichert und freigegeben. Bei additiv gefertigten Bauteilen handelt es sich häufig um Einzelstücke.
Ostfalia Hochschule für angewandte Wissenschaften, Institut für Konstruktion und angewandten Maschinenbau
Zur Veranschaulichung des Prozesses erstellten die Forschenden folgende Abbildung. Sie visualisiert die Schritte von der Diagnose des defekten Zahnrades (1), über die Auswahl des additiven Fertigungsverfahrens (2) bis zur 3D-Konstruktion (3), digitalen Simulation (4) und Reproduktion mithilfe des 3D-Druckers (5). Im Anschluss erfolgt die Prüfung des Prozesses (6) und die Ableitung zentraler Erkenntnisse (7) für eine in sich geschlossene Prozessverbesserung.
Die Forschenden werden den Übersetzungskatalog kontinuierlich erweitern und das skizzierte Konzept nicht nur am Beispiel des Zahnrades umsetzen.
