Grundlagenwissen

Additive Fertigung wird immer wichtiger. Auch Gießereien können vom 3D-Druck profitieren. Doch wie funktioniert er und wo wird er eingesetzt?

Additive Fertigungsverfahren eröffnen ganz neue Gestaltungsmöglichkeiten.

( Quelle: / CC0 )

Additive Fertigungsverfahren spielen eine immer wichtigere Rolle in der Fertigungsindustrie und werden vor allem im Werkzeug- und Prototypenbau eingesetzt.

Additive Fertigung: Definition und Erläuterung

Dieses Fertigungsverfahren wird vor allem im Werkzeugbau (Rapid Tooling), bei der Herstellung von Endprodukten (Rapid Manufacturing) und im Prototypenbau (Rapid Prototyping) eingesetzt. Wie lässt sich die additive Fertigung in Bezug auf die Fertigungstechnologien einordnen? Die Fertigungstechnologien basieren im Allgemeinen auf drei Säulen:

• Subtraktive Verfahren (es wird etwas entfernt): Fräsen, Drehen, etc.

• Formative Verfahren (ein Werkstoff wird umgestaltet): Gießen, Schmieden, usw.

• Additive Verfahren (es wird etwas hinzugefügt): 3D-Druck usw.

Additive Fertigung beschreibt Verfahren, bei denen das herzustellende Teil durch die Zugabe von Material aufgebaut wird. Der Aufbau erfolgt schichtweise. Dabei werden die folgenden zwei Aspekte berücksichtigt:

1. Das Bauteil ist aus verschiedenen Schichten aufgebaut. In der Regel wird der Prozess von unten nach oben durchgeführt. Vereinfacht gesagt handelt es sich um das gleiche Prinzip wie beim Bau von Sandburgen: Auf eine Bauplattform wird eine neue Schicht aufgebracht, um einen Turm zu bauen.

2. Verschiedene Prozesse laufen schichtweise (d.h. nacheinander) ab. Dazu gehören die Zuführung des Materials, das Schmelzen (Verformen) und schließlich das Verbinden mit den vorhergehenden Schichten. Diese Schritte, die als Prozesskette bezeichnet werden, sind unabhängig davon, welche Maschine für die additive Fertigung verwendet wird, gleich. Der einzige Unterschied ist die Art und Weise, wie die einzelnen Schichten erzeugt werden.

Additive Fertigung ermöglicht also die Herstellung von 3D-Objekten. Um dies zu ermöglichen, benötigt die Maschine zunächst die 3D-Konstruktionsvorgaben („dreidimensionales CAD“) des zu produzierenden Teils. Der entsprechende Datensatz besteht aus den Umrissdaten (Länge x, Höhe y), der Anzahl der Schichten (z) und der Schichtdicke (dz). Es ist die Aufgabe des entsprechenden Computerprogramms, das Modell in geeignete Schichten aufzuteilen. Die Software überträgt den Datensatz dann in Form von Produktionsanweisungen an die Maschine, z.B. den Drucker für den 3D-Metalldruck.

Wie funktioniert das?

In fast allen Fällen wird bei der additiven Fertigung ein Pulverbett verwendet. Das bedeutet, dass ein pulverförmiges Material in ein Bett gegeben wird, wo es weiterverarbeitet wird. Beim 3D-Metalldruck beispielsweise wird ein Metall (oder mehrere Metalle) zu einem Pulver zerkleinert, bevor es in die Kammer geleitet und neu aufgebaut wird. Es gibt vier gängige Verfahren, um die Schichten aus dem Pulver herzustellen:

• Selektives Lasersintern (SLS)

• Selektives Laserschmelzen (SLM)

• Elektronisches Strahlschmelzen (EMD/ EBM)

• Binder Jetting

SLS: Beim Sintern werden Materialien unter Druck erhitzt, aber nicht bis zum Schmelzen. Die Lasertechnik ermöglicht es, dreidimensionale Geometrien durch Hinterschneidungen zu erzeugen. Dazu werden in der Regel CO2- oder Faserlaser eingesetzt.

SLM: Das Pulver wird mit einem hochenergetischen Faserlaser erhitzt und anschließend abgekühlt. Die Form der Bauteile entsteht durch die gezielte Ablenkung der Laserstrahlen. SLM wird immer häufiger eingesetzt als SLS. Da kein Druck ausgeübt wird, weisen die Objekte eine höhere Festigkeit auf und sind daher haltbarer. Dieses Verfahren wird häufig für den 3D-Metalldruck eingesetzt.

EMD/ EBM: Dieses Verfahren ist im Prinzip ähnlich wie SLM. Allerdings wird bei dieser Anwendung ein Elektronenstrahl und kein Laserstrahl verwendet. Der gesamte Prozess findet in einem Vakuum statt. EMD ist schneller als SLM, aber weniger präzise und hat ein geringeres maximales Druckvolumen. EMD-Maschinen haben einen durchschnittlichen Durchmesser von 350 mm und eine Höhe von 380 mm. SLM-Maschinen sind doppelt so groß. EMD ist vor allem dann eine ideale additive Fertigungstechnologie, wenn kleine Teile in großen Mengen hergestellt werden müssen. Dieses Verfahren wird auch häufig für den 3D-Metalldruck eingesetzt.

Binder Jetting: Das Pulver wird selektiv mit einem flüssigen Bindemittel aufgetragen, um die Schichten zu bilden. Dieses Verfahren hat den Vorteil, dass es einen sehr einfachen Aufbau in verschiedenen Farben ermöglicht.

Andere Fertigungsverfahren

Diese vier Arten der additiven Fertigung können durch andere Verfahren ergänzt oder ersetzt werden. Dies gilt zum Beispiel für:

• Stereolithographie: Dies ist ein klassischer Fall für die additive Fertigung. Das Verfahren wurde bereits 1983 von Chuck Hull entwickelt. Das Objekt wird schrittweise in ein flüssiges Photopolymerbad gesenkt. Es wird mit einem Laser bearbeitet.

• Fused Layer Modelling (FLM): Dies ist das übliche Verfahren für den 3D-Druck (mit Kunststoffen). Es handelt sich um ein spezielles Extrusionsverfahren, bei dem das Material aus einer Düse „gepresst“ wird, um es nach dem Abkühlen zu formen. Die Extrusion erfolgt wie üblich in Schichten. In der Automobil- oder Elektronikindustrie zum Beispiel ergänzt FLM oft SLM-Objekte. Der 3D-Metalldruck kann zum Beispiel durch FLM ergänzt werden.

Anwendungsbereiche

Die Anwendungsbereiche von additiven Fertigungsverfahren lassen sich in drei Kategorien einteilen. Diese Anwendungsbereiche werden oft fälschlicherweise mit den Technologien gleichgesetzt:

• Rapid Prototyping: Die additive Fertigung wird eingesetzt, um den schnellen Bau eines Modells zu ermöglichen. In einem frühen Stadium der Produktentwicklung sollten physische Modelle zur Verfügung stehen. Mit Rapid Prototyping lassen sich diese Modelle besonders zuverlässig herstellen.

• Rapid Tooling: In Deutschland werden Kleinserienwerkzeuge für Spritzguss und Metallguss meist mittels 3D-Metalldruck hergestellt.

• Rapid Manufacturing: Hierbei handelt es sich um die schnelle Herstellung von Objekten, die als Endprodukte oder Bauteile verwendet werden. Im Gegensatz zum Rapid Prototyping werden keine Modelle, sondern gebrauchsfertige Teile erzeugt.

Vor- und Nachteile der additiven Fertigung

Was sind die Vorteile der additiven Fertigung?

• Individualisierung

• Größere Designfreiheit

• Geschwindigkeit

• Keine Werkzeuge und keine Formen erforderlich

Einer der wichtigsten Vorteile ist, dass die Objekte nach Belieben angepasst werden können. So ist es beispielsweise möglich, Wände mit unterschiedlichen Dicken, sehr feinen Strukturen oder sehr kleinen Abmessungen herzustellen. Außerdem lassen sich mit dem 3D-Metalldruck komplexe Geometrien realisieren, die mit anderen Fertigungsverfahren nicht möglich wären. Dazu gehören zum Beispiel Hohlräume, Hinterschneidungen, Kanäle mit Bögen oder Überhängen. Früher musste sich das Design eines Objekts an den Grenzen der Fertigungsmöglichkeiten orientieren. Diese Einschränkung entfällt bei der additiven Fertigung weitgehend und ist daher ein großer Vorteil, insbesondere beim 3D-Metalldruck. Außerdem dauert die additive Fertigung eines Objekts in der Regel nur wenige Stunden, während andere Fertigungsverfahren Tage oder Wochen in Anspruch nehmen.

Die additive Fertigung hat auch folgende Nachteile:

• Unvermeidliche Nachbearbeitung

• Eingeschränkte Eignung für die industrielle Massenproduktion

Wenn ein Objekt eine bestimmte Oberflächenqualität erfordert, ist eine Nachbearbeitung unvermeidlich. Das Gleiche gilt, wenn bestimmte Toleranzen eingehalten werden sollen. Hierfür gibt es noch keine Norm (die ISO/ASTM 52195 könnte aber entsprechend weiterentwickelt werden). Gerade beim 3D-Metalldruck kann die Nachbearbeitung extrem zeitaufwendig sein.

So können beim 3D-Metalldruck in der Regel maximal zwei Objekte gleichzeitig in einer Maschine hergestellt werden. Mit konventionellen Fertigungsverfahren lassen sich dagegen viel größere Stückzahlen herstellen. Für die industrielle Massenproduktion ist die additive Fertigung daher nur bedingt geeignet. Das beste Beispiel dafür ist die Automobilproduktion: Theoretisch könnte ein ganzes Fahrzeug durch additive Fertigung hergestellt werden. Aufgrund der großen Anzahl von Bauteilen wäre dies jedoch viel zu teuer. Deshalb werden die meisten Bauteile weiterhin mit konventionellen Methoden hergestellt.

Kostenvielfalt

Die Frage der Investition ist nach Ansicht von Experten umstritten. Denn die Preisspanne der Anschaffungskosten für eine Maschine reicht von 15 Euro bis über 100.000 Euro. Im Vergleich zu anderen Maschinen ist das nicht besonders teuer. Das gilt auch dann, wenn man die Wartungskosten mit einbezieht. Gerade in der Medizintechnik bietet die additive Fertigung also einen deutlichen Kostenvorteil. Anders sieht es bei industriellen Anwendungen aus. Hier ergänzt zum Beispiel der 3D-Metalldruck die konventionellen Fertigungssysteme. Sie können diese jedoch nicht vollständig ersetzen. Hier verursacht die additive Fertigung zusätzliche Kosten.

Additive Fertigung in der Zukunft

Additive Fertigung hat eine große Zukunft vor sich. SAMG fasst es so zusammen: Die aktuelle Entwicklung der additiven Fertigung übertrifft bereits die Vorhersagen der Studien aus den vergangenen Jahren. Renommierte Forschungsinstitute wie die ETH Zürich sind überzeugt, dass der 3D-Metalldruck im Maschinen- und Werkzeugbau an Bedeutung gewinnen wird. Ziel ist es, die additive Fertigung so schnell und präzise zu machen, dass sie für die Serienproduktion geeignet ist. Derzeit konkurrieren die Möglichkeiten der additiven Fertigung noch mit CNC-gesteuerten Maschinen, die für die Serienproduktion noch besser geeignet sind. Langfristiges Ziel ist es, dass der 3D-Metalldruck von komplexen Objekten die CNC-Maschinen in Zukunft überholt.

Für den erfolgreichen Einsatz des 3D-Drucks ist die Raum- und Luftfahrtindustrie verantwortlich. Im Automobilbereich werden vor allem Ersatzteile additiv hergestellt. Hier finden Sie weitere Informationen zum Einsatz der additiven Fertigung in einer Artikelübersicht.

Dieser Artikel wurde zuerst von MM International veröffentlicht.