Additive Fertigung

by test01 September 17, 2019

Die Additive Fertigung bezeichnet als Oberbegriff alle Fertigungsverfahren, bei denen Material Schicht für Schicht zu einem dreidimensionalen Bauteil aufgetragen wird. Das formgebende Verfahren hat seine Stärken vor allem bei hochkomplexen Strukturen und ermöglicht dem Anwender ein hohes Maß an Designfreiheit und Funktionsoptimierung.

Bislang kommt die Additive Fertigung in der Industrie überwiegend im Prototypenbau sowie beim Herstellen kleiner Losgrößen zum Einsatz. Mittlerweile hält die Technologie aber auch zunehmend Einzug in die Serienfertigung, da sie die starke Individualisierung von Produkten ermöglicht und dem Anwender die Gelegenheit gibt, sich am Markt zu differenzieren.

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Technische Grundlagen zur Additiven Fertigung

Die Additive Fertigung basiert auf dem schichtweisen Auftragen von Material. Aus diesem Grund wird die Technologie auch als Schichtbautechnologie (Layer-based technology) bezeichnet. Der Prozess des Fertigungsverfahrens beginnt dabei stets mit der Abbildung der gewünschten Bauteilkontur in einem dreidimensionalen CAD-Datensatz. Dieser kann in der Engineering-Phase wahlweise mittels herkömmlicher CAD-Konstruktion, durch Scannen oder durch andere bildgebende Verfahren wie der Computer-Tomografie (CT-Scanning) erzeugt werden.

Additive Fertigung: CAD Konstruktion der Firma Flying Parts GmbH
Additive Fertigung: CAD Konstruktion der Firma Flying Parts GmbH

Im zweiten Schritt wird der CAD-Datensatz mithilfe einer speziellen Software in Scheiben beziehungsweise Schichten zerteilt. Dabei weist jede Schicht üblicherweise die gleiche Dicke auf. Der resultierende Datensatz enthält zu jeder Schicht die erforderlichen Konturdaten in der zweidimensionalen Ebene sowie die Schichtdicke.

Anschließend werden die CAD-Daten des Bauteils in einen 3D-Drucker eingelesen. Das eigentliche Druckverfahren unterscheidet sich dann in Abhängigkeit von der Verfahrensvariante. Beim Selektiven Laserschmelzen zum Beispiel wird der zu verarbeitende Werkstoff zunächst pulverförmig als dünne Schicht auf die Bauplattform aufgetragen und dann durch einen starken Laserstrahl gemäß den Konstruktionsdaten aufgeschmolzen. Im Anschluss wird die zweite Pulverschicht aufgetragen und durch ein erneutes Aufschmelzen mit der darunterliegenden Schicht verbunden. Nach jedem Schritt wird die Bauplattform um die Schichtdicke abgesenkt. Auf diese Weise entsteht Schritt für Schritt das gewünschte Bauteil.

Trägerstruktur - Selektives Laserschmelzen (SLM) der Firma H+E Produktentwicklung GmbH
Trägerstruktur - Selektives Laserschmelzen (SLM) der Firma H+E Produktentwicklung GmbH

In welchen Fällen ist die Additive Fertigung sinnvoll?

Additive Fertigungsverfahren kommen überwiegend in Bereichen zum Einsatz, in denen geringe Stückzahlen mit komplizierten geometrischen Konturen und einem hohen Maß an Individualisierung gefordert werden. In den Anfangsjahren diente die Additive Fertigung hauptsächlich der wirtschaftlichen und effizienten Herstellung von Prototypen und wird daher auch als Rapid Prototyping bezeichnet. Im Laufe der Entwicklung wurde das Verfahren aber auch mehr und mehr für die Herstellung von Werkzeugen (Rapid Tooling) und die Fertigung von Bauteilen (Rapid Manufacturing) in geringer Stückzahl interessant.

Ob ein konventionelles Verfahren wie der Spritzguss oder das Fräsen zum Einsatz kommt oder die Additive Fertigung wirtschaftlich sinnvoll ist, hängt vor allem vom Werkstoff und der Stückzahl ab.

Die folgende Tabelle vergleicht den 3D-Druck mit konventionellen Fertigungsverfahren und gibt Aufschluss darüber, wann die Additive Fertigung eine denkbare Alternative darstellt:

Technologie Stückzahl Werkstoffe
Spritzguss 1 – 1.000 Thermoplastische Kunststoffe
Druckguss 1 – 1.000 Aluminium, Titan, Nickel-Legierungen
Fräsen (CNC) 1 – 50 Edelstahl, Werkzeugstahl,  Aluminium, Titan, Nickel-Legierung

 

Gegenüber dem Spritzguss und Druckguss hat die Additive Fertigung den Vorteil, dass die aufwendige Herstellung von Formen/Werkzeugen und deren Wechsel im Fertigungsprozess entfällt. Gegenüber den materialabtragenden Verfahren wie dem Fräsen hat der 3D-Druck den Vorteil, dass die zusätzlichen Arbeitsschritte nach dem Urformen größtenteils entfallen.

Additive Fertigung: Drohnen der Firma Materialise GmbH
Additive Fertigung: Drohnen der Firma Materialise GmbH
Additiv gefertigte PEEK-Teile der Firma Dipl.-Ing. Brecht GmbH
Additiv gefertigte PEEK-Teile der Firma Dipl.-Ing. Brecht GmbH

Welche Werkstoffe können verwendet werden?

Mittlerweile eignen sich eine Vielzahl an Werkstoffen für die Additive Fertigung. Dazu gehören unter anderem:

  • Kunststoffe
    • PLA
    • ABS
    • Polyamid
    • HIPS
    • PHA
    • PEEK
  • Metalle
    • Aluminium
    • Stahl
    • Messing
    • Titan
    • Gold
    • Silber
  • Gips
  • Keramik
  • Silikon
  • Kunstwachse
Fused-Deposition-Modelling Anlage der Firma PMT GmbH
Fused-Deposition-Modelling Anlage der Firma PMT GmbH

Welche Varianten gibt es?

Einige wichtige Additive Fertigungsverfahren, das jeweilige Funktionsprinzip und die genutzten Werkstoffe werden in folgender Tabelle erläutert:

Verfahren Abk. Prinzip Werkstoffe
Stereolithographie SL UV-Laser härtet ein UV-empfindliches Flüssigharz selektiv entsprechend einem Produktquerschnitt aus. Photopolymere, Acrylate, Epoxide
Binder Jetting 3D-P Binder wird per Druckknopf in Pulversubstrat gedruckt, wodurch die Partikel miteinander verklebt werden. Pulverförmige Kunststoffe, Metalle, Keramik
Selektives Lasersintern SLS Hochenergetischer Laserstrahl schmilzt Pulverpartikel gemäß Bauteilkontur lokal auf. Teilkristalline Thermoplaste
Selektives Laserschmelzen SLM Hochenergetischer Laserstrahl schmilzt Pulverpartikel gemäß Bauteilkontur lokal auf. Schweißbare Metallpulver
Wachsdruckverfahren PJM Wachs wird aufgeschmolzen, durch einen Druckknopf geführt, auf der Bauteilplatte abgelegt und härtet dort aus. Wachse
Strangablegeverfahren FDM Kunststofffilamente werden durch eine beheizte Düse geführt und verkleben dann im erwärmten Zustand. Amorphe Thermoplaste
Tintenstrahl UV-Druck MJP UV-härtende Präpolymere werden ortsaufgelöst abgelegt und durch UV-Lampe ausgehärtet. Photopolymere, Acrylate, Epoxide
Elektronenstrahlschmelzen EBM Elektronenstrahl schmilzt Pulverpartikel lokal auf. Metallpulver (vorwiegend Titan)
Direktes Metallpulver sprühen DMD Metallpulverstrahl wird im Fokus eines Lasers ortsaufgelöst verschweißt. Schweißbare Metallpulver
3D Metal Print/Draht-Auftragsschweißen 3DMP Beim Draht-Auftragsschweißen wird ein Draht mittes Laserstrahl auf den Grundwerkstoff aufgeschmolzen. Schweißbarer Draht

 

Überblick additive Fertigungsmethoden der Firma Materialise GmbH
Überblick additive Fertigungsmethoden der Firma Materialise GmbH

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Anfrage Spulenkörper - Additive Fertigung
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Anfrage Aluminiumteil - Selektives Lasersintern
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Anfrage Mehrwegtray aus Thermoplaste - 3D Druck
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