3D-Basics Reverse Engineering mit additiver Fertigung

Von Joscha Riemann

Reverse Engineering stellt den Konstruktionsprozess auf den Kopf, indem es bei fertigen Bauteilen oder Produkten anfängt. Wir haben zusammengefasst, welche Anwendungsgebiete es gibt, wie Reverse Engineering mit 3D-Druck funktioniert und welche Herausforderungen bestehen.

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Beim Reverse Engineering geht es darum, den Entwicklungsprozess umzudrehen. Dabei dient das fertige Produkt als Grundlage, um Konstruktionsdaten oder Baupläne zu erstellen.
Beim Reverse Engineering geht es darum, den Entwicklungsprozess umzudrehen. Dabei dient das fertige Produkt als Grundlage, um Konstruktionsdaten oder Baupläne zu erstellen.
(Bild: gemeinfrei // pexels)

Der im Englischen gebräuchliche Begriff des Reverse Engineering hat Einzug in unsere Produktionswelt genommen. Auf Deutsch würde man das Verfahren wohl als umgekehrte Entwicklung oder auch als Rekonstruktion bezeichnen. Dank der neuen Möglichkeiten des 3D Scans und der damit entstehenden Daten lässt sich beim Reverse Engineering ein bereits vorhandenes Produkt oder Konstrukt wieder zu einem Bauplan zurückentwickeln. Somit lassen sich Produkte und ihre Konstruktionseigenschaften exakt ermitteln und in späterer Folge selbst nachbauen. Dabei gilt es allerdings einige Punkte zu beachten. Wir zeigen Ihnen, wie das Reverse Engineering im Detail funktioniert, welche Grenzen diese Methode hat und auch welche rechtlichen Konsequenzen beachtet werden müssen.

Reverse Engineering: Eine Definition

Entwickelt wurde der Prozess des Reverse Engineerings im Maschinenbau. Eine grundlegende Definition des Begriffes wurde unter anderem von Elliot J. Chikofsky und James H. Cross im Jahr 1990 vorgenommen. Ihre Definition lautet im Original:

Reverse engineering is the process of analyzing a subject system to identify the system's components and their interrelationships and create representations oft he system in another form or at a higher level of abstraction.

Auf Deutsch geht es also darum, mittels des Reverse Engineerings ein Objekt so zu untersuchen, dass seine Bauweise, seine Funktionen und auch seine verschiedenen Zustände so abgebildet werden können, dass sich aus dem Objekt wieder ein Bauplan erstellen lässt. Dies ist zu unterschiedlichen Zwecken wichtig. Unter anderem, um auf Basis dieses Bauplans Verbesserungen und Optimierungen realisieren zu können. Nähern wir uns diesem Prinzip bei den Anwendungsbeispielen einmal näher an.

Anwendungsbereiche und Anwendungsbeispiele für das Reverse Engineering

Ein wichtiger Anwendungsbereich für das Reverse Engineering ist der Bereich Qualitäts- und Konfigurationsmanagement. Denn hier kann das Verfahren unter anderem zum Zwecke des Konfigurations- und Qualitätsaudits verwendet werden. Wird also in der Produktion ein erster Prototyp hergestellt, kann dieser mittels des Reverse Engineerings auf den ursprünglichen Bauplan zurückgeführt werden. Nun ist es unter anderem möglich den originalen Bauplan und das Ergebnis des Reverse Engineering miteinander zu vergleichen, um Mängel in der Produktion frühzeitig zu erkennen.

Weitere Einsatzbereiche sind unter anderem im Maschinenbau zu finden. Hier wird der Prozess unter anderem genutzt, um bereits frühzeitig erstellte, meist sogar in Handarbeit produzierte Teile und Maschinenteile zu digitalisieren und nachzubauen und diese somit in einen modernen und schlanken Produktionszyklus überführen zu können. Wie das funktioniert, erklären wir am folgenden Beispiel der Deutschen Bahn.

Die Deutsche Bahn als Vorbild beim Reverse Engineering

Die Deutsche Bahn hat das große Problem eines sehr heterogenen Fahrzeugbestands. Vor allem die noch immer im Einsatz befindlichen älteren Modelle haben dabei mit größeren Schwierigkeiten zu kämpfen. Nicht nur, dass diese häufiger gewartet und repariert werden müssen, auch die Verfügbarkeit der Ersatzteile wird mehr und mehr problematisch. Daher setzt die Bahn auch auf Reverse Engineering und additive Fertigung, um diese Probleme in den Griff zu bekommen. Bei manchen Ersatzteilen lag die Wartezeit bei bis zu neun Monaten, wenn diese bei herkömmlichen Produzenten in Auftrag gegeben werden. Eine Zeit, in der die Lokomotiven nicht arbeiten konnten und somit nur Kosten verursacht haben. Durch den Einsatz von Reverse Engineering konnte die Bahn die Reparaturkosten nicht nur um bis zu 60 Prozent senken, sondern aus die Standzeiten der betroffenen Züge von neun Monaten auf zwei Monate reduzieren. Da zeigt sich, dass auch in eher konservativen Branchen das Reverse Engineering erhebliche Vorteile mit sich bringen kann.

In diesem Video wird erklärt, wie 3D-Druck und Reverse Engineering bei der Deutschen Bahn eingesetzt werden:

Reverse Engineering mit additiver Fertigung

Reverse Engineering und additive Fertigung ist eine perfekte Kombination in vielen Branchen und Bereichen. Denn dank der Möglichkeiten des 3D- Drucks können die im Reverse Engineering-Verfahren produzierten Daten sehr schnell und direkt für die weitere Bearbeitung und somit auch für die Produktion aufbereitet werden.

In Abhängigkeit von den gewählten Produkten und natürlich auch abhängig von den zur Produktion notwendigen Materialien lassen sich somit sehr hohe Produktionskosten vermeiden. Da die Aufbereitung der Daten im Optimalfall nur wenig Zeit in Anspruch nimmt und daher geringer Kosten verursacht. Zudem können die gewünschten Produkte in diesem Zusammenhang sehr schnell als Prototypen produziert und entsprechend verglichen werden. Somit ist es unter anderem auch möglich die eigenen Produkte gegen Reverse Engineering abzusichern und den Zugang zu den Kernelementen für die Konkurrenz zu erschweren.

So funktioniert das Reverse Engineering

Beim Reverse Engineering werden die unterschiedlichsten Verfahren genutzt, um ein Objekt, ein Werkzeug oder ein Bauteil umfassend zu analysieren. Dabei werden die verschiedenen Faktoren mitberücksichtigt. Unter anderem:

  • Die exakte Größe
  • Die verschiedenen Zustände
  • Die Funktionen
  • Das Material
  • Die Oberflächenbearbeitung
  • Das Design

Um all diese Faktoren zu erfassen, können unterschiedliche Messtechniken angewendet werden. Im Optimalfall entsteht somit ein vollständiger Bauplan des Modells, nach welchem sich theoretisch direkte Kopien anfertigen lassen. Da dies jedoch oder nur selten das Ziel ist, können auf Basis dieser Pläne Neuerungen erschaffen und in die neuen Produktionslinien integriert werden. Abhängig vom Zweck des Reverse Engineering lassen sich hier unterschiedliche Schwerpunkte setzen.

Die Vorteile des Reverse Engineerings

Dank der vielen neuen Möglichkeiten des Reverse Engineerings kann dieses Verfahren einem Unternehmen erhebliche Einsparungen bei der Entwicklungsarbeit an eigenen Produkten ersparen. Vor allem bei vollständigen Neuentwicklungen und der Erschließung neuer Märkte bietet dieses Verfahren ein enormes Potenzial. So lassen sich die Erfahrungen und die Entwicklungen der Konkurrenz produktiv für sich nutzen und in eigene Produkte integrieren.

Zudem bietet das Verfahren noch weitere Vorzüge. Kombiniert man Reverse Engineering und additive Fertigung kann auch die Höhe der Produktionskosten in vielen Bereichen minimiert werden. Zudem erfahren Sie als Unternehmen durch die Analyse der Konkurrenzprodukte viel Nützliches über die aktuelle Marktsituation und den Entwicklungsabstand zur direkten Konkurrenz und weiteren Wettbewerbern. Dadurch lassen sich vorhanden Informationsdefizite im eigenen Unternehmen viel einfacher entdecken und entsprechend bekämpfen. Stellen Sie beispielsweise fest, dass die Konkurrenz in wichtigen Feldern einen enormen Vorsprung erarbeitet hat, kann sich dies auf die Auswahl und Akquise neuer Mitarbeiter auswirken.

Durch die Kombination eigener Lösungsansätze und Ideen mit dem Wissen und der Erfahrung der Wettbewerber kann es zudem gelingen einen eigenen Vorsprung zu erzielen, welcher sich unter anderem auch in den wichtigen wirtschaftlichen Kennziffern ablesen lässt.

Die Vorteile zusammengefasst:

  • Einsparungen bei der Produktentwicklung
  • Stärken von Konkurrenten analysieren
  • Beschleunigt die Konstruktion
  • Schnelle Umsetzung mit additiver Fertigung
  • Know-how im Unternehmen verringert Abhängigkeit von Lieferanten

Wie die Vorteile des Reverse Engineering im Zusammenhang mit der additiven Fertigung genutzt werden können, zeigt dieser Use-Case:

Die Nachteile des Reverse Engineerings

Selbstverständlich bringen diese Verfahren nicht nur Vorteile mit sich. Denn eine zu starke Konzentration auf die Produkte der Wettbewerber kann unter anderem in Unternehmen die Kreativität mindern und die Chancen auf innovative Eigenprodukte deutlich minimieren. Zudem ist es nicht bei allen Produkten und Produktgruppen wirtschaftlich, auf das Reverse Engineering zu setzen, da auch diese Forschung Zeit und Gelder verschlingen kann. Je komplexer die Produkte und je größer der Aufwand bei der Rückentwicklung und Optimierung der Konstruktionspläne, umso seltener rentiert sich diese Maßnahme im wirtschaftlichen Fokusfeld. Hier müssen Unternehmer sehr genau steuern und optimieren, um aus diesen Prozessen das Optimum herauszuholen und für das eigene Unternehmen einen ausbalancierten Weg zu finden, die eigene Kreativität und die eigenen Möglichkeiten mit dem technischen Wissen der Mitbewerber zu kombinieren.

Mögliche Nachteile zusammengefasst:

  • Weniger Produktinnovationen
  • Bei komplexen Produkten ist der Aufwand oft zu hoch
  • Potenziale neuer Konstruktionsansätze wie Generative Design können nicht gehoben werden

Aktuelle Limitierungen des Verfahrens in der Produktion

Reverse Engineering hat natürlich auch Grenzen. Denn nicht alle Funktionen eines Produkts oder eines Objekts lassen sich durch eine einfache Analyse der Oberflächen in den unterschiedlichen Zuständen analysieren. Das bedeutet unter anderem, dass bei komplexen Produkten und Objekten viele unterschiedliche Verfahren zum Einsatz kommen müssen, um ein Produkt in seiner vollen Funktionalität abbilden zu können. Wenn die dahinterstehende Technologie innovativ und neu ist, kann es auch passieren, dass es nicht möglich ist, diesen Schritt der Rückentwicklung zu gehen und das Produkt somit verständlich zu machen.

Aus diesem Grund sollten sich Unternehmen grundsätzlich nicht nur auf einen Bereich der Rückentwicklung von Modellen und Produkten konzentrieren, sondern versuchen auf möglichst vielen Ebenen die Verständnis- und Analysemöglichkeiten zu erhöhen. Dank der digital vorliegenden Daten lassen sich innerhalb des begrenzten Raums die verschiedenen Entwicklungen im Anschluss durch die entsprechenden Techniker und Ingenieure nachvollziehen und von den 3D-Artists anschließend im Modell rekonstruieren.

Diese Technologien und Verfahren kommen beim Reverse Engineering zum Einsatz

Beim Reverse Engineering kommen die unterschiedlichsten Methoden zum Einsatz, mit denen die verschiedenen Objekte erfasst und digitalisiert werden können. Damit es den Ingenieuren gelingt nicht nur die optischen Eigenschaften, sondern auch die Funktionalität zu erfassen, werden zu diesem Zweck verschiedene Messmethoden eingesetzt. Darunter fallen unter anderem taktile Messungen, unterschiedliche 3D-Scan-Verfahren, moderne Computer-Tomographie und weitere Verfahren wie unter anderem die Ultraschallvermessung. Welche Verfahren jeweils eingesetzt werden, hängt unter anderem von der Art und Bauweise der verschiedenen Objekte ab, welche mittels des Reverse Engineering erfasst und nachgebildet werden sollen. Wichtige Punkte bei der Frage sind unter anderem:

  • Die Komplexität des Objekts
  • Die Anzahl an Funktionen und Funktionalitäten
  • Die Art und Ausgestaltung der Oberflächen
  • Das verwendete Material
  • Die Branche beziehungsweise der Einsatzbereich

Daher lässt sich nicht generalisierend sagen, welche Verfahren für einzelne Unternehmen oder einzelne Branchen in Frage kommen. Hier spielen unter anderem auch das marktwirtschaftliche Umfeld und die individuellen Bedürfnisse eine wichtige Rolle.

Reverse Engineering und die Legalität - Patentrecht und seine Grenzen

Nun stellt sich die Frage, wie es um die rechtlichen Grenzen des Reverse Engineering bestellt ist. In der Regel gilt es hier zwischen Hardware und Software zu unterscheiden. Denn bei Software ist das Reverse Engineering in der Regel bereits explizit untersagt. Dies ist unter anderem auch durch die Europäische Union festgelegt worden. Laut der 'Directive 2009/24/EC of the European Parliament and of the Council of 23 April 2009 on the legal protection of computer programs' ist die Dekompilierung eines Computerprogramms nur unter ganz besonderen Voraussetzungen erlaubt, und zwar nur dann, wenn Schnittstellen angepasst werden müssen. Ansonsten ist es untersagt die Programme wieder in den Programmcode rückzuführen.

Bei der Hardware, also bei technischen und weniger technischen Komponenten sieht dies anders aus. Hier regelt das Patentrecht, dass die Produktion neuer Produkte mit der bereits patentierten Technik ohne eine entsprechende Erlaubnis untersagt ist. Doch das Reverse Engineering wird in der Regel genutzt, um die Produkte zu analysieren und diese zu verbessern und somit ein neues und besseres Produkt zu schaffen.

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