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Additive Fertigungsverfahren

Additive Fertigung

Additive Fertigungsverfahren – industrielle Triebkraft

Als Sammelbezeichnung umfassen additive Fertigungsverfahren all jene Herstellungsverfahren, mit welchen dreidimensionale Modelle, Muster, Prototypen, Werkzeuge oder Endprodukte durch das automatisierte Auftragen von Werkstoffen Schicht für Schicht erzeugt werden. Während je nach Anwendung und Produkt flüssige, pulverförmige oder feste Werkstoffe verwendet werden, dienen als Konstruktionsvorlage des Prozesses computererzeugte Datenmodelle, sogenannte CAD-Dateien. Im Rahmen der schichtbasierten Fertigstellung sind weder spezielle Werkzeuge noch im Vorhinein anzufertigende Formen nötig. Die additive Fertigung stellt diesbezüglich das Pendant zu klassischen subtraktiven, also abtragenden Verfahren wie dem Bohren, Fräsen oder Drehen dar. Zusammen mit subtraktiven und formativen Fertigungsverfahren, bei denen das Erzeugnis unter Einsatz von Formhohlräumen gestaltet wird, zählen additive Fertigungsverfahren zu den drei Säulen der Fertigungstechnologie.

Neben dem Leitbild der Industrie 4.0 gelten additive Fertigungsverfahren und der 3D-Druck als richtungsweisender Auftrieb des gesamten industriellen Sektors – und darüber hinaus. Höhere Wirtschaftlichkeit, Personalisierung und Individualisierung, Leichtbau von Produkten und insbesondere bisher noch nie dagewesene Formgebung sind als Charakteristika additiver Fertigungsverfahren anzusehen. Letztere stehen stellvertretend für eine Industrialisierung und Professionalisierung einer neuen Denkweise im Rahmen von Konstruktion und Produktion; diese sind auf zuverlässige und präzise Komponenten wie Servoantriebe der Baureihe FHA-C Mini oder CanisDrive® der Harmonic Drive SE angewiesen.

 

Additive Fertigungsverfahren – Prozess der Schichtbautechnologie

Bevor der wiederkehrende Prozess des Erzeugens von in der Regel sehr dünnen, oftmals lediglich bei 0,001 messenden Schichten beginnend, wird ein dreidimensionaler CAD-Datensatz im Sinne einer Konstruktionsvorlage erstellt. Diese entspricht dem anzufertigenden Objekt und wird typischerweise mit Hilfe einer 3D-CAD-Software oder aber mittels Scannen bereits existierender Objekte angefertigt. Im Anschluss erfolgt die Zerteilung des dreidimensionalen Objekts in mehrere Ebenen mit gleichbleibender Dicke. Neben der Stärke der Schichten umfasst der entstehende Datensatz außerdem die Konturmaße und Nummerierung einer jeden Ebene.

Der wesentliche Prozess additiver Fertigungsverfahren besteht prinzipiell aus zwei Schritten. In erster Instanz wird eine Schicht gemäß den Informationen des Datensatzes hergestellt – unabhängig von Werkstoff und Wahl eines bestimmten additiven Fertigungsverfahrens. Im zweiten Schritt wird die bestehende Schicht mit der erzeugten verbunden; somit bildet die zuletzt geschaffene Ebene stets die Basis für eine weitere Schicht. Während diese Prozesskette verfahrensübergreifend angewandt wird, unterscheiden sich sowohl die Art und Weise der Erzeugung der Schichten als auch die Methode, welche für das Verbinden der Ebenen zuständig ist.

 

Einteilung additiver Fertigungsverfahren

Seit Erfindung des ersten additiven Fertigungsverfahrens vor nun mehr als 30 Jahren stieg die Anzahl weiterer und ähnlicher generativer Verfahren stetig an. Zur Unterscheidung dieser Variationen und Modifikationen lassen sich unter anderem Einteilungen anhand des verwendeten Werkstoffs treffen. Gängig ist darüber hinaus die Einteilung in Pulverbettverfahren, Freiraumverfahren sowie Flüssigmaterialverfahren und andere Schichtbauverfahren.

Den Fertigungsverfahren aus dem flüssigen Zustand angehörig ist die Stereolithografie, bei welcher ein Harz mittels eines UV-Lasers selektiv ausgehärtet wird. Bei der Fertigung mit Stereolithografie können Stützstrukturen zum Einsatz kommen; diese schaffen die Möglichkeit, Fertigungen mit Hohlräumen und Überhängen zu realisieren.

Exemplarisch für Freiraumverfahren steht das Fused Deposition Modeling (FDM), auch Schmelzschichtungsverfahren genannt. Hier bewegt sich ein mit einer beheizbaren Düse versehener Apparat gemäß der Konstruktionsvorlage frei im Raum. Der Extruder lagert feine Stränge eines Kunststoffs, welcher sogleich erhärtet, ab. Fused Deposition Modeling zeichnet sich als verhältnismäßig kostengünstiges additives Fertigungsverfahren aus und wird oftmals für die Anfertigung früher Prototypen genutzt. Anwender müssen mit einer hohen Ungenauigkeit des Verfahrens rechnen.

Zu den Pulverbettverfahren zählt das sogenannte Lasersintern. Grundlage dieses Prozesses ist ein pulverförmiges Ausgangsmaterial, welches durch einen Laserstrahl entsprechend der Schichtkontur schrittweise gehärtet wird. Erzeugnisse des Lasersinterns gelten als äußerst leicht, hitzestabil und mechanisch belastbar.  Je nach Maschine, Verfahren und Anwendungsfeld werden als Ausgangsmaterial unterschiedlichste Kunststoffe und Pulver, keramische Massen, Metalle, Formsand oder aber Papier verwendet. Die Materialwahl basiert grundlegend auf dem gewünschten Eigenschaftsprofil des Erzeugnisses. Attribute wie Festigkeit und Schlagzähigkeit, Temperaturbeständigkeit und Formstabilität als auch Optik und Biokompatibilität können mithilfe des Materials beeinflusst werden.

Die Anforderung an Additive metallische Fertigungsverfahren insbesondere beim Lasersintern sind in Bezug auf hochpräzises Auftragen der einzelnen Schichten extrem hoch. Für den Antrieb der Z-Achse sind leistungsstarke, kompakte Linearaktuatoren mit einer integrierten Spindel eine hervorragende Lösung. 

 

Übersicht additiver Fertigungsverfahren

  • Pulverbettverfahren (wie selektives Lasersintern)
  • Freiraumverfahren (wie FDM oder Contour Crafting)
  • Flüssigmaterialverfahren (wie Stereolithografie)
  • Sonstige Verfahren (wie 3D-Siebdruck)

 

Optionen und Vorzüge additiver Fertigungsverfahren

Sowohl die fortschreitende Entwicklung als auch der zunehmende Einsatz von additiven Fertigungsverfahren in unterschiedlichsten Industriebranchen beruhen auf einer Vielzahl von Eigenschaften und Vorzügen besagter Fertigungstechniken. Wo früher das signifikanteste Potenzial der Bau von Prototypen war, sind heute diverse erfolgreiche Serienanwendungen realisiert worden. Insbesondere Branchen, in welchen sehr kleine Stückzahlen gängig sind und enorm hohe Entwicklungskosten anfallen, profitieren von dieser Eigenschaft, da Bauteile und Komponenten mithilfe von additiven Fertigungsverfahren nicht nur kostensparend, sondern auch zeitnah angefertigt werden können. Vorreiter sind hier Anwendungen in der Medizintechnik sowie in der Luft- und Raumfahrt.

Für additive Fertigungsverfahren charakteristisch ist darüber hinaus die Option, individuelle Objekte und Produktlösungen anzufertigen, ohne dabei Justierungen oder Umbaumaßnahmen an der Maschine vorzunehmen oder diese gar wechseln zu müssen. Sie ermöglichen gleichermaßen einen Fertigungsprozess, bei welchem die Fertigung der Konstruktion folgt und somit gestalterische Freiheit lässt. Weiterführend gilt die Ergänzung klassischer Fertigungsstrategien um additive Fertigungsverfahren als großes Potenzial und begünstigt eine Hybridbauweise, bei welcher die Vorteile diverser Verfahren zueinander finden. Weitere Eigenschaften und Vorzüge additiver Fertigungsverfahren – vorrangig aus industrieller Perspektive – sind die Steigerung der Wirtschaftlichkeit, Optimierungen von Lebenszykluskosten und Produktionskosten als auch die Digitalisierung der Prozesskette.

Hervorzuheben sind ebenfalls die ressourcenschonenden und nachhaltigkeitsfördernden Effekte additiver Fertigungsverfahren. Weil Letztere eine bedarfsabhängige Produktion sowie eine Herstellung vor Ort ermöglichen, können Lagerkosten eingespart, Überproduktionen vermieden und Transportwege als auch -zeiten deutlich reduziert werden. 

 

Additive Fertigungsverfahren in der Industrie

Aufgrund der enorm ausgeprägten Vielfalt von Maschinen für additive Fertigungsverfahren und den Unterschieden hinsichtlich Komplexität und Fähigkeit kommt das Verfahren sowohl im privaten Umfeld als auch im industriellen Rahmen zum Einsatz.

Zu den Branchen, in welchen additive Fertigungsverfahren verbreitet und dementsprechend fortgeschritten sind, zählen unter anderem Luft- und Raumfahrt, die Medizintechnik sowie die Automobilindustrie. Hier ermöglicht das angesprochene Verfahren unter anderem die Umsetzung der Leichtbauweise, welche als Konstruktionsphilosophie maximale Gewichtseinsparung zum Ziel hat und die Effektivität von Rohstoff, Energie und Kosten voraussetzt. In der Medizintechnik profitieren Dentallabore in erster Linie durch von additiven Fertigungsverfahren gewährleistete Individualisierungsmöglichkeiten, denn kein Zahnersatz gleicht dem anderen und muss daher stets angepasst werden. Des Weiteren erlauben additive Fertigungsverfahren die Integration neuer Funktionalitäten in Bauteile; diese Eigenschaft kommt vor allem in Bereichen des Formenbaus und der Luft- und Raumfahrt zum Tragen.  

 

3D-Drucker im Heimgebrauch

Seit einigen Jahren erfreuen sich additive Fertigungsverfahren, insbesondere 3D-Drucker, im Heimgebrauch an wachsender Beliebtheit. Der Fokus liegt hier – unter anderem durch die verhältnismäßig geringe Komplexität und Fähigkeit entsprechender Geräte bedingt – auf dem Druck von in der Regel sehr einfachen Objekten wie Figuren und Hartteilen. Obwohl additive Fertigungsverfahren und ihre Nutzung eine gewisse Fachkenntnis voraussetzen, ermöglichen vorgefertigte CAD-Dateien und Gebrauchsanleitungen auch ungeschulten Benutzern den privaten Druck.

Mit zukünftigem Fortschritt und fortlaufender Entwicklung additiver Fertigungsverfahren wird der private Gebrauch weiter zunehmen. Vorstellbar ist mitunter, dass bei dem Kauf eines beliebigen Produkts CAD-Dateien bereitgestellt werden, welche den Druck von Ersatzteilen ermöglichen. 3D-Drucker und ähnliche Maschinen erhalten hierbei einen nutzbringenden Einzug in die heimische Werkstatt. 

 

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Synonyme

Additive Manufacturing