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Das Magazin für Forschung und Innovation
 

3D-Druck

Die Print-on-Demand-Manufaktur

Das Erlanger Center of Competence für Additive Fertigung der Siemens Division Mobility: 3D-Druck-Experte Lars Buchmann holt ein gedrucktes Teil einer Absaugung aus dem Metalldrucker.

Die Additive Fertigung bietet für Unternehmen wie Siemens enorme Chancen – vor allem im Servicegeschäft. Im Siemens Kompetenzzentrum für additive Fertigung in Erlangen kann die Bahnbranche bereits Ersatzteile ordern – schnell, individuell angepasst und kostenoptimiert.

Wie eine Ersatzteilschmiede wirkt das zweistöckige Gebäude auf dem Siemens-Campus in Erlangen-Süd nicht gerade: kein Schlot, keine Maschinenhalle, keine Fertigungsstraße. Stattdessen sieht man große Fenster, Lamellenjalousien und steril wirkende Gänge.

Doch hinter den furnierten Flurtüren läuten Mitarbeiter der Siemens-Division Mobility eine neue Ära für Ersatzteile ein. Sie brechen sie nicht aus Gießformen oder fräsen sie aus Metallblöcken. Hier, im mit Hilfe der 3D-Druck-Expertise von Siemens-Mobility-Mitarbeitern 2014 aufgebauten Kompetenzzentrum für additive Fertigung, werden sie gedruckt.

Ideal für die Bahnbranche

Im Showroom der Fertigung greift Tina Eufinger, verantwortlich für das operative Geschäft im Kompetenzzentrum, in eine Glasvitrine und nimmt eine schwarze Kunststoffarmlehne heraus. Was auf den ersten Blick nur ein ergonomisches Bauteil für die Straßenbahn der Stadtwerke Ulm ist, hat es in sich. Es ist eines der Pilotprojekte, mit denen das Kompetenzzentrum die Vorzüge des 3D-Druck-Verfahrens für Ersatzteile demonstriert hat.

Laser des Metalldruckers im Siemens Kompetenzzentrum für additive Fertigung in Erlangen.

Der 3D-Druck boomt – allein von 2016 bis 2019 soll der Umsatz der Branche laut des amerikanischen Marktforschungsinstituts IDC weltweit jährlich um 30 Prozent auf über 26 Milliarden US-Dollar anwachsen. Die Innovationswelle des 3D-Drucks verschafft auch der Industrie eine bislang unbekannte Flexibilität. So erlaubt dieses Verfahren, Designstudien und Prototypen schneller und damit kostengünstiger zu verwirklichen. Auch finden sich serienmäßig gedruckte Teile längst in Flugzeugen, etwa in Triebwerken oder Steuermechaniken. Und wenn Bauteile in kleiner Stückzahl benötigt werden, ist 3D-Druck ebenso gefragt: In der Bahnbranche, in der Schienenfahrzeuge oft über 30 Jahre im Einsatz sind, lassen sich selten benötigte Ersatzteile aus Kunststoff oder Metall auf diese Weise schnell, erschwinglich und aufgrund der Betriebserfahrung technisch verbessert herstellen. „Für die Mobility-Division ist dieses Projekt deshalb hervorragend geeignet“, sagt Maximilian Kunkel, verantwortlich für Forschung und Entwicklung im Kompetenzzentrum. „Wir können komplexe Teile ohne Mindestmengen und Werkzeugkosten produzieren.“

Statt Wochen oder gar Monate: Ersatzteile können dank additiver Fertigung nun in wenigen Tagen konstruiert und geliefert werden.

Und das eben auch für die Ulmer Stadtwerke. Nachdem diese 2003 eine kleine Flotte von Siemens Combino-Straßenbahnen in Betrieb genommen hatten, äußerten mehrere Fahrzeugführer den Wunsch, dass zusätzliche Schalter zum Blinken und für die Weichenstellung in die Armlehne des Fahrersitzes integriert werden. Die benötigte Stückzahl allerdings war bescheiden: zehn. Für eine konventionelle Herstellung hätte sich das nicht gelohnt.  

Doch dank eines digitalen Modells der Armlehne konnte ein Laser sie in einem 3D-Drucker Schicht für Schicht aus einem Pulverbett aus Kunststoff aufbauen – Lasersintern nennt sich dieses Verfahren. Wo der Laser ansetzte, wurde der Kunststoff kurzzeitig zähflüssig, ehe er erhärtete. Nach der Entfernung des überschüssigen Pulvers lag ein Rohling vor einem, der nach Oberflächenbehandlung und Färbung einsatzbereit war.

Waren bisher Ersatzteile nicht verfügbar, mussten Bahnbetreiber wochen- oder gar monatelang auf die Herstellung teurer Werkzeuge warten und waren dann zudem regelmäßig mit Mindestabnahmemengen konfrontiert. Jetzt können Ersatzteile oft in nur wenigen Tagen von dem Erlanger Kompetenzzentrum konstruiert und geliefert werden. Auch komplexe Bauteilgeometrien, die in konventionellen Verfahren nur unter großem Aufwand gefertigt werden können, lassen sich auf diese Weise schnell und unkompliziert herstellen. Das ist oft wirtschaftlicher, als solche Teile zu lagern, bis es einmal Bedarf gibt.

Auch komplexe Bauteilgeometrien, die bisher nur unter großem Aufwand gefertigt werden, lassen sich schnell und unkompliziert herstellen.

Mehr als nur Armlehnen

Für den Fertigungsprozess erstellt das Siemens-Team zunächst ein CAD-Modell (Computer Aided Design), das gegenüber dem Original aufgrund eines optimierten Designs, des Materials und Druckverfahrens oft deutliche Verbesserungen enthält. Dann werden die Daten des Modells zu einem der drei Drucker gesendet, die mit Kunststoff, Aluminium oder Edelstahl arbeiten. Tests zur Handhabung, Festigkeit und vor allem zum Brandschutz folgen. Um der Brandgefahr zu begegnen, verwendet das Erlanger Kompetenzzentrum nahezu ausschließlich einen schwer entflammbaren Hochleistungskunststoff. Doch die hohen Qualitätsanforderungen werden auch noch in anderer Hinsicht zuverlässig erfüllt: „Während andere Hersteller derzeit die Teile noch einzeln testen, standardisieren wir die Druckprozesse für Metalle und Kunststoff so, dass wir Eigenschaften wie Funktionalität oder Lebensdauer vorneweg garantieren können“, so Maximilian Kunkel. „Dabei unterstützen uns seit der Gründung unseres Zentrums auch die Kollegen von Corporate Technology in Erlangen und Berlin.“

Ready to use: Die Armlehne des Fahrersitzes mit integriertem Schalter für die Straßenbahn Combino der Ulmer Stadtwerke.

Das Portfolio des bislang 11-köpfigen Teams unter der Leitung des 3D-Druck-Experten Michael Kuczmik besteht natürlich aus weit mehr als Armlehnen. Tina Eufinger deutet auf einen Motorlagerdeckel in der Vitrine. Der ist, anders als das Originalteil, hohl und innen mit Pulver gefüllt. Das hat unter anderem den Vorteil, dass Vibrationen gesenkt werden und so dem Verschleiß vorgebeugt wird. In einer anderen Vitrine liegt außerdem ein maßgefertigter Klemmkasten für die erste Generation des Hochgeschwindigkeitszuges ICE (Baujahre: von 1989 bis 1993), der serienmäßig nicht mehr hergestellt wird. Der Bedarf an diesem Bauteil ist bei der Deutschen Bahn gering und nicht planbar. Wird der Klemmkasten gedruckt, reduziert das die Ausfallzeit der Hochgeschwindigkeitszüge – und es spart sehr viel Geld.

Virtuelles Warenhaus

Die Ersatzteile aus dem Drucker haben weitere Vorzüge: Sie benötigen aufgrund des verbesserten Designs in der Regel weniger Material als die Originale und sind deshalb leichter. Auch sind sie im Allgemeinen stabiler und halten länger. Zudem lassen sich mitunter weitere Funktionen integrieren. Freilich gibt es auch Einschränkungen: So können die Ersatzteile nicht größer als die Druckkammer werden. Aber bisweilen lassen sie sich auch montieren – wie im Falle einer aus drei Teilen zusammengesetzten Frontschürze für Straßenbahnen. Da etwa bei einem typischen Straßenbahnunfall aus Verkehrsgründen meist nur die rechte Seite beschädigt ist, muss dann auch nur ein Drittel der Schürze ersetzt werden.

Mit den Aufträgen für das junge Kompetenzzentrum wächst zugleich das virtuelle Ersatzteillager. Bereits heute sind dort 450 digitale Modelle gespeichert. Für diese braucht man keine Lagerhalle und für ihre Fertigung keine Funken regnenden Schweißgeräte, geschweige denn eine Gießerei. Auf dem mit viel Grün bepflanzten Erlanger Siemens-Campus findet man vielmehr eine Kombination aus Entwicklungslabor und Manufaktur, die – dank „Print on Demand“ – den Schienenverkehr in kürzester Zeit und wirtschaftlich mit Ersatzteilen versorgt.

Hubertus Breuer