Additive Fertigung

Falls dir auf Anhieb der Begriff additive Fertigung nichts sagt: Darunter versteht man den 3D Druck in einem industriellen Maßstab. Statt dreidimensionaler Drucker für den Hausgebrauch handelt es sich dabei um 3D Druck Fertigungsverfahren in der industriellen Produktion.

Allerdings umfasst der Begriff der additiven Fertigung auch Verfahren, die über den 3D Druck hinausgehen. Ein Beispiel für ein weiteres additives Verfahren ist das Laserschmelzen, bei dem Werkstoffe in Pulverform durch einen Laserstrahl geschmolzen werden und eine feste Materialschicht bilden.

Der große Vorteil der additiven Fertigung liegt in der Möglichkeit, äußerst komplexe Strukturen und Bauteile herzustellen. Wie das geht, verdeutlicht der Vergleich zur subtraktiven Fertigung.

Bei der subtraktiven Fertigung wird Material von einem festen Werkstück durch Schleifen, Zerspanen, Fräsen oder Bohren entfernt, bis es die gewünschte Form erhält. Bei der additiven Fertigung hingegen wird einem Werkstück neues Material Schicht für Schicht hinzugefügt.

Neben dem erwähnten 3D Druck und dem Laserschmelzen gibt es weitere additive Fertigungsverfahren, die sich teilweise deutlich voneinander unterscheiden:

Beim Rapid Prototyping werden durch das additive Druckverfahren maßstabsgetreue und dreidimensionale Prototypen von Werkstücken oder Produkten erstellt, bevor diese in die Massenproduktion gehen. Ziel der Rapid Prototyping Anwendung ist die Visualisierung von Designkonzepten und die im Vergleich zu herkömmlichen Verfahren kostengünstige und schnellere Überprüfung der Funktionalität von Bauteilen oder Produkten.

Statt Werkstücke und Bauteile im Falle eines Defekts entsorgen zu müssen, erlaubt das Rapid Repair Verfahren die zügige Reparatur von beschädigten Objekten oder die Anfertigung passender Ersatzteile. Gerade bei älteren Produkten, bei denen spezifische Ersatzteile kaum noch oder nur zu hohen Preisen verfügbar sind, können so die Kosten für Wartung und Instandhaltung gesenkt werden.

Da die Herstellung herkömmlicher Werkzeuge oft komplex, zeitintensiv und kostspielig ist, kommt vermehrt das als Rapid Tooling bezeichnete Verfahren zum Einsatz. Rapid Tooling ermöglicht die Herstellung von Werkzeugen, Werkformen und Vorrichtungen und ist vorteilhaft, wenn nur geringe Stückzahlen benötigt werden oder eine herkömmliche Produktion zu viel Zeit in Anspruch nimmt.

Weitere für die Prozesskette additive Fertigung bedeutende Verfahren sind das Rapid Manufacturing und das Direct Manufacturing. Diese beiden Verfahren der Manufacturing Technologie stehen für neue Innovationen in der Produktion von Endprodukten oder Einzelteilen. Diese Verfahren sind nützlich, um Teile in Kleinserien herzustellen, die eine Geometrie aufweisen, die herkömmliche Produktionstechniken nur schwer bewerkstelligen können.

Da der Schwerpunkt des Rapid Manufacturing und des Direct Manufacturing auf der schnellen Fertigung liegt, werden die 3D Druck Objekte direkt aus den in der CAD Software hinterlegten Daten per Stereolithographie, selektivem Lasersintern oder selektivem Laserschmelzen erzeugt.

Additive Fertigungsverfahren unterscheiden sich hierbei in der Art und Weise, wie die einzelnen Schichten aufgetragen (als Pulver, festes oder flüssiges Material) bzw. verbunden (Aushärten oder Verschmelzen) werden und mit welchen Ausgangsstoffen gedruckt wird. Die meisten additiven Verfahren nutzen entweder Kunststoffdruck oder Metalldruck.

Ein Beispiel für den Kunststoff 3D Druck und die Produktgestaltung für die additive Fertigung ist das als Fused Deposition Modeling (FDM) oder Fused Filament Fabrication (FFF) bekannte Verfahren. Beliebt im privaten Modellbau, setzt auch der Industrie 3D Druck dieses Verfahren ein, um Kunststoff in geschmolzener Form schichtweise auf ein Bauteil aufzutragen.

Weil es diesem Verfahren an Präzision mangelt, werden damit meist Prototypen statt Endbauteile gedruckt. Eine dabei häufig eingesetzte Kunststoffart ist Nylon, weshalb man bei diesem Verfahren auch meist von Nylon 3D Druck spricht.

Die additive Fertigung wird in vielen Branchen eingesetzt. Sinnvoll ist sie als generative Fertigung – also bei der Herstellung neuer Teile – in Bereichen, die komplexe Formen in geringen Stückzahlen benötigen. Zu diesen Bereichen zählen Industrien wie die Luft- und Raumfahrt oder die Medizintechnik. In anderen Branchen, wie dem Bauwesen oder der Automobilwirtschaft, dient die additive Fertigung der Entwicklung von Prototypen, der Herstellung von maßgeschneiderten Einzelteilen und dem Druck von Modellen als Vorlage für Designstudien.

Additive Verfahren werden seit der Erfindung der Stereolithografie in den achtziger Jahren des vorherigen Jahrhunderts eingesetzt. Bei diesem Verfahren härtet ein UV-Laser vordefinierte Stellen in einem mit flüssigem Harz gefüllten Becken, das auf einer Plattform ruht. Nach dem Aushärten der betroffenen Stellen wird die Plattform abgesenkt und der Prozess wiederholt, bis die gewünschte Form und Struktur erreicht sind. Gegen Ende desselben Jahrzehnts erschienen auch die ersten Geräte für den 3D Druck auf dem Markt.

Die additive Fertigung bietet eine hohe Gestaltungsfreiheit, die bei herkömmlichen Fertigungsverfahren kaum möglich ist. Dadurch lassen sich Objekte auch besser individualisieren und für spezifische Zwecke herstellen, wie der Blick in die Medizintechnik zeigt.

Patienten, die Prothesen oder künstliche Herzklappen benötigen, erhalten dank 3D Druck individuell angefertigte Erzeugnisse, die sich weitaus besser als herkömmliche Prothesen und Herzklappen an ihre persönlichen Anforderungen anpassen.

Auch die Industrie profitiert von dieser Individualisierung und kann mit Hilfe additiver Fertigungsverfahren Kundenwünsche besser erfüllen. Die Geschwindigkeit, mit der sich einzelne Werkstücke oder ganze Bauteile entwickeln und herstellen lassen, stellt außerdem eine große Kostenersparnis dar: Eine Industriefachkraft für additive Fertigung (IHK) sieht direkt bei der Fertigung des Prototypen, an welchen Stellen noch Optimierungsbedarf bei der Produktentwicklung besteht.

Je nach Art des Verfahrens sind nicht alle Techniken der additiven Fertigung für die Massenproduktion geeignet. Bei der Fertigung von Massenprodukten, die nicht individualisiert werden, sind herkömmliche Herstellungstechniken besser als generative Verfahren, da hier der Geschwindigkeitsvorteil der additiven Fertigung entfällt.

Zudem fehlt es in vielen Unternehmen noch am nötigen Know-How: Zu wenige Fachkräfte haben solide Kenntnisse in der additiven Fertigung oder dem 3D Druck.