Der technologische Fortschritt findet auch in der Additiven Fertigung seinen Ausdruck. Der 3D-Druck, wie dieses Verfahren auch genannt wird, bietet viele Vorteile für verschiedene Bereiche und Branchen: von der Medizin über die Mode- und Automobilindustrie bis hin zur Luft- und Raumfahrt. Erfahren Sie in diesem Blogbeitrag, was Additive Manufacturing ist, wie es funktioniert, in welchen Anwendungsbereichen es zum Einsatz kommt, was die Vorteile sind und vieles mehr.
Additive Fertigung Bedeutung
Additive Fertigung (engl. Additive Manufacturing; AM), umgangssprachlich auch 3D Druck genannt, ist eine Bezeichnung, die vornehmlich in der Industrie genutzt wird. Sie umfasst eine Reihe Additiver Fertigungsverfahren zum Erstellen von dreidimensionalen Objekten, die Schicht für Schicht (Schichtbauprinzip) aufgebaut werden.
Von dem Entwurf bis zum fertigen Objekt sind mehrere Arbeitsschritte notwendig, die in drei Hauptprozesse unterschieden werden. Diese sind eng aufeinander abgestimmt, um spezifische Anforderungen an die Fertigung erfüllen zu können. Daher entfällt die Nachbearbeitung nur in Ausnahmefällen.
- Pre-process: Bevor das Objekt hergestellt werden kann, müssen zunächst die Daten und das System vorbereitet werden.
- In-process: Nach den Vorbereitungen wird der eigentliche 3D-Druckvorgang durchgeführt und das Objekt erstellt.
- Post-process: Zuletzt wird die Oberfläche des Objekts nachbearbeitet, indem unter anderem Stützkonstruktionen entfernt werden. Je anspruchsvoller die spätere Anwendung der Fertigung sein wird, desto mehr Nachbehandlungszeit und Schritte sind hierzu erforderlich.
Funktionsweise der Additiven Fertigung
Obwohl Additive Verfahren existieren, mit welchen Objekte direkt in alle 3 Baurichtungen erstellt werden, erfolgt sie jedoch in der Regel schichtweise. Nach Erzeugen der ersten Schicht werden weitere Ebenen in dritter Raumrichtung aufgeschichtet, wodurch die Dreidimensionalität entsteht. Dabei wird die Stoffverbindung durch Aufschmelzen oder Aushärten durch chemische Prozesse erreicht.
Die Basis für diesen Vorgang liegt in digitalen 3D-Konstruktionsdaten (CAD-Datei), welche mittels spezieller Software für 3D-Drucker konvertiert und aufbereitet werden, sodass ausgesprochen präzise Fertigungen möglich sind. Darüber hinaus können die Daten und somit das geplante Objekt nachfrageorientiert angepasst werden, was eine hohe Flexibilität ermöglicht.
Anwendungen der Additiven Fertigung
Additive Fertigungsverfahren konnten sich bereits in einigen Branchen aufgrund ihrer Vorteile zu konventionellen Verfahren etablieren und werden erfolgreich eingesetzt. Bei den Werkstoffen kann es sich hierbei um Metalle, Kunststoffe, Kunstharze, Keramik, Glas, Sand, Holz oder gar Beton handeln.
Die Auswahl des Verfahrens und des 3D Druckers hängt von den Zielen und den Anforderungen an die Fertigung ab. Beispiele wären: Unterschiedliche Wandstärken, Formen in kleinen Größen, innen liegende Strukturen, Hinterschnitte oder die Modellierung von Dreiformflächen.
Anwendungsgebiete der Additiven Fertigung finden sich insbesondere in Bereichen wieder, in welchen Detailgenauigkeit, komplexe Geometrien und ein hoher Individualisierungsgrad im Vordergrund stehen. Dies ist vor allem in der Medizin- und Dentaltechnik (Prothetik) gegeben, aber auch in der Modewelt, im Werkzeug- und Maschinenbau (Prototypenbau), in der Automobilindustrie oder Luft- und Raumfahrt.
Vorteile der Additiven Fertigung
Im Vergleich zu traditionellen Methoden gibt es erhebliche Vorteile der additiven Fertigung Prozesse in Bezug auf:
- Hohe Präzision und Individualisierung
Das Fertigen von komplexen Strukturen bei hoher Stabilität, Leichtigkeit und Qualität sind gegeben sowie Flexibilität in Bezug auf Individualisierungen.
- Kosteneffizienz und Zeitersparnis
Eine bessere Wirtschaftlichkeit kommt zustande, da Werkstücke aus einem Stück erstellt werden können, die zuvor aus mehreren Einzelstücken zusammengesetzt werden mussten. Dies reduziert manuelle Arbeiten, was somit auch Fertigungs- und Herstellkosten minimiert.
- Größe der Produktionsstätte
Der Einsatz von 3D-Druckern erfordert weniger Platz, da z. B. keine großen, schweren Maschinen oder Werkzeuge zum Gießen von Formen benötigt werden.
- Flexibilität
Additive Fertigungsverfahren fungieren zudem über eine digitale Schnittstelle, wodurch sie dezentral und geografisch unabhängig vom Produktionsort eingesetzt werden können (Cloud Producing).
- Umweltfreundlichkeit
Eine nachhaltigere Lösung mit dem 3D Druck schließt eine besserer Energieeffizienz, weniger Transportwege und Materialverschwendung bzw. Materialbedarf ein.
Additive Fertigungsverfahren
Es gibt eine Reihe unterschiedlicher Additiver Fertigungsverfahren, die verschiedenen Werkstoffe verarbeiten und nach individuellen Wünschen eingesetzt werden können. Die beiden wichtigsten Verfahrensgruppen stellt der Metalldruck sowie der Kunstdruck dar, welchen wiederum einige Untergruppen für spezialisierte Anwendungen angehören. Zu den wichtigsten Verfahren finden Sie anschließend eine Übersicht mit kurzer Erläuterung:
Powder Bed Fusion
Beim Pulverbettverfahren wird Pulver mittels Laser (SLM) oder einem Elektronenstrahl (EBM) verschmolzen. In unseren 3D Metalldruckern 2Create und 2Create Plus setzen wir das Laserstrahlschmelzen ein.
Binder Jetting
Dieses Verfahren wird im Deutschen auch Freistrahl-Bindemittelauftrag bezeichnet, da ein pulverförmiger Grundstoff stellenweise mit einem flüssigen Bindemittel verbunden wird, wodurch Schichten des Objektes aufgebaut werden. Zu den Ausgangstoffen zählen: Metall, Kunststoff, Gips oder Sand.
Material Jetting
Beim Materialstrahlen wird flüssiges Material (Harzwachse oder Thermoplaste) tröpfchenweise und selektiv auf eine Druckplatte aufgetragen und mit UV-Licht gefestigt. Beispiele: Poly-Jet Modeling (PJM), Multi-Jet Modeling (MJM).
Material Extrusion
Material wird beim Materialextrusionsverfahren erwärmt und verflüssigt. In Folge wird der flüssige Werkstoff durch eine formgebende Drüse und schichtweise auf die Unterlage aufgetragen. Eine dauerhafte Verbindung kommt sodann durch Abkühlung zustande. Ein bekanntes Verfahren für Kunststoff-/ Metall-/ Komposit-Filament ist das Fused-Layer Modeling (FLM).
Vat Photopolymerization
Beim VPP-Verfahren werden flüssige Kunststoffe schichtweise gezielt mit UV-Licht ausgehärtet. Im Gegensatz zu den Jetting Verfahren wird das Material nicht auf eine Bauplattform aufgetragen, sondert befindet sich bereits in einem Becken. Die Plattform wird dafür in das Kunststoffbecken eingetaucht. Beispiele: Stereolithografie (SLA), Digital Light Processing (DLP).
Sheet Lamination
Bei der Schichtlaminierung werden dünne „Folienschichten“ aufeinandergelegt und miteinander verbunden. Materialen wie Papier, Kunststoffe oder Metalle werden miteinander verklebt oder verschweißt. Bei Metall kommen auch Ultraschallvibrationen (Ultraschall-Additiv-Fertigung; Abk. UAM) zum Einsatz.
Directed Energy Deposition (DED)
Das Auftragschweißverfahren wird häufig in Kombination mit Metallen in Form von Pulver oder Draht zur Oberflächenveredelung genutzt oder um bestehende Bauteile zu reparieren und zu modifizieren. Je nach Methode wird hierbei mit einem Laser, einem Elektrostrahl oder einer Plasmaquelle gearbeitet.
Additive Fertigung Materialien
Beeinflusst wird die Wahl des Verfahrens und des 3D Druckers von den spezifischen Anforderungen und Zielen sowie der eingesetzten Materialien. Für die Industrie können in etwa 4 Hauptgruppen kategorisiert werden, nachfolgend einige Beispiele:
- 1. Metalle: Titan, Stahl, Aluminium, Kupfer, Nickel
- 2. Kunststoffe (Polymere): ABS, PETG, PET, PLA
- 3. Keramik: Aluminiumoxid, Zirkoniumdioxid, Siliziumdioxid
- 4. Biomaterialien: Gelatine, Kollagen, Cellulose
Die Werkstoffe lassen wich weiterhin nach Materialbeschaffenheit voneinander abgrenzen, so kommen sie als Pulver, Granulat, Filament, Draht oder als Flüssigkeit zum Einsatz.
Schlussfolgerung - Additive Fertigung
Additive Fertigung (3D-Druck) umfasst additive Fertigungsverfahren, die auf dem Schichtbauprinzip beruhen und erhebliche Vorteile gegenüber herkömmlichen Verfahren bieten.
Mit traditionellen Subtraktionsverfahren wird ein höherer Arbeits-, Material-, und Zeitaufwand verbunden, da Prozesse weniger automatisiert verlaufen. Des Weiteren besteht ein höherer Bedarf an manueller Fertigung, Werkstoffen, Werkzeugen und ggf. schweren Maschinen zum Gießen, wodurch eine größere Produktionsstätte und mehr Personal erforderlich ist. Diese Anforderungen lassen die Herstell- und Fertigungskosten steigen.
Die Vorzüge der Additiven Fertigung liegen im Vergleich in der Automatisierung und den schlankeren, Prozessabläufen. Hinzukommt der geringere Materialbedarf, Arbeits-, Zeit- und Kostenaufwand sowie Möglichkeiten, die mit herkömmlichen Verfahren auf diese Weise nicht realisierbar sind. Hierzu zählen: das Erstellen komplexer Geometrien, die hohe Präzisierung und der hohe Individualisierungsgrad.
Aufgrund dieser Vorteile konnte sich die Additive Fertigung heute bereits in vielen Bereichen etablieren. In der Medizin, bis hin zur Modewelt, der Autoindustrie, im Bauwesen oder in der Luft- und Raumfahrt werden Additive Fertigungsverfahren eingesetzt und bieten auch zukünftig Potenzial, um weiterentwickelt und in anderen Branchen verwendet zu werden.
FAQ: Additive Fertigung
Was ist Additive Fertigung?
Zur Additiven Fertigung zählen Additive Fertigungsverfahren, welche dreidimensionale Objekte aus bestimmten Materialien Schicht für Schicht aufbauen. Das Modell basiert hierbei auf den Informationen der CAD-Datei, welche Informationen über eine spezielle Software für die 3D-Drucker bereitstellt.
In welchen Anwendungsgebieten findet die Additive Fertigung Verwendung?
Anwendungsgebiete Additiver Fertigungsverfahren erstreckten sich über verschiedene Branchen, wie der Medizin- und Zahntechnik (Prothetik), dem Werkzeug- und Maschinenbau (Prototypen) sowie der Automobilindustrie oder Luft- und Raumfahrt.
Die Technologie erzeugt insbesondere für Bereiche und Unternehmen signifikanten Mehrwert, für die ein hoher Individualisierungsgrad, komplexe Formgebung sowie Kosteneffizienz von Bedeutung ist. Bsp: Die Branche Dental mit dem Erfordernis nach Individualisierung für Zahnimplantate oder Kronen.
Was sind Vorteile der Additiven Fertigung?
Die Vorteile von Additive Fertigung im Vergleich zu herkömmlichen Verfahren sind: Höhere Präzision und Personalisierung bei hoher Qualität, Herstellung sehr komplexer Geometrien, Kosten- und Zeitersparnis sowie weniger Co-2-Emissionen und Materialabfall. Aufgrund seiner digitalen Schnittstelle zeichnet es sich auch durch Dezentralisierung, Unabhängigkeit von der Produktionsstätte und einen kleineren Produktionsstandort aus.
Welche Additiven Fertigungsverfahren gibt es?
Es gibt insgesamt 11 Additive Fertigungsverfahren, die nach bestimmten Anforderungen und Materialien genutzt werden. Zu den 7 bekanntesten gehören: Binder Jetting, Material Jetting, Material Extrusion, Vat Photopolymerisation, Powder Bed Fusion, Sheet Lamination und Directed Energy Deposition (DED).
Weitere Links:
Autor: Markus Wolf
Leidenschaft für den 3D-Druck, dabei
CTO und Mitbegründer von 2oneLab.
