AM ermöglicht technischen Produktschutz

Security, Know-how-Schutz und Maßnahmen gegen die Produktpiraterie. Das Thema Sicherheit erhält in der Industrie 4.0 einen neuen Stellenwert. Und was ist mit dem 3D-Druck? Wird hier nicht das Kopieren und Plagiieren auf dem Silbertablett präsentiert?! Nein, denn laut Experten bietet diese Druckart Chancen für noch mehr Sicherheit.

AM-Schutzmaßnahmen-Demonstrator aus der it’s-OWLNachhaltigkeitsmaßnahme „Prävention gegen Produktpiraterie“: ein QR-Code, der als 3D-Objekt realisiert wurde. Hier ist der korrekte Code nur aus der richtigen Perspektive zu erkennen.

Das Auto aus dem 3D-Drucker oder Luxus-Villa in China aus dem 3D-Drucker. Additive Manufacturing (AM) wird in den Medien heiß diskutiert: Ihre rasante Entwicklung vom Rapid Prototyping zur Herstellung von direkt einsetzbaren Bauteilen, die technologischen und ökonomischen Potenziale in verschiedensten Anwendungsfeldern, aber auch die Risiken in Bezug auf den Schutz des geistigen Eigentums und das leichtgemachte Plagiieren für jedermann.

Die vielfach geschilderten Risiken stellen eine Gefahr für die breite Anwendung der Technologie dar. Denn zum großen Teil basieren diese auf irreführenden Darstellungen in den Medien, welche einerseits zu einem Hype und andererseits zu Ängsten führen.

Erst bei intensiverer Betrachtung wird bewusst, dass in den reißerischen Titeln einerseits nur die Karosserie des Autos, andererseits nur die Wände eines Hauses aus dem 3D-Drucker stammen. Die oftmals bewusst geschürten Ängste für konventionelle Produktionsverfahren beginnt bereits bei der Namensgebung. Im eigentlichen Sinne steht der Begriff 3D-Druck nur für eine bestimmte Technologie innerhalb des additiven Fertigungsverfahrens. Durch seine Ähnlichkeit zum Inkjet- oder Laserdruck wird vermittelt, dass sich additive Fertigungsverfahren in Gänze im privaten Umfeld nutzen lassen. Außerdem führt der Begriff dazu, dass alle Verfahren in der öffentlichen Wahrnehmung in einen Topf geschmissen werden.

Gemeinsam haben die Verfahren meist nur den schichtweisen Aufbau von 3D-Objekten auf Basis eines digitalen 3D-Modells. Die auf dem Markt angebotenen Personal-3D-Printer arbeiten mit thermoplastischen Kunststoffen, welche als Strang vorliegen, durch einen Extruder aufgeschmolzen und so Schicht für Schicht das Bauteil aufbauen.

Qualitätsunterschiede: Die Qualität von 3D-gedruckten Bauteilen kann weit auseinander klaffen. Das hängt davon ab, für welches genaue Druckverfahren die Daten gedacht sind. Links wurden die Daten speziell für ein pulverbasiertes Lasersintern ausgelegt. Man sieht eine hohe Maßhaltigkeit und einen guten Formschluss der Teile.

Auf dem gleichen Prinzip beruht auch das Fused Deposition Modelling im professionellen Bereich, wo meist mit geschlossenen Systemen gearbeitet wird, um Umwelteinflüsse ausschließen zu können. Zudem stehen hier weitere Materialien für die Industrie zur Verfügung. In Abgrenzung zu diesen strangbasierten Prozessen, wird beispielsweise im Lasersintern und selektiven Laserschmelzen mit pulverförmigen Materialien gearbeitet, welche Schicht für Schicht auf einer Bauplattform aufgetragen und entsprechend der Schichtgeometrie des digitalen 3D-Modells durch einen Laser verschmolzen werden. Die VDI 3405 listet insgesamt sieben weitere additive Fertigungsverfahren mit anderen Prinzipien zur schichtweisen Generierung.

Informationtechnischer Schutz beim 3D-Druck

Die gleichen Daten, die speziell für das pulverbasierte Lasersintern, ausgelegt waren, wurden nun im Personal-3D-Drucker gedruckt. Der Formschluss ist nicht möglich. Man sieht einen unsauberen Aufbau mit strukturellen Fehlern.

AM verändert die Möglichkeiten zur Umsetzung von Plagiaten und erfordert bei der Betrachtung der Verfahren bezüglich des Produktschutzes eine Auftrennung in zwei Bereiche: den Schutz der informationstechnischen Daten sowie den Schutz der gefertigten Produkte. Öffentlich thematisiert werden jedoch nahezu gänzlich der informationstechnische Schutz beziehungsweise die erhöhten Risiken durch die einfache Umwandlung von CAD-Daten in physische Objekte.

Das geht so weit, dass sich bereits der Bundestag sowie das Bundeskriminalamt mit dem Thema 3D-Druck und den damit verbundenen Risiken – insbesondere in Bezug auf die mögliche Fertigung von Schusswaffen – beschäftigt hat.

Hierbei scheint allerdings ein ohnehin lange existierendes Problem aufgewärmt und auf die additive Fertigung abgewälzt zu werden, denn eine Parallele lässt sich leicht in der Nutzung des Internet ziehen. Computerviren oder Trojaner bedrohen PCs seit Einführung des Internets und führt dazu, dass Nutzer ihre Systeme mittels Antivirensoftware schützen. Sie würden wohl nie auf den PC verzichten. Auf sehr ähnliche Weise gilt dies auch für die Film-, Musik- oder Softwareindustrie und ist genauso auf CAD-Modelle, unabhängig vom Verfahren, anzuwenden. Auch im Bereich der konventionellen Fertigung werden Plagiierer auf ungeschützte digitale 3D-Modelle zugreifen, da diese das Imitieren doch in großem Maße erleichtern.

Nun wird oftmals die Besonderheit von AM, Produkte auch ohne besondere Fachkenntnisse herstellen zu können, herangezogen und als größeres Risiko deklariert. Doch auch hier lässt sich ein alltäglicher Vorgang zum Vergleich nutzen. „Wenn man einen Brief schreibt, klickt man nicht einfach auf Drucken. Man muss erst tippen und auf Fehler prüfen. Beim 3D-printing ist es das Gleiche nur eine Million Mal schwieriger“, sagt Nick Allen, Gründer der Firma 3D Print UK.

Möchte man zusätzlich hochauflösende Abbildungen ausdrucken, wird man auch nicht den eigenen Drucker nutzen, sondern einen professionellen Dienstleister beauftragen. Ganz ähnlich verhält es sich bei den additiven Fertigungsverfahren. Ähnliche Qualitätsunterschiede konnten in der vom BMBF im Rahmen des Technologie-Netzwerkes it’s OWL geförderten Nachhaltigkeitsmaßnahme Prävention gegen Produktpiraterie an einem Beispielbauteil aus der Industrie gezeigt werden. Dabei zeigt sich, dass das professionel gefertigte Bauteil, hergestellt im pulverbasierten Lasersintern, in seiner Qualität wesentlich besser ist, als das Bauteil aus dem Personal-3D-Printer.

Entwicklung von Schutzmaßnahmen

In dem genannten Projekt werden am Direct Manufacturing Research Center (DMRC) an der Universität Paderborn technische Schutzmaßnahmen entwickelt, die durch Additive Fertigungsverfahren möglich werden und das geistige Eigentum schützen. Laut einer Studie des VDMA zur Produktpiraterie von 2014 ist das Reverse-Engineering eine wichtige Quelle zur Informationsbeschaffung für Plagiatoren. 72 Prozent der befragten 239 Mitglieder sehen die größte Bedrohung im Reverse-Engineering, während nur 15 Prozent die Industriespionage als Informationsquelle einschätzen.

Das bleibt hängen

Neue Sicherheitsmaßnahmen entwickelt

Die rasante Entwicklung des 3D-Drucks und die dramatische Darstellung in den Medien, über die Gefahren des eigenen Know-how-Verlusts, schüren Ängste. Dabei bietet die additive Fertigung bereits in sich hohe Sicherheitshürden. Im Direct Manufacturing Research Center der Universität Paderborn wurden Maßnahmen entwickelt, die das geistige Eigentum schützen. Dabei wurde gezeigt, dass die auszulesenden Daten meist für ein bestimmtes Druckverfahren ausgelegt wurden und nur bei der richtigen Ausführung ein Qualitätsprodukt hervorbringen. Auch die komplexen Strukturen gefertigter 3D-Produkte macht es für Plagiierer schwierig, vom Objekt auf die CAD-Daten zu schließen.

Daher liegt der Fokus im Projekt auf der Entwicklung von Produktschutzmaßnahmen, die den Prozess des Reverse-Engineerings erschweren. Dabei gilt es insbesondere, die Potenziale der Additiven Fertigungsverfahren auszunutzen, die vor allem aus dem schichtweisen Aufbau von 3D-Geometrien resultieren. Dieses Fertigungsprinzip ermöglicht die Herstellung hochkomplexer Strukturen, die in konventionellen Verfahren nur sehr aufwendig und damit unwirtschaftlich oder teils sogar gar nicht zu fertigen sind. Gerade diese konstruktive Freiheit ermöglicht es, Funktionen, die konventionell durch mehrere Bauteile zu erfüllen sind, in einem einzigen Bauteil zu integrieren und somit den Reverse-Engineering-Prozess zu erschweren. Je komplexer die Geometrie der Bauteile und Produkte, desto höher wird der Aufwand allein schon für die Rückführung der Geometrie vom physischen Bauteil ins CAD.

Ein im Projekt entwickelter Demonstrator vereint verschiedene technische Schutzmaßnahmen und zeigt die beispielhafte Anwendung: Durch interne QR-Codes erreichten die Forscher eine untrennbare Kennzeichnung des Demonstrators. Weitere Produktschutzmaßnahmen sind unter anderem Funktionsintegrationen, Formschlüsse, eine Black-Box-Bauweise und Produktindividualisierungen.

Ein einziger Produktionsschritt: Das Getriebe inklusive integrierter Federelemente wurde mittels Lasersintern in einem Schritt hergestellt. Ein RFID-Chip wurde über eine Art Schublade durch Formschluss untrennbar mit dem Demonstrator verbunden.

So wurde etwa das Getriebe inklusive integrierter Federelemente mittels Lasersintern in einem einzigen Produktionsschritt hergestellt. Da eine Kennzeichnung etwa durch einen RFID-Chip bei solchen pulverbasierten Fertigungsverfahren nur schwer möglich ist, wurde der Chip über eine Art Schublade durch Formschluss untrennbar mit dem Demonstrator verbunden. Im realen Einsatz ließe sich die bisher nur angedeutete Blackbox-Bauweise untrennbar umsetzen, sodass der Chip, das Getriebe und damit die gesamte Funktionalität Teil eines geschlossenen Systems wird, welches nicht zerstörungsfrei zu öffnen und zu untersuchen wäre.

Ein weiteres Element des Demonstrators: ein QR-Code, der als 3D-Objekt realisiert wurde. Hier ist der korrekte Code nur aus der richtigen Perspektive zu erkennen. Mit konventionellen Fertigungsverfahren wäre eine Kopie dieses Demonstrators nicht möglich, durch den Einsatz von AM und den entsprechenden 3D-Daten jedoch schon.

Sind diese durch IT-Maßnahmen gut geschützt, bleibt einem Produktpiraten nur der Weg über das Reverse-Engineering – eine Herausforderung selbst für erfahrene Konstrukteure. Alle im Demonstrator umgesetzten Schutzmaßnahmen sowie weitere neu entwickelte und für AM adaptierte Schutzmaßnahmen sind in einem Katalog zusammengefasst, welcher Produktentwickler und Konstrukteure bei der Anwendung und Integration von Maßnahmen in konkrete Produkte unterstützen soll.

Schutzmaßnahmen verankern

Im „Maßnahmenkatalog – Nutzung der Potenziale des Additive Manufacturing“ sind alle vom Direct Manufacturing Research Center der Universität Paderborn neu entwickelten und für die additive Fertigung adaptierten Schutzmaßnahmen zusammengefasst.

Perspektivisch zielt das Projekt Prävention gegen Produktpiraterie darauf ab, diese Schutzmaßnahmen in den Köpfen zu verankern, sodass der Schutz von Innovationen und Produkten schon in der Produktentstehung bedacht wird.

Genau wie der Virenscanner selbstverständlich bei der Einrichtung eines PCs zum Schutz gegen Viren installiert wird, sollte sich auch die Berücksichtigung und Anwendung technischer Schutzmaßnahmen in der Produktentwicklung zur Selbstverständlichkeit entwickeln und in den Prozessen etablieren. Sie wirken präventiv und bilden beispielsweise durch Produktkennzeichnungen gemeinsam mit strategischen und juristischen Maßnahmen effektive Schutzkonzepte. hei

Autoren: Ulrich Jahnke und Johannes Büsching, Universität Paderborn

Über den Tellerrand

3D-Druck bei EDAG und Rexroth

Die Entwickler des Auto-Zulieferers EDAG haben mit „Genesis“ auf dem Genfer Automobilsalon 2014 ihren Ausblick auf die nächste industrielle Revolution in der automobilen Entwicklung und Fertigung gegeben.

In der Luftfahrt und in der Medizintechnik kommt generative Fertigung bereits für Serienprodukte zum Einsatz. In der Automobilindustrie wird die additive Herstellung bisher fast ausschließlich für Prototypen genutzt. Der Hersteller EDAG ist der Überzeugung, dass das Verfahren das Rapid Prototyping auch in der Automobilindustrie verlassen und mehr leisten kann. Die auf dem Genfer Automobilsalon 2014 vorgestellte Studie „Genesis“ versteht sich als Symbol für die neuen Freiheiten und Herausforderungen, die sich den Designern und Ingenieuren in der Entwicklung und Produktion durch generative Fertigungsverfahren bieten.

Durch Gusskerne, die mit 3D-Druckern hergestellt werden, reduziert die Rexroth-Gießerei Lieferzeiten und Kosten.

Durch generative Fertigung wird es möglich, den Bauprinzipien und Strategien der Natur einen großen Schritt näher zu kommen. Alles zweckorientiert und evolutionär zu optimierten Strukturen entwickelt, von denen der Mensch lernen kann. Und das werkzeuglos, ressourcenschonend und ökologisch, so die EDAG-Techniker. Genesis basiert auf den bionischen Mustern einer Schildkröte, deren Panzer Schutz und Dämpfung liefert und mit dem Skelett vereint ist.

Die werkzeuglose Herstellung von Bauteilen mit dem Gussverfahren ist oft die wirtschaftlichste Methode. Der zeitintensivste und teuerste Arbeitsschritt beim Kernschießverfahren war bislang die Herstellung einer Negativ-Form aus Sand. Die Gießerei von Bosch Rexroth beschleunigt die Herstellung von Guss-Bauteilen mit dem Einsatz von 3-D-Druckern. Sie drucken maßgeschneiderte Gusskerne und Formen, etwa als Ersatzteile für ältere Maschinen oder Autos, Prototypen oder Kleinserien.

Damit reduziert die Gießerei sowohl Lieferzeiten als auch die Kosten individueller Gussteile. Kunden senden lediglich die CAD-Daten des gewünschten Bauteils und die 3-Drucker fertigen daraus nach dem additiven Prinzip den entsprechenden Sandkern oder die Form – auch in komplexen Geometrien. Wenn keine Daten vorliegen, können diese durch optische Messsysteme generiert werden. Das senkt die Stückkosten für Prototypen und Kleinserien erheblich und verkürzt die Durchlaufzeiten vom Eintreffen des CAD-Datensatzes bis zum fertig gegossenen Produkt. wk