Additives Fertigungsverfahren

Definition des Additiven Fertigungsverfahrens

Dieses Verfahren ermöglicht die schnelle und effiziente Herstellung komplexer geometrischer Figuren und Strukturen, die mit herkömmlichen Fertigungsmethoden nicht oder nur schwer realisierbar wären. Es bietet eine große Vielseitigkeit und Flexibilität, was sowohl zur Produktion von Prototypen als auch für die Serienfertigung genutzt werden kann.

• Vielseitiger Einsatz in der Industrie
• Erzeugung komplexer Strukturen möglich
• Fertigung von Prototypen und Serienprodukten

Additives Fertigungsverfahren einfach erklärt

Dieses Verfahren ermöglicht die Erstellung einzigartiger Designs und die Optimierung der physischen Eigenschaften von Gegenständen. Es wird zunehmend in einer Vielzahl von Branchen eingesetzt, von der Luft- und Raumfahrt über die Automobilindustrie bis hin zur Medizintechnik.Der Einsatz von Additiven Fertigungsverfahren bietet immense Möglichkeiten und eröffnet neue Wege in der Produktentwicklung und gleichzeitig die Chance, Prozesse nachhaltiger zu gestalten. Der 3D-Druck wird die Art und Weise, wie Produkte design und hergestellt werden, revolutieren. Sei es in der Raumfahrt, der Medizintechnik oder beim kreativen Produktdesign, additive Fertigungstechnologien haben das Potential, nicht nur Prozesse, sondern auch den gesamten Lebenszyklus von Produkten zu transformieren. Sicherlich ein spannendes Feld, in das du eintauchen möchtest.

Übersicht additiver Fertigungsverfahren

In der Ingenieurwissenschaft sind verschiedene additive Fertigungsverfahren etabliert, die je nach Anwendung, Material und gewünschtem Endprodukt zum Einsatz kommen. Die Auswahl des Verfahrens hängt von verschiedenen Faktoren ab, einschließlich der Materialart, der erforderlichen Genauigkeit und der Menge der zu produzierenden Teile. Es existiert eine Vielzahl an additiven Fertigungsverfahren, aber einige der am häufigsten verwendeten sind:

• Stereolithographie (SLA): Dieses additive Fertigungsverfahren arbeitet mit flüssigem Kunstharz, das mit UV-Licht gehärtet wird. Die Belichtung erfolgt punktweise entsprechend den Daten des digitalen Modells. Es eignet sich besonders für die Herstellung kleiner, detaillierter Modelle und Prototypen mit glatter Oberfläche.
• Selektives Laserschmelzen (SLM) und Selektives Lasersintern (SLS): Beide Verfahren bauen das Bauteil schichtweise aus Metall- oder Kunststoffpulver auf, das von einem Laser lokal aufgeschmolzen bzw. gesintert wird. Sie eignen sich insbesondere zur Fertigung von komplex geformten Metallbauteilen mit hoher Festigkeit.
• Gedrucktes Kunststofffilament (FDM): Beim Fused Deposition Modelling oder FDM wird ein Kunststoffdraht durch eine beheizte Düse gedrückt und auf der Bauplattform aufgetragen. Es ist eine kostengünstige Methode, die häufig für die Herstellung einfacher Prototypen eingesetzt wird.

Zusätzlich zu diesen allgemeinen Verfahren gibt es speziellere Methoden, wie das Laminated Object Modelling (LOM), das Material-Jetting und das Binder-Jetting. Jedes Verfahren bietet spezifische Vorteile und hat seine eigene Nische in der Welt der additiven Fertigung gefunden.

Beispiele für additive Fertigungsverfahren

Jedes der genannten Beispiele zeigt, wie additive Fertigungsverfahren es ermöglichen, individuelle und hochfestige Komponenten herzustellen. Egal, ob es um medizinische Implantate, Werkzeugkomponenten oder individuellen Produktdesign geht, das additive Fertigungsverfahren bietet eine Vielzahl von Möglichkeiten für effektive und effiziente Produktionslösungen.

Einteilung der additiven Fertigungsverfahren

Das additive Fertigungsverfahren lässt sich in verschiedene Klassen einteilen, die auf dem verwendeten Material basieren und der Art, wie das Material zur Erstellung des 3D-Objekts genutzt wird.

Klassen von additiven Fertigungsverfahren

Wenn du die additiven Fertigungsverfahren betrachtest, wirst du feststellen, dass sie sich in drei Hauptklassen einteilen lassen: Pulverbettverfahren, Strahlschmelzverfahren und Material Extrusion. Jede dieser Klassen hat einzigartige Eigenschaften und wird für spezifische Anwendungen eingesetzt. Bei den Pulverbettverfahren wird das Bauteil in einem Bett aus feinem Pulver schichtweise aufgebaut. Ein energiereicher Strahl (oftmals ein Laser) verfestigt das Pulver an den Stellen, an denen das Material der jeweiligen Schicht aufzubauen ist. Nach jeder Schicht wird neues Pulver aufgetragen. Zu dieser Klasse gehören das Selective Laser Sintering (SLS), das Direct Metal Laser Sintering (DMLS) und das Electron Beam Melting (EBM). Strahlschmelzverfahren arbeiten mit einem Material in Drahtform. Ein Elektronenstrahl oder Laserstrahl schmilzt das Material, während es extrudiert wird, und baut so das Bauteil auf. Bekannte Verfahren dieser Klasse sind das Electron Beam Freeform Fabrication (EBF3) und das Directed Energy Deposition (DED). Die Material Extrusion arbeitet mit einem Thermoplast-Filament, das durch eine beheizte Düse extrudiert wird. Das Material wird auf eine Plattform extrudiert und baut so schichtweise das Bauteil auf. Ein bekanntes Verfahren dieser Klasse ist das Fused Deposition Modeling (FDM). Zusammengefasst können die Klassen in der folgenden Tabelle veranschaulicht werden:

Beispiele für additive Fertigungstechnologien

Ein anschauliches Beispiel für das Pulverbettverfahren ist der 3D-Druck von Titanbauteilen für den Einsatz in der Luft- und Raumfahrtindustrie. Dabei wird Titanpulver mit einem Elektronenstrahl schichtweise zu einem festen Bauteil verschmolzen. Ebenso wird DMLS zur Herstellung von Zahnersatz verwendet, bei dem jeweils eine dünne Schicht Metallpulver mit einem Laser aufgeschmolzen wird. Das Strahlschmelzverfahren, insbesondere die Direkte Metallabscheidung (DED), wird etwa in der Kraftwerksindustrie eingesetzt, um Bauteile durch das Aufschmelzen von Metallpulver oder -draht zu reparieren oder zu modifizieren. Bei diesem Verfahren wird das Material zielgerichtet dort aufgeschmolzen, wo es benötigt wird, was zu hoher Materialausnutzung und schnellen Produktionszeiten führt. Ein prägnantes Beispiel für die Material Extrusionist die Herstellung von Prototypen mittels FDM. Hierbei wird das thermoplastische Ausgangsmaterial durch eine beheizte Düse gepresst und aufgetragen, wodurch schichtweise das gewünschte Bauteil entsteht. Dieses Verfahren ermöglicht eine schnelle, kostengünstige und flexible Prototypenherstellung direkt an Ort und Stelle. Dies sind nur einige Beispiele dafür, wie additive Fertigungsverfahren in verschiedenen industriellen Kontexten eingesetzt werden können. Die Möglichkeiten sind nahezu unbegrenzt und mit fortschreitender Entwicklung der Technologien kann das Additive Fertigungsverfahren in immer mehr Bereichen zur Anwendung kommen. Es bietet erhebliche Vorteile hinsichtlich Geschwindigkeit, Kosten, Flexibilität und Designfreiheit und hat das Potential die Produktentwicklung und Fertigung in vielen Branchen grundlegend zu verändern.

Vor- und Nachteile additiver Fertigungsverfahren

In der wissenschaftlichen Literatur und auch in der industriellen Praxis werden additive Fertigungsverfahren wegen ihrer zahlreichen Vorteile und ihrer vielfältigen Einsatzmöglichkeiten hoch geschätzt. Sie bieten das Potenzial für revolutionäre Veränderungen in der Produktentwicklung und der Herstellung von Produkten. Gleichzeitig gibt es jedoch auch Herausforderungen und Limitierungen, welche die flächendeckende Implementierung dieser Fertigungsprozesse bisher erschweren.

Potenziale und Herausforderungen des Additiven Fertigungsverfahrens

Additive Fertigungsverfahren versprechen viele Vorteile im Vergleich zu herkömmlichen, subtraktiven Fertigungsverfahren, bei denen Material entfernt wird, bis die gewünschte Form erreicht ist. Ein großer Vorteil der additiven Fertigung liegt in ihrer Fähigkeit, hochkomplexe und individuelle Geometrien zu erstellen, die mit konventionellen Methoden nur schwer oder gar nicht realisierbar sind. Durch die Möglichkeit, Material nur dort zu addieren, wo es benötigt wird, können Materialverbrauch und Produktionsabfälle deutlich reduziert werden. Das spart Kosten und ist zudem umweltfreundlich. Ein weiterer Aspekt ist die Möglichkeit der Funktionsintegration in ein Bauteil, beispielsweise Kühlfunktionen, die direkt in ein Werkstück integriert werden können.Auf der anderen Seite stehen Herausforderungen und Schwierigkeiten. Eine der größten Herausforderungen ist zweifellos die noch vergleichsweise hohe Komplexität und Kosten der Technologie. Die Anschaffungskosten für additive Fertigungsmaschinen können sehr hoch sein und auch die Kosten für das Ausbildungspersonal und den Betrieb der Geräte können erheblich sein. Die Verarbeitbarkeit und Qualität des Ausgangsmaterials, oft in Form von Metal - oder Kunststoffpulver, stellt ebenfalls eine Herausforderung dar. Nicht alle Materialien lassen sich problemlos verarbeiten und es kann zu Qualitätsunterschieden kommen, die etwa die Festigkeit und Dichte des Endprodukts beeinflussen.

Additive Fertigungsverfahren: Vor- und Nachteile

• Komplexe Geometrien: Erstellt hochkomplexe und individuelle Strukturen, die mit konventionellen Methoden schwer herzustellen sind.
• Materialersparnis: Fügt Material nur an den Stellen hinzu, an denen es benötigt wird, was zu einer erheblichen Material- und Kosteneinsparung führen kann.
• Funktionsintegration: Erlaubt es, Funktionen direkt in ein Bauteil zu integrieren, was zu kompakteren und effizienteren Designs führen kann.
• Designfreiheit: Ermöglicht eine höhere Designfreiheit und Flexibilität bei der Produktentwicklung.

• Kosten: Die Anschaffung und der Betrieb additiver Fertigungstechnik kann teuer sein.
• Materialdichte und Festigkeit: Die Qualität und Verarbeitbarkeit des Ausgangsmaterials kann die Materialdichte und Festigkeit des Endprodukts beeinflussen.
• Prozesskontrolle und Standarisierung: Die Prozesskontrolle und Standardisierung in der additiven Fertigung ist komplex und eine Herausforderung.

Durch Kenntnis dieser Vor- und Nachteile können die Einsatzmöglichkeiten additiver Fertigungsverfahren besser beurteilt und ihre Integration in bestehende Produktionsprozesse optimiert werden. Es ist wichtig zu beachten, dass die additive Fertigung keine universelle Lösung darstellt, sondern eine Ergänzung zu bestehenden Fertigungsverfahren. Sie bietet einzigartige Möglichkeiten, stellt aber auch Herausforderungen, die es zu meistern gilt.