Additive Fertigung
Bauteile werden bei additiven Fertigungsverfahren durch Hinzufügen von Materialien angefertigt. Sie können individuell angepasst und auch mit komplexen Geometrien konstruiert werden.
Additive Fertigung und 3D-Druck
Die Additive Fertigung (Generative Fertigung, Additive Manufacturing) wird häufig als Synonym für den 3D-Druck verwendet, obwohl der 3D-Druck streng genommen nur ein Teilbereich ist. Die Additive Fertigung bezeichnet alle Fertigungsverfahren, bei denen Schicht für Schicht Material aufgetragen wird und somit ein dreidimensionaler Gegenstand entsteht. Notwendig für die schichtweise Erstellung sind CAD/CAM Daten. Es können feste und flüssige Werkstoffe wie etwa Kunststoffe, Keramik und Metalle verwendet werden. Beim Aufbau kommt es zu Schmelz- und Härtungsprozessen.
Mit dem 3D-Druck werden dreidimensionale Objekte mit einem 3D-Drucker gedruckt. Obwohl man von "Druck" redet, versteht man unter 3D-Druck mehr als nur das Aufbringen von Material auf ein Trägermaterial. Kombiniert mit Lasertechnologie, lässt sich Aluminium-Pulver zum Beispiel zu einem Aluminium-Gegenstand schmelzen.
Das Verfahren wird in den nächsten Jahren die gesamte Produktion so massiv ändern, dass man von einer Revolution sprechen kann. Schon heute wurden erste Häuser und Autos gedruckt.
Mit dem 3D-Druckverfahren können Bauteile entstehen, die zu deutlich geringeren Kosten hergestellt werden können. Da Konstruktionen auch einfacher sein können, sind die gedruckten Objekte leichter als über den konventionellen Weg. Auch die Umwelt wird aufgrund geringerer Schadstoffemissionen im Produktionsprozess weniger belastet.
Bei additiven Fertigungsverfahren wird ein 3D-CAD-Körper in einzelne Schichten unterteilt und beispielsweise Vektoren eines Laserstrahls für jede Schicht errechnet. Die Schichtstärke liegt in der Regel zwischen 15 und 150 µm.
Vorteile der Additiven Fertigung
Ein ganz klarer Vorteil ist, dass die Additive Fertigung bei Konstruktion, Design und Fertigung offen für Neues ist. Wenn die konventionelle Fertigung nicht mehr umsetzbar ist, können mit Additiver Fertigung neue Lösungen gefunden werden - zum Beispiel, dass die Konstruktion die Fertigung bestimmt (und nicht umgekehrt, wie meistens in der Industrie). Additive Fertigung findet vor allem in den Bereichen Anwendung, in denen hoch komplexe Strukturen und geringe Stückzahlen erforderlich sind. Weitere Vorteile sind somit die Designfreiheit, Optimierung und Integration von Funktionen, Erstellung kleiner Stückzahlen zu normalen Stückpreisen sowie hohe Individualisierung von Produkten, sogar in der Serienfertigung. Außerdem läuft der Fertigungsprozess automatisiert ab.
Funktionsprinzip
Wenn die CAD-Daten des 3D-Modells vollständig erstellt und geprüft wurden, wird die erste dünne Pulverschicht (z. B. Polymerpulver oder Metallpulver) auf der Bauplattform aufgetragen. An den Stellen, die durch die computergenerierten Konstruktionsdaten vorgesehen sind, wird das Pulver vom Strahl eines Lasers geschmälzt. Die Fertigungsplattform, auf der das Modell später entsteht, wird abgesenkt und ein weiteres Pulver wird aufgetragen. Das Pulver wird wieder aufgeschmolzen und koaliert an den vorgegebenen Stellen mit dem darunterliegenden Pulver. Dann wird die Plattform wieder abgesenkt. Dieser Prozess wiederholt sich, bis das Bauteil vollständig erstellt ist. Am Ende wird die Pulverschicht, die nicht verschmolzen ist entfernt und das Bauteil ist fertig.
Fertigungsverfahren
- Direktes Metall-Lasersintern
- Selektives Laserschmelzen (SLM) - mittels Laser wird Metallpulver beim Laserstrahlschmelzen schichtweise zu einer Struktur verschmolzen.
- Elektronenstrahlschmelzen (EBM) - Electron Beam Melting - Statt eines Lasers kommt ein Elektronenstrahl in einem vakuumierten Bauraum zur Anwendung.
- selektives Lasersintern (SLS) - Pulverbett-Verfahren, das schneller als SLM ist, da die Pulverpartikel nicht komplett aufgeschmolzen müssen, um sich zu verbinden. Bauteile sind dadurch poröser.
- Fused Deposition Modeling - (FDM); (auch Fused Filament Fabrication - FFF) - geschmolzener Kunststoff wird schichtweise auf eine Bauplattform aufgetragen.
- Laserauftragsschweißen (LMD) mittels eines Dioden- oder Faserlasers - Laser Metal Deposition bedeutet, dass Pulver durch eine Düse aufgetragen wird. Unmittelbar nach dem Auftragen im Schmelzbad des Lasers erstarrt die Schicht.
- Stereolithografie / SLA Drucker - Ein UV-Laser härtet in einem mit flüssigem Photopolymer gefüllten Becken die definierten Stellen aus. Das Bauteil benötigt in der Flüssigkeit eine Stützstruktur.
- Film Transfer Imaging (FTI)
- Digital Light Processing (DLP) - vergleichbar mit dem SLA-Verfahren, es kommt aber eine Dunkelkammerleuchte statt eines UV-Lasers zum Einsatz.
- Multi (Poly)Jet-Modeling (MJF) - ähnelt dem Verfahren von Tintenstrahldruckern.
Anwendungsgebiete 3D-Druck in der Industrie
Da durch additive Fertigungsverfahren Bauteile hergestellt werden können, die so vorher nicht möglich waren, bildete der 3D-Druck schnell seine eigene Nische. Inzwischen wird das Verfahren aber auch je nach Anwendung noch umfassender eingesetzt.
Mass Customization
Die Mass Customization (MC, kundenindividuelle Massenproduktion) beschreibt die Massenproduktion eines Produkts, das auf die Kundenwünsche angepasst wird. Was früher ein Widerspruch war, kann heute durch additive Fertigungsverfahren realisiert werden. Im Bereich des kundenindividualisierten Schmucks ist die MC durch den 3D-Druck besonders beliebt geworden.
Rapid Prototyping
Automobilbranche
Schon seit mehr als einem Jahrzehnt wird das Rapid Prototyping mit 3D-Druck sowie Lasersintern und -schmelzen für die Automobilindustrie immer bedeutender. Bei der Erstellung von Einzel- oder Kleinserienteilen ist die Technologie kaum zu schlagen. Dies liegt vor allem daran, dass sie keine zusätzlichen teuren Maschinen braucht, ein hohes Maß an Individualisierung mit komplexen Geometrien möglich ist und der ganze Vorgang vergleichsweise schnell geht.
Besonders bei kleinen und kleinsten Stückzahlen und im Leichtbau bietet der 3D-Druck Chancen für die Automobil- oder auch Luftfahrtindustrie. So werden beispielsweise jetzt schon für die Formel-1 Turbinenschaufeln mit Hohlraum gedruckt um Gewicht zu sparen. Die Herstellung solcher Teile wäre mit herkömmlichen Verfahren nicht möglich.
Weitere Anwendungsbereiche
Heimanwendung
Zuhause kann man mit einem 3D-Drucker Schmuck, Spielzeug oder Becher und Schalen herstellen. Komplexe Strukturen oder belastbare Gegenstände sind dagegen mit einem professionellen Gerät zu realisieren. 3D-Drucker für die Heimanwendung verwenden meistens Polylactide (PLA) oder Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS) als Material.
Bauwesen
Beim Bau von Häusern kommen 3D-Drucker beim Erstellen des Rohbaus zum Einsatz. Pläne können am Computer erstellt werden, dann in Steuerungsdaten für den 3D-Druck verarbeitet und an einen 3D-Drucker in form eines vollautomatischen Roboters weitergeleitet. Dieser erstellt dann das Gebäude.
Labore
In den Bereichen Chemie, Biologie und Physik wird die Fertigungstechnologie in Laboren verwendet, um komplexe Reaktionsgefäße, Minireaktoren oder Messröhrchen herzustellen.
Medizintechnik
Bereits seit einiger Zeit werden für die Medizintechnik (siehe auch Anbieter und Produzenten im Bereich Medizintechnik) passgenaue Zahnkronen, Hörgeräte, chirurgische Instrumente und Implantate erfolgreich mit 3D-Druckern hergestellt.
Auch Schutzausrüstungen, wie Schutzmasken und -schilder, sowie Bauteile für medizinische Geräte können dank der additiven Fertigung schnell und einfach gedruckt werden.
Sogar Desinfektionsmittelflaschen-Kappen und Proberöhrchen für Schnelltests sind bereits per 3D-Druck produziert.
3D-Druck mit Keramik
Keramische Materialien besitzen im Vergleich zu herkömmlichen Techniken mechanische Eigenschaften und weisen hochauflösende Geometrien auf. Noch ist der 3D-Druck mit Keramik noch nicht genauso etabliert, wie die Kunststofftechnologien oder die additive Fertigung von Metallen. Allerdings erlebt Keramik als Material einen Aufschwung und nimmt eine immer wichtigere Rolle als Fertigungsverfahren in verschiedenen Branchen ein. Es gibt verschiedene keramische Materialtypen, die in der Fertigung eingesetzt werden:
- Ton
- Strukturkeramik
- Feuerfeste Keramik
- Technische Keramik
Je nach Materialtyp kommen verschiedene Methoden für den 3D-Druck mit Keramik zum Einsatz. Dazu gehören:
- Stereolithographie (SLA)
- DLP
- Binder Jetting - hier kommen Bindemittel (sogenannte Binder) zum Einsatz; Werkstücke entstehen dadurch, dass Ausgangsmaterial an bestimmten Stellen mit den Bindern verklebt wird
- Deposition of Material (LDM – Liquid Deposition Modeling)
- Nanoparticle Jetting