Wenn ein Kunde mit der Bitte kommt, ein Bauteil zu drucken oder wiederherzustellen, lautet die erste Frage nicht, welche Technologie oder welcher Werkstoff, sondern ob es überhaupt eine Zeichnung gibt. Bei Anlagen, die seit einem Jahrzehnt oder länger laufen, gibt es meist keine.

Reverse Engineering ist dann der kürzeste Weg zu einem brauchbaren CAD-Modell. Das Bauteil wird gescannt, der Scan wird in ein parametrisches Modell überführt, und erst dann wird entschieden, ob das Bauteil originalgetreu kopiert oder verbessert wird und ob es überhaupt gedruckt wird.

Ein Scan ist kein Modell. Ein verschlissenes Bauteil liefert verschlissene Geometrie, daher liegt der größte Teil der Arbeit darin, die ursprüngliche Konstruktionsabsicht, Toleranzen und Passungen wiederherzustellen, nicht im Scannen selbst. Neben der Geometrie muss auch der Werkstoff bestimmt werden.

3D-Scannen funktioniert auch in umgekehrter Richtung, als Prüfung des gedruckten Bauteils gegen das CAD-Modell. Für Bauteile, die durch generatives Design entstanden sind, ist es oft die einzige praktikable Prüfmethode.

Wenn ein Kunde ohne Zeichnung kommt

In der Praxis wiederholen sich zwei Situationen.

Die erste ist eine Maschine, die so alt ist, dass der Hersteller Support und technische Dokumentation längst eingestellt hat, während die Maschine weiterhin zuverlässig und voll funktionsfähig ist. Der Kunde hat nicht die Absicht, sie wegen eines Bauteils zu ersetzen.

Die zweite ist ein Bauteil, das regelmäßig ausfällt oder schneller verschleißt, als es sollte. Dann geht es nicht um eine Kopie des Bestehenden, sondern um eine Verbesserung durch Form, Konstruktionsansatz oder Werkstoffwahl, die die Lebensdauer des Bauteils verlängern soll.

In beiden Fällen ist Reverse Engineering keine exotische Option, sondern der einfachste und oft der einzige realistische Weg zu einem CAD-Modell, auf dem weitere Entscheidungen aufbauen können.

Ein Beispiel aus der Industrie, die Deutsche Bahn

Die Deutsche Bahn ist eines der am besten dokumentierten Beispiele für diesen Ansatz in Europa. Züge und Infrastruktur sind über Jahrzehnte im Einsatz, und die Hersteller vieler Bauteile existieren nicht mehr oder fertigen sie nicht mehr.

Die Deutsche Bahn druckt seit 2015 Ersatzteile und hat bisher über 100.000 davon gefertigt, in mehr als 700 verschiedenen Typen. Der erste Schritt ist das 3D-Scannen, das ein digitales Modell erzeugt, das gespeichert und bei Bedarf gedruckt wird. 2023 umfasste das digitale Lager rund 1.000 Modelle, mit dem Ziel von 10.000 bis 2030.

Das 100.000. Bauteil war ein 570 Kilogramm schweres Getriebegehäuse für eine Rangierlok, gegossen in einer 3D-gedruckten Form. Die konventionelle Beschaffung eines solchen Bauteils dauert etwa zehn Monate, auf diesem Weg waren es zwei. Das Beispiel zeigt auch etwas Wichtiges: Reverse Engineering bedeutet nicht, dass das Bauteil selbst gedruckt werden muss. Hier wurde die Form gedruckt und das Bauteil gegossen.

Vom Bauteil zum neuen Bauteil, fünf Schritte

1. Erfassung von Zustand und Werkstoff. Vor dem Scannen wird das Bauteil gereinigt, fotografiert und an den Stellen vermessen, die für seine Funktion wichtig sind. Gleichzeitig wird der Werkstoff bestimmt: chemische Zusammensetzung per Spektrometer, Härte und, wo nötig, Gefüge. Ohne das ergibt selbst der genaueste Scan ein Bauteil aus dem falschen Werkstoff.

2. Scannen. Das Ergebnis ist eine Punktwolke oder ein Dreiecksnetz, das die tatsächliche, aktuelle Geometrie des Bauteils beschreibt, einschließlich Verschleiß, Verzug und Beschädigungen.

3. Rekonstruktion der Konstruktionsabsicht. Dies ist der wichtigste und längste Schritt. Der Scan wird in ein parametrisches CAD-Modell mit Ebenen, Achsen, Bohrungen und Flächen überführt. Verschlissene Flächen werden auf ihre ursprünglichen Maße zurückgeführt, und die Maße werden gegen die Gegenstücke geprüft. Toleranzen lassen sich aus einem Scan nicht ablesen, sie werden nach der Funktion festgelegt.

4. Entscheidung, Kopie oder Verbesserung. Erst mit dem CAD-Modell wird entschieden, ob das Bauteil originalgetreu nachgebaut oder die Gelegenheit zur Verbesserung genutzt werden soll und welches Verfahren das richtige ist: 3D-Druck, spanende Bearbeitung, Guss in einer gedruckten Form oder eine Kombination. Hier knüpft Reverse Engineering direkt an die Prinzipien an, die in DfAM, Konstruktion für die additive Fertigung beschrieben sind, denn eine Verbesserung ohne DfAM-Logik bleibt eine Kopie mit kosmetischen Änderungen. Den breiteren Rahmen für die Verfahrenswahl finden Sie in Wann 3D-Druck sinnvoll ist und wann nicht.

5. Fertigung und Verifizierung. Das neue Bauteil wird gefertigt und geprüft, maßlich durch Scannen gegen das CAD-Modell und funktional in der Baugruppe, in der es arbeitet. Für ein Bauteil, das in den Dauereinsatz geht, folgt die Verifizierung denselben Regeln wie bei jedem anderen Bauteil, worüber ich in Wie ein einzelnes Bauteil für die Serienfertigung qualifiziert wird geschrieben habe.

Vom Bauteil ohne Zeichnung zum neuen Bauteil, fünf Schritte des Reverse Engineering

Warum ein Scan kein CAD-Modell ist

Hier werden die meisten Fehler gemacht, und hier wird die meiste Zeit aufgewendet.

Das Dreiecksnetz aus einem Scanner beschreibt eine Oberfläche, weiß aber nicht, was eine Ebene, was eine Achse und was eine Lagerbohrung ist. Es weiß auch nicht, welches Maß das Nennmaß war, bevor das Bauteil verschlissen oder verzogen wurde. Wird das Netz nur bereinigt und zum Druck geschickt, ist das Ergebnis eine exakte Kopie des verschlissenen Bauteils, mit allen Fehlern, die es über die Jahre angesammelt hat.

Ein parametrisches Modell dagegen trägt die Konstruktionsabsicht in sich: Diese Bohrung ist koaxial zu jener, diese Fläche ist eben und parallel zu jener, dieser Durchmesser hat dieses Nennmaß. Nur ein solches Modell lässt sich ändern, analysieren und verbessern.

Deshalb ist das Scannen meist der kürzere Teil der Arbeit und die Rekonstruktion der längere, besonders bei einem Bauteil mit vielen Funktionsflächen.

Welches Scanverfahren wann

Die Wahl des Verfahrens hängt von der Größe des Bauteils, den geforderten Toleranzen, der Oberfläche und davon ab, ob das Innere eine Rolle spielt.

Verfahren Was es gut erfasst Einschränkungen Typischer Einsatz
Handgeführter Laserscanner mittlere und große Bauteile, schnell, vor Ort glänzende und schwarze Oberflächen, enge Öffnungen Maschinenteile, Gehäuse, Werkzeuge vor Ort
Streifenlichtprojektion feine Details und Freiformflächen, hohe Auflösung Größe des Messfelds, glänzende Oberflächen kleinere Präzisionsteile, Formen, Prüfung gedruckter Bauteile
Photogrammetrie sehr große Objekte geringere Punktdichte, meist mit einem Scanner kombiniert große Baugruppen, Strukturen, große Werkzeuge
Koordinatenmessgerät einzelne kritische Maße mit höchster Genauigkeit erfasst nicht die gesamte Oberfläche, langsam Bohrungen, Achsen, Passungen, Prüfung von Schlüsselmaßen
Industrielle CT Inneres, Kanäle, Porosität Größe und Dichte des Bauteils, Kosten Bauteile mit inneren Kanälen, Prüfung gedruckter Metallbauteile

In der Praxis werden die Verfahren kombiniert. Die Oberfläche wird optisch gescannt, und kritische Maße werden auf einem Koordinatenmessgerät geprüft. Die Genauigkeit optischer Scanner wird nach der Richtlinie VDI/VDE 2634 und der Norm ISO 10360-13 überprüft, und es lohnt sich, den Dienstleister zu fragen, nach welchem Verfahren sein Scanner überprüft wurde.

Was rechtlich erlaubt ist

Reverse Engineering an sich ist nicht verboten. Die europäische Richtlinie über Geschäftsgeheimnisse von 2016 stellt ausdrücklich fest, dass die Erlangung von Informationen durch Beobachtung, Untersuchung, Rückbau oder Testen eines Produkts, das öffentlich verfügbar gemacht wurde oder sich rechtmäßig im Besitz der untersuchenden Person befindet, rechtmäßig ist, sofern sie nicht vertraglich zu etwas anderem verpflichtet ist.

Das heißt nicht, dass alles erlaubt ist. Ein Kauf- oder Wartungsvertrag für die Anlage kann Reverse Engineering einschränken. Ein Patent, ein eingetragenes Design oder das Urheberrecht gelten für das kopierte Bauteil weiterhin. Für sichtbare Ersatzteile, die wie das Original aussehen müssen, führt die neue europäische Designrichtlinie von 2024 die sogenannte Reparaturklausel ein, die unabhängige Ersatzteile mit klarer Angabe der Herkunft erlaubt, mit einer Übergangsfrist für Länder, die dies bisher nicht erlaubten.

Bei einem Ersatzteil für eine alte Maschine, deren Hersteller nicht mehr existiert, ist das selten ein Problem. Bei einem Bauteil, das noch im Handel und geschützt ist, lohnt sich eine Prüfung vor dem Start. Ich bin kein Jurist, und dies ist keine Rechtsberatung, sondern ein Rahmen, den man im Blick behalten sollte.

3D-Scannen als Endprüfung

Es gibt auch die umgekehrte Richtung, in der 3D-Scannen nicht zur Rekonstruktion dient, sondern zur Prüfung, ob das gedruckte Bauteil tatsächlich dem entspricht, was konstruiert wurde.

Das ist besonders wichtig für Bauteile, die durch generatives Design entstanden sind. Solche Flächen haben oft keine einfachen Ebenen, geraden Kanten oder runden Bohrungen, die herkömmliche Messmittel wie eine Bügelmessschraube oder ein Messschieber prüfen können. Die Geometrie ist organisch, mit einer veränderlichen Wandstärke, die der Lastverteilung folgt. Die einzige praktikable Möglichkeit, eine solche Form schnell und vollständig zu prüfen, besteht darin, das gedruckte Bauteil zu scannen und mit dem ursprünglichen CAD-Modell zu vergleichen. Das Ergebnis ist eine farbige Abweichungskarte, die sofort zeigt, wo das Bauteil außerhalb der Toleranz liegt.

Bei Metallbauteilen zeigt dieselbe Prüfung auch den Verzug nach dem Abtrennen von der Bauplatte und nach der Wärmebehandlung. Hat das Bauteil innere Kanäle, kann ein optischer Scanner sie nicht sehen, daher kommt industrielle CT zum Einsatz.

Damit schließt sich der Kreis. Das Bauteil wird lastgerecht generativ konstruiert, gedruckt, und anschließend wird per Scan geprüft, ob der Prozess die konstruierte Geometrie eingehalten hat. Ohne diese Endprüfung bleiben die Vorteile des generativen Designs rein theoretisch. Mehr zum Ansatz selbst in Generatives Design in der Praxis.

Wann Reverse Engineering nicht die richtige Antwort ist

  1. Wenn das Originalteil noch zu einem vertretbaren Preis und mit vertretbarer Lieferzeit verfügbar ist. Reverse Engineering kostet Zeit und Geld und ist sinnvoll, wenn die Alternative nicht verfügbar, zu teuer oder zu langsam ist.
  2. Wenn das Bauteil geschützt ist und es keinen Grund für eine Ausnahme gibt. Dann ist der richtige Weg eine Vereinbarung mit dem Hersteller oder eine Lizenz.
  3. Wenn das Bauteil unter Bedingungen arbeitet, die Sie nicht überprüfen können. Bei einem Bauteil unter Druck, hoher Temperatur oder dynamischer Last kann eine Kopie ohne Daten zu Lasten und Werkstoff gut aussehen und früher versagen als das Original.
  4. Wenn erwartet wird, dass der Scan die Zeichnung ersetzt. Ohne Rekonstruktion von Konstruktionsabsicht und Toleranzen ist das Ergebnis eine Kopie eines verschlissenen Bauteils.

Wo dieses Thema endet

Reverse Engineering und 3D-Scannen sind für sich genommen umfangreiche Disziplinen, mit eigener Messtechnik, eigener Software und eigenen Genauigkeitsnormen. Ziel ist hier nicht, sie vollständig abzudecken, sondern den Punkt zu zeigen, an dem sie sich mit der additiven Fertigung überschneiden, und warum Kunden dort am häufigsten landen: wegen Anlagen ohne Herstellerunterstützung, wegen eines Bauteils, das immer wieder ausfällt und verbessert werden muss, oder wegen eines Bauteils, das sich auf herkömmlichem Weg gar nicht messen lässt.

Wenn Sie ein Bauteil ohne Dokumentation haben und nicht sicher sind, ob eine Kopie, eine Verbesserung oder ein anderes Verfahren die richtige Wahl ist, ist das genau eine Frage für eine Produktionsanalyse. Ein Metallbauteil, für das Sie bereits ein CAD-Modell haben, können Sie selbst in Dokimion prüfen.

Häufig gestellte Fragen

Was ist Reverse Engineering in der additiven Fertigung? Ein Prozess, bei dem aus einem vorhandenen physischen Bauteil ohne Zeichnung durch Scannen und Rekonstruktion seiner Geometrie ein CAD-Modell erstellt wird. Dieses Modell ist die Grundlage, um ein neues Bauteil per 3D-Druck oder mit einem anderen Verfahren zu fertigen, in derselben oder einer verbesserten Form.

Kann ein Bauteil direkt aus einem Scan gedruckt werden? Das ist möglich, aber das Ergebnis ist eine Kopie des aktuellen Zustands des Bauteils, mit Verschleiß und Verzug. Für ein Bauteil, das passen, geändert oder geprüft werden muss, ist ein parametrisches CAD-Modell mit rekonstruierten Maßen und Toleranzen nötig.

Wie genau ist 3D-Scannen? Das hängt vom Verfahren, der Größe des Bauteils und der Oberfläche ab. Für kritische Maße wie Lagerbohrungen und Achsen wird der Scan durch eine Messung auf einem Koordinatenmessgerät ergänzt. Fragen Sie den Dienstleister, nach welchem Verfahren sein Scanner überprüft wurde, zum Beispiel VDI/VDE 2634 oder ISO 10360-13.

Ist Reverse Engineering legal? In der Europäischen Union ist die Untersuchung und der Rückbau eines rechtmäßig erworbenen Produkts nach der Richtlinie über Geschäftsgeheimnisse erlaubt, sofern ein Vertrag dies nicht verbietet. Patente, eingetragene Designs und Urheberrecht gelten weiterhin, daher sollten Sie bei einem Bauteil, das im Handel und geschützt ist, vor dem Start prüfen.

Wie wird der Werkstoff eines alten Bauteils bestimmt? Die chemische Zusammensetzung wird per Spektrometer bestimmt, zusammen mit einer Härtemessung und, wo nötig, einer Gefügeuntersuchung. Auf dieser Grundlage wird derselbe oder ein besserer Werkstoff gewählt, abhängig vom Verfahren, das eingesetzt wird. Wie ein Werkstoff danach gewählt wird, was das Bauteil aushalten muss, beschreibt Wie Sie den richtigen Werkstoff ohne Raten wählen.

Quellen