Auftragsfertigung Lasersintern für Ersatzteile der Deutschen Bahn

Materialise hat mit der Deutschen Bahn (DB) ein Lüfterrad entwickelt, dass auf die Additive Fertigung hin optimiert wurde. So kann das Ersatzteil bei Bedarf gefertigt werden.

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Eines der ersten Teile, mit denen die Deutsche Bahn (DB) die Nutzbarkeit der Additiven Fertigung erprobt und letztlich belegt hat, ist ein Lüfterrad, das durch raffinierte Konstruktion 1800 min^–1 standhält. Materialise hat die Lösung gemeinsam mit der DB entwickelt und produziert diese auch auf Abruf.

Anfang 2015 fiel bei der DB die Entscheidung, sich näher mit der Additiven Fertigung (AF) auseinanderzusetzen und eine entsprechende Kompetenz aufzubauen. Auf der Suche nach geeigneten Testbauteilen fiel der Blick schnell auf ein Lüfterrad, das vor dem Ölkühler eines Oberleitungs-Bauwagens eingesetzt ist. Mit dem Wagen werden Instandhaltungsarbeiten am Fahrdraht durchgeführt. Florens Lichte, Leiter Konzernprojekt 3D-Druck bei der Deutschen Bahn: „Der Hersteller des Lüfterrads hatte uns mitgeteilt, dass er das Bauteil nicht mehr produzieren wird. Darüber hinaus wird der Artikel nicht in großen Mengen benötigt, sondern nur als Ersatzteil, am besten auf Abruf, um Lagerkosten zu sparen. Hinzu kommt, dass das Lüfterrad relativ anspruchsvoll in Bezug auf die Belastung ist.” Als Partner für das Engineering fiel die Wahl auf Materialise, einen Anbieter von Software und Dienstleistungen im Bereich 3D-Druck.

Der Werkstoff PA-GF als Material für anspruchsvolle Umgebungen

Um die Aufgabe im 3D-Druck-Verfahren umsetzen zu können, wurde das Originalteil zunächst von der DB gescannt. Die Daten wurden anschließend zusammen mit den technischen Anforderungen an das Team von Materialise übermittelt. Hier musste zunächst die Frage des Verfahrens und des Materials geklärt werden. Vor dem Hintergrund, dass das Bauteil später mindestens 1500 min^–1 bewältigen soll, sowie aus Kostengründen entschieden sich die Ingenieure der DB für Lasersintern (LS) als Methode. Als druckbare Alternative zum Originalmaterial wählten die Experten glasgefüllte Polyamide (PA-GF). Der Werkstoff besitzt eine hohe thermische Beständigkeit und Verschleißfestigkeit und ist ideal für anspruchsvolle Umgebungen wie die des Lüfterrads.

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Mit der Wahl des Verfahrens stand das Materialise-­Team jedoch vor einer weiteren Herausforderung: „Das Lüfterrad war für den Bauraum, der beim LS-Verfahren zur Verfügung steht, zu groß”, erläutert Christoph Erbe, zuständiger Projektmanager bei Materialise. „Es mussten also Einzelteile gedruckt und anschließend miteinander verbunden werden. Am effektivsten war es, den zentralen Körper und die Flügel getrennt zu drucken. Doch wie sollten wir die Flügel stabil und sicher genug am Achsteil befestigen? Die Idee, Schrauben zu verwenden, wurde aufgrund des komplizierten Montageprozesses schnell wieder verworfen.”

Stattdessen schlugen die Ingenieure der DB die Befestigung mittels einer Schwalbenschwanz-Verbindung vor. Zur Optimierung der Befestigung konzipierten die Experten bei Materialise im Inneren des zentralen Körpers verlaufende Kanäle für Klebstoff, die für eine optimale Verteilung der Masse im Objekt sorgen. „Dazu haben wir auch gleich eine Austrittsfläche für den Klebstoff geschaffen”, so Erbe. „Tritt dieser hier aus, ist sichergestellt, dass die Kanäle vollständig und gleichmäßig damit gefüllt sind, sodass die Flügel sicher halten und keine Unwuchten entstehen.” Abschließende Tests durch die DB ergaben, dass das Lüfterrad sogar für 1800 min^–1 geeignet ist.

Bei der Produktion der Lüfterräder druckt Materialise nicht nur die Einzelteile und integriert die Klebstoffkanäle, sondern sorgt auch für den Zusammenbau. Darüber hinaus gibt das Unternehmen den Bauteilen ein dunkles Finish. Das spart Kosten. Eine weitere Besonderheit des Projekts: Die Materialise-­Ingenieure haben bei der Entwicklung des Bauteils auch gleich die nötigen Verbindungspunkte aus Edelstahl berücksichtigt.

Ein dunkles Finish und selbst gedrehte Verbindungspunkte

Diese werden von dem 3D-Druck-Spezialisten bei Auftragseingang nun sogar selbst gedreht und in das Bauteil aus PA-GF eingepresst. Damit liefert Materialise für die DB eine One-Stop-Shopping-Lösung, die jederzeit abgerufen werden kann, wenn ein Ersatzteil benötigt wird. „Wir sind sehr zufrieden mit der Zusammenarbeit mit dem Materialise-Team und der konstruktiven Umsetzung”, erklärt Lichte rück­blickend. „Uns überzeugte besonders, dass Materialise uns in jeder Phase der Produktion des Lüfterrads, vom Engineering bis zur Endmontage, unterstützen konnte.”

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* Weitere Informationen: Materialise in 28359 Bremen, Tel. (04 21) 94 40 74 30, info@materialise.de, www.materialise.de

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