Additive Fertigung


Additive Fertigung

Additive Fertigung oder generative Fertigungsverfahren bzw. englisch: additive manufacturing (AM) ist eine generelle Bezeichnung für alle Verfahren, welche eine kostengünstige und schnelle Möglichkeit zur Fertigung von Prototypen und Modellen, aber auch Endprodukten bieten. Bei der additiven Fertigung wird das Bauteil durch schichtweises Hinzufügen des Werkstoffes gefertigt.

Immer wieder wird der Begriff 3D- Druck als Synonym für additive Fertigung verwendet. Die additive Fertigung ist ein professionelles Produktionsverfahren, das das Gegenteil zu konventionellen abtragenden Fertigungsmethoden darstellt. Bei abtragenden Fertigungsmethoden wird beispielsweise aus einem festen Materialblock das Modell herausgearbeitet, zum Beispiel durch Fräsen, Drehen und Erodieren. Bei der additiven Fertigung hingegen wird das Modell Schicht für Schicht aus den Werkstoffen aufgebaut. Werkstoffe können zum Beispiel unterschiedliche Metalle, Kunststoffe oder Verbundstoffe sein. Zuerst wurde additive Fertigung im Rahmen von Rapid Prototyping angewandt, also bei der Herstellung von Prototypen in der Industrie.

Vorteile von additiver Fertigung

Konventionelle Fertigung, wie beispielsweise Fräsen, Bohren oder Drehen stößt oft an Grenzen. Manche Konstruktionen können durch konventionelle Technologien gar nicht umgesetzt werden. Die additive Fertigung ermöglicht einen „design driven manufacturing process“. Das heißt, dass nicht länger die Konstruktion von der Fertigungsmethode bestimmt wird, sondern umgekehrt. Mit Hilfe der additiven Fertigung können also auch sehr komplexe Modelle gefertigt werden, welche trotzdem extrem stabil sind.

Merkmale/Vorteile der additiven Fertigung

  • Werkzeuglose Fertigung – es werden bei der Herstellung von Bauteilen keine Werkzeuge benötigt, wodurch die Einmalkosten nahezu nicht vorhanden sind.
  • Umfassende Designfreiheit – auch komplexe Modelle können gefertigt werden
  • Flexibilität – Fertigung vor Ort und nach Bedarf
  • Skalierbarkeit – Serien- oder Einzelfertigung
  • Verkürzen von Produktentwicklungs- und Markteinführungszeit
  • Möglichkeit von laufenden Anpassungen auch in der laufenden Serienfertigung
  • Fertigung von Produkten in mikroskopisch kleinen Maßstab (z.B. in der Medizin- oder Elektrotechnik)
  • Hohe Qualität und Wirtschaftlichkeit
  • Einsparen von Ressourcen
  • Geografisch unabhängig (es sind keine großen Produktionsstandorte und große Werkzeuge nötig)
  • Individualisierbarkeit von Produkten – Es können Produkte auf den Kunden ohne Mehrkosten angepasst werden

Anwendungsbereiche im 3D Druck

Die Grundlage für additive Fertigung stellt eine CAD-Datei (Computer Aided Design) mit digitalen Konstruktionsdaten dar.

Anwendungsbereiche im 3D Druck sind sehr unterschiedlich. Folgend ein kurzer Überblick über die wichtigsten Bereiche:

  • Prototypenbau
  • Serienproduktion
  • Bildungseinrichtungen
  • Werkzeug und Vorrichtungsbau
  • Maschinenbau
  • Automotive

Verfahren additiver Fertigung

Das Prinzip der additiven Fertigung ist ein stufenweiser Aufbau, bei dem der Werkstoff Schicht für Schicht aufgetragen wird. Je nachdem welches Verfahren gewählt wurde und welche Materialien verwendet werden, ist der Aufbau unterschiedlich.

Schmelzschichtung (Fused Filament Fabrication)

Bei der Fused Filament Fabrication (FFF) oder auch Fused Deposition Modeling (FDM) genannt wird mit geschmolzenen Kunststoffdraht z.B. Kunststoff (vor allem ABS oder PLA) gedruckt. Das zugegebene Material wird von einem beheizten Extruder geschmolzen und auf ein beheiztes Druckbett aufgetragen. Das Werkstück wird Linie für Linie und Schicht für Schicht gefertigt, wobei die nächste Ebene immer erst aufgetragen wird, wenn die vorherige Schicht erstarrt ist. Dieses Verfahren hat die größte mögliche verarbeitbare Materialpalette.

Auch der EVO-lizer 3D-Drucker wendet das FFF-Verfahren für den 3D-Druck an. Das folgende Video erklärt den Ablauf  der Schmelzschichtung anhand des EVO-tech 3D-Druckers.

3D Pulver-Druck

Für den 3D Druck mit Pulver eignen sich unterschiedliche Materialien. Vorrangig wird mit Kunststoff, oder Gips gedruckt, es eignen sich jedoch auch Glas, Keramik oder andere pulverförmige Materialien. Ähnlich wie bei einem herkömmlichen Tintenstrahldrucker, funktioniert auch ein 3D Drucker mit Druckköpfen. Mit diesen wird flüssiger Kleber in kleinen Mengen auf eine Pulverschicht aufgetragen. Die pulverförmigen Stoffe verhärten sich und verkleben die Schichten des Stücks miteinander. So entsteht das Modell Schicht für Schicht.

Selektives Laserschmelzen (SLM)

Beim selektiven Laserschmelzen wird der Werkstoff nicht durch einen Binder verbunden, sondern mit Hilfe eines Hochleistungslasers verschmolzen. Mit diesem Verfahren lassen sich auch Werkstücke aus Metall fertigen.

Elektronenstrahlschmelzen (Electron Beam Additive Manufacturing)

Dieses Verfahren ist vergleichbar mit dem selektiven Laserschmelzen, wobei anstatt des Lasers ein Elektronenstrahl als Energiequelle verwendet wird.

Stereolithografie

Bei diesem Fertigungsverfahren werden die Modelle in einem mit flüssigen Photopolymer gefüllten Becken aufgebaut. Ein Laser projiziert die Schichten des Modells auf die Oberfläche. Das flüssige Photopolymer erstarrt nach einer bestimmten Belichtungszeit, bildet die erste Schicht und verbindet sich mit dem darunter liegenden Druckbett. Danach wird das Druckbett nach unten gezogen und die nächste Schicht aufgebaut.

Digital Light Processing (DLP)

Die Funktionsweise entspricht der der Stereolithografie, als Lichtquelle kommt hier jedoch ein DLP-Projektor zum Einsatz.

Multi Jet Modeling (MJM), Polyjet Verfahren

MJM ist eine Mischform aus Stereolithografie und herkömmlichem 2D Druck. Ein flüssiger Kunststoff wird auf eine Plattform aufgetragen und mit einer im Druckknopf integrierten Lichtquelle sofort ausgehärtet. Dieses Verfahren ist sehr detailgenau.

Film Transfer Imaging Verfahren (FTI)

FTI funktioniert ähnlich wir das MJM Verfahren. Hierbei kommt eine Transportfolie zum Einsatz: Mit ihr wird der flüssige Kunststoff aufgetragen.