Nutzungsdauerverlängerung

Mechanische Beanspruchung kann zur Beschädigung von Kunststoffteilen führen. Bei der Einteilung der Schäden gemäß VDI 3822 ist die Unterscheidung wichtig, ob der Schaden ausschließlich durch die mechanische Einwirkung entstanden ist oder eine Vorbeschädigung vorlag [2]. Vorbeschädigungen können zum Beispiel Folgen von Medieneinwirkungen, Fehler im Werkstoff oder auch fehlerhafte Konstruktion sein. Tritt ein mechanisches Versagen als Folge einer Vorbeschädigung auf, wird diese Vorbeschädigung und nicht die grundsätzliche mechanische Beanspruchung als ursächlich gewertet. Schäden durch mechanische Beanspruchung treten nur in Form missbräuchlicher Verwendung oder durch Überlastung auf [3].

Beispiele für Schäden durch mechanische Beanspruchung sind u.a. Verformungen, Brüche, Risse, glänzende oder ermattete Stellen. Häufig können diese Schäden bereits mit dem menschlichen Auge erkannt werden. Ergänzend können mikroskopische Methoden wie die Fraktografie angewendet werden, bei der aus dem Muster der Risse und Brüche auf deren Ursache geschlossen werden kann [3].

Die Auswirkungen mechanischer Belastungen auf die chemische und physikalische Struktur und Beständigkeit von Kunststoffen ist nicht vollständig geklärt. Mechanische Spannungen können zu Kettenspaltungen führen oder zusammen mit Wärme und Sauerstoff den Abbau von Ketten fördern. Außerdem kann die physikalische Struktur insofern verändert werden, dass Diffusionsvorgänge wie die von Weichmachern verlangsamt werden [3]. Mechanische Belastungen können somit sowohl zu chemischen als auch zu physikalischen Veränderungen führen.

Die Tribologie ist die Lehre der Reibung. Dementsprechend basieren auch tribologische Einflüsse auf Reibung. Diese äußert sich zum Beispiel in Form von Rillen, Kratzer, mattem Aussehen usw. Ursächlich kann sowohl ein Aufeinanderreiben von Flächen als auch Reibung mit eingedrungenen Fremdkörpern sein. Die Schäden können aber auch durch strömende Flüssigkeiten (Fluide) entstehen. Insbesondere dann, wenn im Fluid Partikel enthalten sind oder sich aufgrund von Kavitation Gasblasen im Fluid bilden. Bei diesem Phänomen fällt der hydrostatische Druck lokal unter den kritischen Dampfdruck. In Bereichen mit höherem Druck fallen diese anschließend wieder zusammen und verursachen dabei Schäden. Die Folgen sind häufig mattes Aussehen und aufgerautes Material [4].

Medien wie Wasser und andere Chemikalien wirken sowohl chemisch als auch physikalisch auf Kunststoffe ein und führen zu Alterungsprozessen. Häufig treten beide Vorgänge gemeinsam auf [1, 5]. Hierbei muss zum Beispiel Wasser nicht direkt als Flüssigkeit auftreten, sondern kann auch in Form von Luftfeuchtigkeit oder Niederschlag zu Alterungsprozessen führen. Die Beständigkeit eines Kunststoffs gegen Medieneinwirkung hängt dabei von seiner Struktur und den Additiven ab [1].

Die physikalischen Medieneinwirkungen basieren auf Beeinflussung der Nebenvalenzbindungen (chemischen Bindungen) des Kunststoffs. Dabei kann es zum Quellen des Kunststoffs, zur Erweichung oder zur Extraktion von Additiven kommen. Diese Änderung sind auf Molekülebene reversibel, da keine Änderung der Molekülketten stattfindet [1, 5].

Abwechselndes Quellen und Schrumpfen kann zu einer Rissbildung führen. Während die Oberfläche infolge der Feuchtigkeitsaufnahme aufquillt und sich ausdehnt, behält der Kern seine Form: Es entstehen Spannungen im Material, die schließlich zu Rissen führen können. Der Vorgang kann auch umgekehrt ablaufen. In diesem Fall ist die Oberfläche bereits abgetrocknet während der Kern noch feucht ist. Eine Folge dieses Verhältnis ist das Abblättern von Oberflächen [1].

Bei der chemischen Medieneinwirkung werden die Hauptvalenzbindungen bzw. die Molekülketten beeinflusst und es kommt zu irreversiblen Änderungen der Eigenschaften. Selbst geringe chemische Änderungen können zu starken Veränderungen der Eigenschaften führen [1, 5]. Typische chemische Medieneinwirkungen sind Oxidationsreaktionen oder Hydrolose: Unter Einwirkung von Wasser werden die Molekülketten des Kunststoffs gespalten. Dies führt zum Beispiel zu einer Versprödung. 

Eine weitere Folge ist die sogenannte Spannungsrissbildung. Dabei treten Risse durch kombinierte Einwirkung von mechanischer Beanspruchung und Medieneinwirkung auf, wobei die Risse durch die alleinige Medieneinwirkung nicht auftreten würden [1, 5].

Insbesondere Kunststoffe, die im Außenbereich eingesetzt werden, unterliegen dem Einfluss der Witterung. Hierzu zählen sichtbares Licht, Infrarot (IR)- und Ultraviolett (UV)- Strahlung, Feuchtigkeit sowie Feuchtigkeits- und Temperaturwechsel [6]. Hinzu kommen reaktive Gase wie Ozon, Stickoxide, usw. oder „saurer Regen“, der sich durch Bildung salpetriger Säure aus von Stickstoffmonoxid und -dioxid bildet [1].

Durch die vielfältigen Einflussfaktoren sind auch die jeweiligen Auswirkungen auf unterschiedliche Kunststoffe ausgesprochen vielfältig. Auf chemischer Ebene können sowohl Kettenspaltungen als auch Vernetzungen, Bildung von Monomeren, usw. auftreten. Mit Hilfe von Bewitterungsversuchen können die Umweltauswirkungen auf einen Kunststoff abgebildet werden, allerdings sind die Ergebnisse in der Regel nicht auf andere Kunststoffe übertragbar.  Hinzu kommt, dass die Bewitterung sich unterschiedlich stark auf unterschiedliche Eigenschaften auswirkt. Starke optische Veränderungen korrelieren zum Beispiel nicht unbedingt mit starken mechanischen Veränderungen [1].  Eine Besonderheit bei Schädigungen durch Umwelteinflüsse ist, dass diese häufig stark inhomogen sind. Die Übereinstimmung der Schädigungsrichtung mit einem möglichen schädigenden Einfluss (z.B. Lichteinfall) ist ein deutlicher Hinweis auf eine Schädigung durch Bewitterung [6].

Häufig, aber nicht immer, beginnt die Alterung durch die Einwirkung von Sonneneinstrahlung wobei hier die direkte und diffuse Sonneneinstrahlung die dominanten Einflüsse sind. Besonders relevant ist der energiereiche Anteil des UV-Bereichs mit Wellenlängen kleiner als <400 nm. Im Spektrum der Sonne beträgt dieser etwa 5 %, die sich in etwa gleich auf diffusen und direkten Anteil aufteilen [1, 6]

Die Schädigung durch Licht betrifft häufig nur dünne Schichten an der Oberfläche. Die Energie der einfallenden Strahlung wird durch die Moleküle absorbiert und kann entweder wieder emittiert werden oder eine photochemische Reaktion wie Spaltungen von Bindungen auslösen. Die meisten organischen Bindungsarten können durch UV-Licht gespalten werden. Da somit kein Polymer vollständig UV-stabil ist, ist die Bezeichnung UV-stabil missverständlich. Hierbei muss beachtet werden, dass jeder Kunststoff für einen spezifischen Wellenlängenbereich der UV-Strahlung besonders anfällig ist [1, 6].

Darüber hinaus lösen die gebildeten Radikale (Moleküle mit mindestens einem ungepaarten Elektron) Sekundärprozesse aus. Zum Beispiel reagieren diese Radikale mit dem Sauerstoff aus der Probe oder der Umgebung wodurch immer höhere Oxidationsprodukte bis hin zu Kohlendioxid und Wasser entstehen [6].

Wasser zählt ebenfalls zu den Umwelteinflüssen. Hierbei muss das Wasser nicht unbedingt in flüssiger Form auftreten. Durch Temperaturunterschiede zwischen Tag und Nacht kann es zu Kondensation kommen. Hierdurch können insbesondere auch horizontale Flächen geschädigt werden [1, 6].

Mikroorganismen wie Bakterien, Pilze, Algen, usw. können Schäden an Kunststoffen verursachen bzw. diese abbauen. Der Abbau kann als Schaden unerwünscht oder – im Sinne biologischer Abbaubarkeit – erwünscht sein. Voraussetzungen für erwünschten und unerwünschten Abbau sind ausreichende Feuchtigkeit und Nährstoffe. Als Nährstoffe kommen zum Beispiel Reste von Monomeren, Additiven oder Weichmachern aber auch die Polymerketten selbst in Frage. Ketten, die aufgrund ihrer Länge nicht abbaubar sind, können durch andere Schädigungen verkürzt werden und gespalten werden und infolgedessen ebenfalls potenziell abbaubar werden. Auch wenn der unerwünschte Abbau von Kunststoffen insgesamt selten ist, sollte dieser immer in Betracht gezogen werden, wenn Schäden auftreten und möglicherweise geeignete Lebensbedingungen für Mikroorganismen existieren. Häufige Symptome von mikrobiellen Schäden sind Anlagerungen von Biomasse auf der Oberfläche, Veränderung der Rauigkeit oder Farbe [1, 7].

Temperatureinwirkungen führen zum einen eigenständig zu Alterung und Abbau von Kunststoffen. Zum anderen beschleunigen sie chemische Reaktionen aus Umweltbelastungen und Wirkung von Medien, insbesondere der Hydrolyse. Die Reaktionsgeschwindigkeit, die Geschwindigkeit der Alterung steigt hierbei exponentiell mit der Temperatur (Arrhenius-Gleichung). Hierbei kann von einer Verdoppelung der Reaktionsgeschwindigkeit bei einer Temperaturerhöhung um 10 Kelvin ausgegangen werden (Gesetz von Van't Hoff).  Darüber hinaus werden auch Veränderungen durch Mikroorganismen beschleunigt [1, 8].

Der reine thermische Abbau (Pyrolyse) tritt aufgrund der Bindungsenergie erst bei Temperaturen von 250 °C bis 300 °C auf und ist auch dann nur der einzige Mechanismus, wenn kein Sauerstoff oder Feuchtigkeit in der Umgebung vorhanden ist. In Folge der hohen Temperaturen kommt es zu Vernetzungen der Polymerketten, Kettenspaltungen oder Depolymerisation [1].

Bereits bei deutlich niedrigen Temperaturen kommt es bei Anwesenheit von Sauerstoff zu thermisch-oxidativem Abbau. Mit Kettenspaltungen sowie Kettenvernetzungen oder Verzweigungen kommt es in diesem Fall zu ähnlichen Mechanismen, wie beim rein thermischen Abbau, jedoch ist hier Sauerstoff an der Reaktion beteiligt.

Neben permanenten, chemischen Veränderungen bewirkt eine Temperatureinwirkung auch eine Beschleunigung der physikalischen Veränderung. Eine Erhöhung der Temperatur bewirkt verstärkte Molekülbewegungen. Unterhalb der Glasübergangstemperatur sind nur Vibration- und Rotationsbewegung von Seitengruppen möglich. Im Bereich der Glasübergangstemperatur können Kettensegmente, Rotationen und Umlagerungen auftreten. Hierfür sind Hohlräume notwendig, die mit steigender Temperatur zunehmen. Dies führt dazu, dass physikalische Alterungsvorgänge beschleunigt werden [1].

Endverbraucher:innen sahen sich in den letzten Jahren mit Diskussionen über die geplante Obsoleszenz von Produkten konfrontiert, die den Kund:innen nach einer bestimmten Produktlebenszeit zu einem Neukauf zwingt. Die Reparatur durch Laien wird dabei durch konstruktive Maßnahmen, wie unlösbare Verbindungen erschwert oder unmöglich gemacht [9]. Dem gegenüber stehen der freie Zugang zu Reparaturanleitungen und Kurzvideos im Internet. Beide Phänomene tragen dazu bei, Endverbraucher:innen auch zu komplexeren Arbeiten mit ihren Produkten zu befähigen. Dazu trägt auch der einfache Zugang zu passenden Ersatzteilen bei [9]. Ökonomisch sinnvoll erscheinen Reparaturen oftmals nicht, bieten mit der Verlängerung der Nutzungsdauer jedoch meistens eine Reduktion des ökologischen Fußabdruckes.

Entscheidend für die Langlebigkeit eines Produktes ist ein beanspruchungsgerechtes Produktdesign. „Beanspruchungsgerecht“ umfasst dabei nicht nur die mechanischen Belastungen, sondern z.B. auch Umweltfaktoren, wie UV-Licht, Feuchtigkeit, etc. Lebensdauertests bieten die Möglichkeit, diese Bedingungen und potenzielle Schädigungen nachzubilden und so die angestrebte Lebensdauer des Produkts zu testen. Eine nicht bestimmungsgemäße Nutzung des Produktes durch den Endverbraucher hingegen ist nur bedingt abbildbar. Diese unvorhergesehene Beanspruchung kann folglich zu Schadensbildern führen, die in der Entwicklungsphase nicht betrachtet wurden.

Kommunikation bzw. Datenaustausch sind deshalb die entscheidenden Stichwörter. Die Kommunikation zwischen Hersteller und Endverbraucher erfolgt mehrheitlich einseitig über die verpflichtend beiliegende Bedienungsanleitung [11]. Dementsprechend ist das Potenzial für Rückmeldungen über die Nutzung und Potenziale für Nutzungsdauerverlängerungen des Produktes auf Basis der Bedienungsanleitung begrenzt [10].

Diese Problematik lässt sich auf andere Bereiche im Produktlebenszyklus übertragen. Soll ein Produkt im Rahmen der R-Prinzipien überarbeitet und wiedervermarktet werden, sind die Rückmeldungen zur Nutzungsgewohnheit für eine fachgerechte und wirtschaftliche Wiederaufbereitung aber essenziell.

Auch für die bedarfsgerechte Bereitstellung von (optimierten) Ersatzteilen sind die Rückmeldungen von Nutzenden von hoher Relevanz. Für die Ursachensuche des verfrühten, unvorhergesehenen Ausfalls eines Bauteils, ist die tatsächliche Beanspruchung maßgebend. Nur so können Fehlerpotenziale systematisch eingegrenzt und bei Bedarf zielgerichtet Anpassungen vorgenommen werden.

Das Ziel einer Ersatzteilstrategie ist es, einen Ersatzteilbedarf quantitativ, qualitativ, zeitlich und räumlich zu bedienen. Zusätzlich werden in der Praxis weitere formale Ziele definiert, die sich auf die Kosten-, Service-, und Lagerbestandsoptimierung, sowie die Zuverlässigkeits- und Verfügbarkeitsmaximierung beziehen [12].

Eine effiziente Ersatzteilstrategie integriert logistische Leistung und Nachhaltigkeitsaspekte. Durch bedarfsorientierte Produktion können Überproduktion und Ressourcenverschwendung vermieden werden, während nachhaltige Materialien die Umweltbelastung reduzieren. Bei der Logistik sollten umweltfreundliche Transportmittel und optimierte Routen gewählt werden, um CO₂-Emissionen zu minimieren. Insgesamt verbindet eine erfolgreiche Ersatzteilstrategie wirtschaftliche Effizienz mit ökologischer Verantwortung und trägt zu einem nachhaltigeren Wertschöpfungsnetzwerk bei.

Die Lagerhaltungskosten für Ersatzteile stellen einen wesentlichen Aspekt im Management von Unternehmen dar, insbesondere in der produzierenden Industrie und im technischen Service. Diese Kosten setzen sich aus verschiedenen Komponenten zusammen, die sowohl direkte als auch indirekte Ausgaben umfassen. Zu den direkten Lagerhaltungskosten zählen unter anderem die Kosten für die Lagerung selbst wie beispielsweise Miete für Lagerflächen, Energiekosten und die Lagerverwaltung. Indirekte Kosten können dabei unter anderem die Kapitalbindungskosten umfassen – wenn finanzielle Mittel in Form von Ersatzteilen gebunden sind, die nicht sofort benötigt werden [12]. Eine Überproduktion von Ersatzteilen erzeugt im Fall der Entsorgung nicht nur vermeidbare Kosten, sondern auch Ressourcenverschwendung [13].

Die Logistik zwischen Ersatzteilproduzent, Ersatzteillager und Kunde ist ein entscheidender Faktor für die Effizienz einer Ersatzteilstrategie im Sinne der Wirtschaftlichkeit und Nachhaltigkeit [13].

Die Nachproduktion von Ersatzteilen in der Nachserienversorgung stellt eine Herausforderung für Unternehmen dar und erfordert eine umfassende Planung und strategische Überlegungen [13]. Ein zentraler Aspekt ist die präzise Bedarfsermittlung, die historische Verkaufsdaten, Markttrends und Kundenanfragen analysiert, um Überproduktion und Fehlbestände zu vermeiden. Dies gewährleistet nicht nur die Wirtschaftlichkeit, sondern auch die Kundenzufriedenheit.

Ein weiterer wichtiger Faktor ist die Qualitätssicherung (Qualitätsmanagement). Um sicherzustellen, dass die nachproduzierten Teile die gleichen hohen Standards wie die Originalprodukte erfüllen, sind Qualitätskontrollen erforderlich. Moderne Technologien wie 3D-Druck und digitale Fertigung bieten zusätzliche Möglichkeiten, die Nachproduktion effizienter und kostengünstiger zu gestalten, insbesondere bei kleinen Stückzahlen.

Die Nutzung nachhaltiger Materialien und ressourcenschonender Herstellungsverfahren, wie additive Fertigung, spielt ebenfalls eine wesentliche Rolle, um die Umweltbelastung zu minimieren und den wachsenden Anforderungen an ökologische Verantwortung gerecht zu werden [14].

Darüber hinaus ist eine effektive Logistik entscheidend für die zeitnahe Lieferung der nachproduzierten Teile an Lager oder Kunden. Dies erfordert eine optimierte Planung der Lagerhaltung, um sowohl Kosten zu reduzieren als auch Platz effizient zu nutzen. Idealerweise kann auf Lagerhaltung und den Transport mit den damit verbundenen Kosten nahezu verzichtet werden, indem die Bauteile in der Nähe des Kunden (On-Location)  bedarfsgerecht (On-Demand) produziert werden [13].

Das Bauteildatenmanagement spielt eine entscheidende Rolle in der Ersatzteilstrategie. Es umfasst neben den CAD-Daten zusätzliche Informationen, etwa zur Belastungsrichtung, den funktionalen Anforderungen und den spezifischen Umweltbedingungen, die für die Gesamtanalyse eines Bauteils relevant sind. Besonders im Kontext des 3D-Drucks von Ersatzteilen entfaltet ein detailliertes Bauteildatenmanagement besondere Wirkung.

Umweltbelastungen, unter denen die Bauteile betrieben werden, sind ebenfalls ein kritischer Aspekt. Materialermüdung, Korrosion oder thermische Einflüsse können die Eigenschaften eines Bauteils verändern und zu vorzeitigen Ausfällen führen. Ein effektives Bauteildatenmanagement berücksichtigt daher auch externe Faktoren, die die Langlebigkeit und Zuverlässigkeit der Bauteile beeinflussen können. Daran anknüpfend sind Prüfvorgaben weitere zentrale Bestandteile des Bauteildatenmanagements. Sie stellen sicher, dass alle Bauteile den erforderlichen Qualitätsstandards entsprechen und sicher im Einsatz sind.

Die Nachkonstruktion von Bauteilen zur Herstellung von Ersatzteilen stellt eine anspruchsvolle Aufgabe dar, insbesondere wenn keine digitalen CAD-Daten oder spezifischen Werkzeuge mehr zur Verfügung stehen. In solchen Fällen können entweder händische Messungen und vorhandene Ableitungszeichnungen oder moderne 3D-Scan-Technologien eingesetzt werden.

Die händische Methode erfordert präzises Messen der vorhandenen Bauteile und ggf. den Abgleich mit alten Ableitungszeichnungen. Hierbei sollten eine Vielzahl von Dimensionen und geometrischen Merkmalen aufgenommen werden, um eine möglichst vollständige digitale Repräsentation zu erstellen. Diese Herangehensweise erfordert jedoch ein hohes Maß an Erfahrung und technischem Wissen, um die gewonnenen Daten korrekt zu interpretieren und in eine funktionsfähige CAD-Darstellung zu überführen.

Alternativ eröffnet die Verwendung von 3D-Scan-Technologien neue Möglichkeiten [15]. Ein 3D-Scanner erfasst das Bauteil in seiner gesamten geometrischen Komplexität und erstellt ein digitales Modell. Anschließend wird dieses Modell in einer CAD-Software bearbeitet, um sicherzustellen, dass alle Funktionsmaße und Toleranzen eingehalten werden. Diese Methode bietet den Vorteil einer hohen Genauigkeit und der Verkürzung der Nachkonstruktionszeit von komplexen Bauteilen. Zudem lassen sich so auch die komplexen Formen und Details abbilden, die mit herkömmlichen Messmethoden schwer zu erfassen wären.

In der Praxis ist es oft sinnvoll, die Vor- und Nachteile der beiden Strategien in einer hybriden Vorgehensweise zu kombinieren und so eine hohe Wirtschaftlichkeit sowie Qualität der CAD-Daten zu gewährleisten.

Die additive Fertigung, allgemein bekannt als 3D-Druck, bringt gegenüber traditionellen Produktionsmethoden der Ersatzteilfertigung zahlreiche Vorteile mit sich. Ein zentraler Aspekt ist die Kosteneffizienz, da die additive Fertigung Einzelstückproduktion und Kleinserien ohne hohe Fixkosten (z.B. Werkzeugkosten) ermöglicht [14]. Dieser Umstand erlaubt Unternehmen eine flexible Reaktion auf Ersatzteilbedarfe und Ausfallszenarien. Bauteilanpassungen benötigen in diesem Szenario keine langwierige Änderung der benötigten Werkzeuge [13].

Die additive Fertigung fördert zudem die Designfreiheit, da komplexe Geometrien realisierbar sind, die mit konventionellen Fertigungsverfahren schwer oder gar nicht umsetzbar wären. Diese erlaubt große Gestaltungsfreiheit durch die weitgehende Unabhängigkeit der Fertigungskosten von der Bauteilkomplexität. Da additive Fertigungsverfahren andere Anforderungen an die Konstruktion stellen, ist eine 1:1-Übernahme des Spritzgießmodells selten möglich. Auch Ressourcenschonung und Abfallvermeidung spielen eine wichtige Rolle, da nur das benötigte Material verarbeitet wird.

Ein erheblicher Vorteil im Sinne einer Ersatzteilstrategie ist die Reduzierung von Lagerbeständen: Vorgehalten werden muss lediglich das digitale Modelle, während Ersatzteile bei Bedarf (On-Demand) vor Ort (On-Location) produziert werden [14]. Dies steigert die Effizienz und ermöglicht schnelle Reaktionszeiten auf Kundenanfragen. Zudem eröffnet die additive Fertigung Möglichkeiten zur Individualisierung [14].

Die konstruktive Optimierung von Ersatzteilen ist maßgebend für deren Lebensdauer. Oftmals zeigt die Analyse von Nutzungsdaten, dass die Originalkonstruktion von Bauteilen den unvorhergesehenen Beanspruchungen in der Praxis nicht standhält. Insbesondere bei Spritzgießwerkzeugen, deren Modifizierung mit erheblichen Kosten und Aufwand verbunden ist, eröffnet der 3D-Druck vielversprechende Möglichkeiten.

Durch die flexible und iterative Natur des 3D-Drucks können Prototypen neuer Designs schnell und kostengünstig erstellt werden [13]. Diese Vorgehensweise ermöglicht es, auf spezifische Schwächen der Originalkonstruktion gezielt zu reagieren und verschiedene Designvarianten zu testen. Eine sorgfältige Analyse der Materialauswahl ist entscheidend, um die besten Eigenschaften für die jeweilige Anwendung zu gewährleisten.

Für die Produktion hochwertiger und funktionaler Bauteile, ist eine sorgfältige Planung und Konstruktion unter Berücksichtigung der spezifischen Anforderungen der additiven Fertigungsverfahren essenziell.

Überhänge und Stützstruktur

Denn in der Praxis bringen unterschiedliche additiven Fertigungsverfahren eine Vielzahl an Herausforderungen mit sich, die im Einzelfall zu berücksichtigen sind. Für die Konstruktion sind insbesondere die Überhänge und die Notwendigkeit von Stützstrukturen wichtige Themen, um einen schichtweisen Aufbau durch die Maschine zu ermöglichen. Für das Einfügen von Überhängen sind bei vielen Druckverfahren außerdem zusätzliche Materialstrukturen erforderlich. Dadurch können sich der Materialverbrauch und der Nachbearbeitungsaufwand intensivieren, da die Stützstrukturen entfernt werden müssen. In vielen Fällen kann die Verwendung von Stützstrukturen die gesamte Geometrie des Bauteils beeinflussen und somit dessen Funktionalität beeinträchtigen. Es gilt in der Konstruktion somit möglichst keine Überhänge in Aufbaurichtung zu generieren.

Für die additivgerechte Konstruktion von Überhangen kann sich an der YHT-Regel orientiert werden [14]. Diese unterstützt den Konstrukteur bzw. die Konstrukteurin darin die nicht vermeidbaren Überhänge mit verschiedenen Ansätzen so zu gestalten, dass diese möglichst problemlos gedruckt werden können:

Der Buchstabe Y steht für ideale Überhänge, die häufig bis zu einem Winkel von 45 Grad ohne zusätzliche Stützmaterialien gedruckt werden können. Allerdings lässt sich dies nicht verallgemeinern, da die maximal druckbaren Winkel von jeder Drucktechnologie individuell betrachtet werden müssen. Bei FDM-Druck lassen sich zum Beispiel kleinere Winkel bis 30 Grad und im SLM-Druck tendenziell nur Winkel größer 55 Grad realisieren.

Der Buchstabe H repräsentiert Brückenkonstruktionen, die von Punkten mit gleicher Höhe auf der Bauplatte ausgehen. Dieser Teil der Regel bezieht sich im Ursprung auf die Strangablageverfahren, lässt sich aber auch begrenzt auf die Pulverbett- und Photopolymerverfahren übertragen. Hierbei wird ein Filamentstrang zwischen zwei Punkten extrudiert, was als Bridging bezeichnet wird. Dafür werden im Slicer spezielle Einstellungen getroffen, die nur in dem betroffenen Bereich aktiv sind und eine Grundstruktur schaffen, auf der normal weiter gedruckt werden kann. Um Problemen beim Bridging vorzubeugen, sind diese Druckereinstellungen sorgfältig zu kalibrieren.

Der Buchstabe T symbolisiert die Überhänge, die nicht anders gestaltet werden können und Stützmaterial benötigen, wobei die Effizienz gesteigert werden kann, indem sie so nah wie möglich an der Bauplatte realisiert werden.

Anisotropie

Anisotropie beschreibt die Richtungsabhängigkeit der Eigenschaften eines Werkstoffs [15]. Im Fall der additiven Fertigung ist das Material häufig in der Z-Richtung (der vertikalen Richtung, in der die Schichten übereinandergelegt werden) weniger stabil oder weist geringere mechanische Eigenschaften auf als in der X- und Y-Richtung (den horizontalen Richtungen).

Dies ist darauf zurückzuführen, dass die Verbindung zwischen den einzelnen Schichten weniger stark sind als die innerhalb einer Schicht. Da die einzelnen Stränge keinen quadratischen Querschnitt haben, bilden sich zwischen den Schichten zudem Kerben aus, die zu hohen Kerbspannungen führen können . Die Anisotropie in der Z-Richtung ist ein häufiges Phänomen, das bei vielen additiven Fertigungsverfahren aus vielfältigen Gründen auftritt. Auch die mechanischen Eigenschaften in X- und Y-Richtung entsprechen nicht denen bei einer Fertigung im Spritzgießverfahren. Für die Ausrichtung des Bauteils ist daher darauf zu achten, das Zuglasten parallel zur XY-Ebene und die Biegelast senkrecht zur Z-Richtung wirken [14].

Verbindungselemente

Gewindeeinsätze spielen eine entscheidende Rolle bei der Verbesserung der Funktionalität von 3D-Druckbauteilen. Sie ermöglichen eine stabile und wiederholbare Verbindung, was insbesondere in Anwendungen von Bedeutung ist, in denen häufiges Montieren und Demontieren erforderlich ist. Für selten zu öffnende Verschraubungen lassen sich auch Kunststoffschrauben verwenden, die selbstschneidend sind.

Clipsverbindungen sind eine effiziente Lösung zur Verbindung von 3D-Druckbauteilen, da sie ohne Nacharbeit auskommen und eine werkzeuglose Montage und Demontage ermöglichen. Bei der Gestaltung ist die Geometrie entscheidend, da der Clip sowohl festen Halt bieten als auch eine einfache Handhabung ermöglichen muss. Durch eine schnelle, iterative Prototypenerstellung können Produktdesignende verschiedene Geometrien und Materialien testen, um die bestmögliche Funktionalität und Passform zu erreichen. Wichtig ist dabei die Ausrichtung der Druckschichten, um die Festigkeit zu maximieren und Delaminationen zu vermeiden.

Fused Depositing Modelling

Das Fused Deposition Modeling (FDM) Verfahren ist eine weit verbreitete additive Fertigungstechnik. Es handelt sich um ein sogenanntes Strangablageverfahren, bei dem typischerweise Kunststofffilament in einer beheizten Düse aufgeschmolzen und ausgetragen wird. Das Modell wird dabei in dünnen Schichten aufeinander aufgebaut [15]. FDM ist bekannt für seine Benutzerfreundlichkeit und Flexibilität, da es eine Vielzahl von Materialien wie PLA, ABS und PETG verarbeiten kann. Es wird häufig im Rapid Prototyping verwendet. Aufgrund seiner kostengünstigen Ausrüstung und der niedrigen Druckkosten hat es sich als eine der populärsten Methoden im Hobby- und Industrie 3D-Druck etabliert.

Binder Jetting (BJ)

Das Binder Jetting Verfahren wird häufig in der industriellen Produktion eingesetzt [15]. Dabei wird ein feines Pulver, das aus Materialien wie Metall, Keramik oder Sand bestehen kann, schichtweise aufgetragen. Ein Druckkopf sprüht ein flüssiges Bindemittel gezielt auf die Pulveroberfläche, wodurch die gewünschten Teile schichtweise zusammengefügt werden. Nach dem Druckprozess kann das Objekt in einem Ofen gesintert werden, um die Festigkeit zu erhöhen und im anschließenden Nachbearbeitungsprozess technische Oberflächen zu erzeugen. Eines der Merkmale des Binder Jetting ist die Möglichkeit, komplexe Geometrien mit einer hohen Detailgenauigkeit zu realisieren. Zudem ermöglicht es die Herstellung von funktionalen Bauteilen in kleinen Losgrößen.

Inkjet (IJ)

Bei dem Inkjet-Verfahren werden Tinten-/ Materialtropfen gezielt aus spezialisierten Druckdüsen auf ein Substrat aufgebracht und ausgehärtet. Es gibt hauptsächlich zwei Technologien zur Erzeugung der Tintentropfen: das Thermalinkjet-Verfahren, bei dem winzige Heizkörper Tinte erhitzen und einen Dampfimpuls erzeugen, der die Tinte durch die Düse ausstößt, und das Piezo-Inkjet-Verfahren, bei dem Piezoelemente dazu verwendet werden, Druck auf die Tinte auszuüben und sie durch die Düse zu pressen.

Durch diese Mechanismen können die Tropfen in variierenden Größen erzeugt werden, was eine feine Steuerung der Materialverteilung ermöglicht. Diese Präzision trägt entscheidend zur Detailgenauigkeit des Drucks und der Qualität des Endprodukts bei. Die Tintentropfen treffen schichtweise auf das Substrat, wodurch eine Vielzahl von Anwendungen von Text- und Bilddruck bis hin zu innovativen 3D-Druckverfahren wie zum Beispiel dem Leiterplattendruck möglich ist.

Der an der Hochschule Bielefeld eingesetzte NanoDimension Dragonfly basiert auf ebendiesem "Inkjet-Druck"-Verfahren, bei dem leitfähige Tinten auf ein Trägermaterial aufgebracht werden. Diese Tinten enthalten Nanopartikel, die eine hohe elektrische Leitfähigkeit ermöglichen. Der Drucker kann verschiedene Materialien, einschließlich Kunststoffen und leitfähigen Tinten, nutzen, um maßgeschneiderte Schaltungen und Bauteile herzustellen. Der Dragonfly verarbeitet die Entwürfe direkt aus CAD-Daten, was die Entwicklungszeiten erheblich verkürzt und die Notwendigkeit von zusätzlichen Fertigungsschritten eliminiert.

Selektives Lasersintern (SLS)

Bei diesem Verfahren werden thermoplastische Kunststoffpulver wie Nylon (PA12 oder PA11) verwendet, die schichtweise aufgetragen und mithilfe eines Lasers selektiv zu einem festen Objekt gesintert werden [15]. Da das umliegende Pulver das gedruckte Teil während des gesamten Prozesses stützt, können komplexe Geometrien und Innenstrukturen realisiert werden ohne die zusätzliche Stützstrukturen notwendig zu machen [15]. Die gedruckten Bauteile zeichnen sich im Vergleich mit anderen additiven Fertigungsverfahren durch ihre homogeneren mechanischen Eigenschaften und eine gute Wärmebeständigkeit aus.

Während des SLS-Druckprozesses wird der gesamte Bauraum auf eine Temperatur knapp unter dem Schmelzpunkt des verwendeten Kunststoffpulvers erhitzt [15]. Der Laser bringt selektiv dort Energie ein, wo das Pulver gesintert werden soll [15]. Um thermischem Verzug vorzubeugen, wird der Bauraum nach dem Druck sehr langsam abgekühlt. Die dauerhaft hohen Temperaturen des Pulverbettes können zu einer Alterung und damit zu Pulverschäden führen. Bei einer Wiederverwendung des Pulvers kommt es daher zu Qualitätseinbußen, weshalb das restliche Pulver nicht 1:1 erneut genutzt werden kann [15].

Lasermelting

Der Selective Laser Melting (SLM) Prozess (SLM, engl.: Selective Laser Melting) ist ein pulverbettbasiertes additives Fertigungsverfahren, bei dem Metallpulverschichten mit einem Laserstrahl entsprechend der aktuellen Bauteilschicht verschweißt werden [15]. Bei diesem Verfahren wird ein Laser eingesetzt, um metallisches Pulver Schicht für Schicht zu schmelzen und die Partikel miteinander zu verbinden [15]. Es ermöglicht die Herstellung hochkomplexer und präziser Bauteile mit herausragenden mechanischen Eigenschaften, die oft in anspruchsvollen Anwendungen wie der Luft- und Raumfahrt, der Automobilindustrie und der Medizintechnik eingesetzt werden. Durch die Fähigkeit, leichtere und geometrisch optimierte Strukturen zu produzieren, bietet die SLM-Technologie zahlreiche Vorteile gegenüber herkömmlichen Fertigungsmethoden, obwohl die hohen Kosten für Anlagen und Materialien sowie die Notwendigkeit einer Weiterverarbeitung zu beachten sind [15]. Weiterführend zu beachten ist, dass die Metallpulver häufig lungengängig sind und entsprechende Arbeitsschutzvorkehrungen einzurichten sind. Trotz des Pulverbettes, das im SLS-Druck als Stütze fungiert, kann im SLM-Druck nicht auf Stützstrukturen verzichtet werden. Hier würde der hohe Wärmeeintrag sonst zu Verzug führen und die Druckgeschwindigkeit des Werkzeugs begrenzen [15].