Additive Fertigung Wie die Bahn mit 3DMP Platz auf dem Abstellgleis schafft

Die Instandhaltung der Deutschen Bahn wartet lange auf Ersatzteile. Das schränkt die Verfügbarkeit der Züge ein und sorgt für Unpünktlichkeit. Mit dem additiven Verfahren 3DMP wurden nun Ersatzteile 3D-gedruckt.

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Über 7000 Angestellte arbeiten in der Fahrzeuginstandhaltung bei der Deutschen Bahn (DB) und kümmern sich um eine Flotte, die aus Tausenden Fahrzeugen besteht. Insbesondere die Ersatzteilvorhaltung und -beschaffung stellen sie immer wieder vor große Herausforderungen. In einem Pilotprojekt wurde jetzt erstmals das 3DMP-Verfahren von Gefertec eingesetzt. Dass die Additive Fertigung das große Problem der schwierig zu beschaffenden Ersatzteile verkleinert, ist der DB bekannt. „Verfügbarkeit ist für unser Unternehmen ein ganz großes Thema“, sagt Dr. Tina Schlingmann, die seit letztem Jahr die möglichen Anwendungsfelder der Additiven Fertigung bei der Deutschen Bahn untersucht. Neben den Bereichen Prototyping und Tooling sei, so die promovierte Werkstoffwissenschaftlerin, vor allem das Ersatzteilgeschäft interessant. Die DB beschafft Lokomotiven, Wagen und komplette Züge und kümmert sich im Anschluss selbst um die Fahrzeuginstandhaltung. Eines der Probleme bei dem Fuhrpark von Tausenden von Fahrzeugen: Bei älteren Baureihen sieht sich die Instandhaltung zunehmend mit Ersatzteilabkündigungen der Hersteller konfrontiert.

Neun Monate Lieferzeit

Insgesamt hat die Deutsche Bahn in den vergangenen Jahren die Möglichkeiten der Additiven Fertigung in über 100 Use Cases untersucht. „Natürlich sind verfügbarkeitsrelevante Ersatzteile besonders interessant“, betont Schlingmann. Im aktuellen Fall geht es um einen Radsatzlager-­Deckel für eine Lokomotive vom Typ BR 294. Diese Typen wurden in den 1960er und 1970er-Jahren in Betrieb genommen. Fehlt dieses Bauteil, läuft Schmiermittel aus dem Lager, was zur Beschädigung des Lagers führt. Im schlimmsten Fall kann die Lokomotive dadurch sogar entgleisen. Die Lieferzeit für dieses Ersatzteil beträgt neun Monate. Ein Dreivierteljahr steht die Lokomotive also auf dem Abstell­gleis und verursacht so hohen Kosten.

Das Originalgussteil ist 11,5 kg schwer, hat einen Durchmesser von 374 mm und eine Höhe von 78 mm. Im Rahmen einer Machbarkeitsstudie hat die DB mit dem Unternehmen Rolf Lenk zusammengearbeitet, um eine alternative Lösung zu finden. Das mittelständische Unternehmen hat im vergangenen Jahr in eine ARC 605 von Gefertec investiert. Diese Maschine arbeitet mit dem 3DMP-­Verfahren und fertigt auch große Bauteile in hoher Geschwindigkeit.

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Das 3DMP-Verfahren

3DMP (3D Metal Print) ist im Bereich des Auftragschweißens anzusiedeln. Das Verfahren verwendet als Ausgangsmaterial Draht, mittels dessen Schweiß­raupe für Schweißraupe ein Werkstück aufgebaut, also additiv gefertigt, wird. Dieses Fertigungsverfahren bietet im Vergleich zu Pulverbettverfahren folgende Vorteile:

• Ein Pulverhandling entfällt.

• Die meisten Standardmetalle sind bereits in Drahtform günstiger erhältlich als Metallpulver.

• Die Aufbaurate beträgt abhängig vom Werkstoff schnellstens 600 cm³/h.

Dadurch eignen sich die ARC-Maschinen für eine schnelle und wirtschaftliche Fertigung auch größerer Werkstücke aus Stahl, Nickelbasis, Titan oder Aluminium.

Die Maschinen von Gefertec sind als 3-achsige Variante für Werkstückgrößen bis etwa 3 m³, als 5-achsige Version für Werkstückgrößen bis 0,8 m³ sowie als kompaktere 5-Achs-­Variante für Werkstückgrößen bis 0,06 m³ erhältlich. Eine speziell entwickelte CAM-Software erzeugt aus den CAD-Daten des Werkstücks die Daten, mit denen die CNC die exakte Positionierung des Schweißkopfs vornimmt. Die Fertigung des endkonturnahen Werkstücks erledigt die Maschine dann vollautomatisch. Eine Endbearbeitung kann mit herkömmlicher CNC-Frästechnik erfolgen. Je nach Anwendung sinken die Herstellungskosten um bis zu 60 %; auch, weil kein Material verschwendet wird.

Zwei Monate Lieferzeit – inklusive Reverse Engineering

Da bei Ersatzteilen für ältere DB-Fahrzeuge die 3D-Daten in aller Regel nicht digital vorliegen, ist ein komplettes Reverse Engineering notwendig. Nach Abschluss dieses Arbeitsschrittes müssen die 3D-Daten für die ARC-Maschine aufgearbeitet werden. Die hierfür verwendete 3DMP-CAM-Software generiert aus dem digitalen Modell des Bauteils spezielle CNC-Daten, mit denen die ARC-Maschine das Werkstück dann Schweißbahn für Schweißbahn aufbaut. „Die eigentliche Fertigung auf der Gefertec-Maschine dauert inklusive Einrichtung lediglich rund acht Stunden“, berichtet Matthias Otte, der bei Rolf Lenk das Projekt betreut hat. Im Anschluss muss das endkonturnahe Bauteil noch spanend bearbeitet werden. Das Gesamtprojekt hat von der Konzeption über das Reverse Engineering bis zur Fertigung insgesamt zwei Monate gedauert. „Dieser Zeitraum ist allerdings nur bei der erstmaligen Fertigung des Werkstücks notwendig“, betont Otte. „In Zukunft können wir dieses Bauteil je nach Maschinenverfügbarkeit in zwei bis drei Wochen fertigen.“

Das fertige Bauteil wurde von der Deutschen Bahn auf Herz und Nieren überprüft. „Neben den üblichen materialwissenschaftlichen Untersuchungen wurde auch eine Computertomografie durchgeführt“, erklärt Schlingmann. Die Ergebnisse waren sehr vielversprechend und bestätigen das Potenzial des 3DMP-Verfahrens. Im Weiteren wird es darum gehen, die nötigen Standards zu erarbeiten, um derartige Bauteile regulär verbauen zu können.

Das digitale Ersatzteillager

Die Machbarkeitsstudie zur Additiven Fertigung des Radsatz­lager-­Deckels ist erst der Anfang – in Zukunft hat die DB in diesem Bereich noch viel vor: Statt aufwendige und kostspielige Ersatzteillager zu betreiben, könnten diese Lager digital werden. Darin stünden dann alle benötigten Bauteile in Form digitaler Dateien abrufbereit, um sie bei Bedarf auf den passenden Maschinen additiv zu fertigen. Dieses Konzept hätte neben der schnelleren Verfügbarkeit auch große Auswirkungen auf die Kosten. Denn neben den Herstellungskosten sind auch noch die Kosten für Transport und Lagerung zu berücksichtigen.

Hinzu kommt, dass kritische Bauteile nach Ablauf ihrer Lebensdauer verschrottet werden müssen. Schlingmann betont auch den Umweltaspekt einer solchen Lösung: „Jedes Bauteil trägt einen CO₂-Rucksack, und diese Last könnte durch Additive Fertigung deutlich reduziert werden.“

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* Jörg Lantzsch ist freier Autor für Gefertec in 12681 Berlin, Tel. (0 30) 91 20 74 36 0, info@gefertec.de

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