Was ist additive Fertigung?

Oct 11, 2023

Unter additiver Fertigung versteht man Produktionsmethoden, bei denen mithilfe computergestützter Designsoftware physische Objekte aus einer digitalen Datei erstellt werden. Materialien werden Schicht für Schicht hinzugefügt, um funktionale Teile eines Ganzen zu schaffen, beispielsweise beim 3D-Druck, der Stereolithographie und dem Elektronenstrahlschmelzen.

Additive Fertigung ist ein Überbegriff für Produktionsverfahren, bei denen aus digitalen Dateien in einem computergesteuerten Prozess dreidimensionale Objekte schichtweise „aufgetragen“ werden.

„Es ist vergleichbar mit dem Backen eines Kuchens von Grund auf – man fügt Materialien hinzu, um Objekte herzustellen“, sagte Ramsey Stevens, CEO von nano3Dprint, einem Unternehmen, das Materialextrusionssysteme für den 3D-Druck von Elektronik herstellt. „Dies unterscheidet sich von herkömmlichen Herstellungsverfahren, bei denen Materialien weggelassen werden oder die auf Formverfahren basieren.“

Im Gegensatz zur maschinellen Bearbeitung, bei der Metallblöcke in die gewünschte Form gebracht werden, und zum Formen, bei dem flüssiges Harz in Behälter gegossen wird, die es in seine endgültige Form pressen, erstellt die additive Fertigung von Grund auf anpassbare Designs, indem nur die erforderliche Menge an Materialien hinzugefügt wird .

Additive Fertigung und 3D-Druck werden oft synonym verwendet und häufig fälschlicherweise als Synonyme verwechselt. Dies ist jedoch nicht der Fall.

Während der 3D-Druck, besser bekannt als Materialextrusion, eine Art der additiven Fertigung ist, umfasst nicht jede additive Fertigung 3D-Druck.

Neben dem 3D-Druck gibt es noch andere Produktionsarten, die unter den Begriff der additiven Fertigung fallen, darunter solche, die speziell mit pulverbasierten Materialien bauen oder ihre Produkte mit erhitzten Lasern oder flüssigen Klebstoffen verbinden. (Im Gegensatz dazu bezieht sich 3D-Druck typischerweise auf einen Prozess, bei dem eine Filamentmischung aus einer Düse fließt.)

„Der Begriff ‚3D-Druck‘ ist eine Fehlbezeichnung und wurde in den Anfängen der Technologie als Marketingbegriff entwickelt“, sagte Aditya Chandavarkar, Mitbegründer der Additive Academy, einer Bildungsplattform für additive Fertigung, gegenüber Built In.

„Mit den Fortschritten, die sich jetzt abzeichnen“, fügte er hinzu, „gehen wir vom einfachen Prototyping zur Fertigung mit diesen Technologien über, sodass ‚additive Fertigung‘ ein passenderer Begriff ist.“

Durch die additive Fertigung werden physische Objekte aus einem digitalen Design erstellt. Anhand eines CAD-Modells oder eines Scans eines replizierbaren Motivs übersetzt die Software eine digitale Datei in ein dreidimensionales Gerüst, das das Motiv im Wesentlichen in dünne Schichten zusammenfügt. Nach dem Hochladen folgt eine Fertigungsmaschine dem digitalen Bauplan wie einer Reihe von Anweisungen und baut das Objekt von Grund auf auf.

Abhängig vom konkreten additiven Fertigungsverfahren könnten die nächsten Schritte darin bestehen, eine Filamentmischung aus einer Düse zu extrudieren, die von einem horizontal bewegten Roboterarm geführt wird, wie es beim 3D-Druck der Fall ist. Oder es könnte wie eine Heißluftpistole aussehen, die dünne Aluminiumbleche schweißt, die durch ein Rollensystem geführt werden, wie bei der Herstellung laminierter Gegenstände.

Die Grundidee bleibt jedoch dieselbe: Materialien – die in Form eines Pulvers, einer Flüssigkeit oder eines pastösen Gels vorliegen können – werden in Schichten aufgetragen und dann über eine externe Quelle miteinander verschmolzen. Die Plattform senkt sich vertikal ab und die nächste Schicht wird aufgetragen. Dieser Vorgang wiederholt sich, bis die letzte Schicht aufgetragen und das Design fertiggestellt ist.

Heutzutage wird in der additiven Fertigung alles verwendet, von Polymerverbundwerkstoffen über Metalle, Keramiken, Schäume, Gele bis hin zu lebenden Geweben.

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Beim Binder-Jetting werden Objekte aus pulverförmigen Materialien und einem flüssigen Bindemittel hergestellt. Während Pulverschichten auf einer Bauplattform verteilt werden, bewegen sich die Druckköpfe entlang der X-, Y- und Z-Achse, um eine Klebesubstanz aufzutragen, die alles zusammenklebt – keine Hitze erforderlich. Das Binder Jetting ist schnell in der Umsetzung und eignet sich daher ideal, um Prototypen zum Leben zu erwecken. Es wurde auch zur Herstellung von Gussmodellen, Teilen für die Luft- und Raumfahrt und Schmuck verwendet.

Beispiele: Furan-Bindemittel, Silikat-Bindemittel, Phenol-Bindemittel, Bindemittel auf Wasserbasis

Beim Materialstrahlen werden Objekte tröpfchenweise aufgebaut. Bei diesem Vorgang trägt ein oszillierender Druckkopf präzise Mikroablagerungen auf einer Bauplattform auf. Diese Technik ähnelt einem Tintenstrahldrucker und ist die einzige additive Fertigungsmethode, mit der Harze in einem einzigen Druck gemischt werden können. Zu den Anwendungsfällen gehören Industriewerkzeuge, Prototypen und anatomisch genaue medizinische Modelle.

Beispiele: PolyJet-Drucker, Nanopartikel-Jetting, Drop-on-Demand

Bei der gezielten Energieabscheidung wird eine fokussierte Energiequelle – etwa ein Laser, ein Plasmabogen oder ein Elektronenstrahl – verwendet, die auf einem Roboterarm montiert ist und Materialien während der Abscheidung schmilzt. Die Fähigkeit des mehrachsigen Roboterarms, Materialien in jedem Winkel aufzutragen, bedeutet, dass die gezielte Energieabscheidung auch zur Reparatur oder Wartung vorhandener Teile verwendet werden kann, so die Additive-Manufacturing-Plattform Markforged.

Beispiele:Lasertechnische Netzbildung, gerichtete Lichterzeugung, direkte Metallabscheidung, 3D-Laserbeschichtung

Die Materialextrusion ist vielleicht die bekannteste aller additiven Fertigungsmethoden und wird gemeinhin als 3D-Druck bezeichnet. In einem kontinuierlichen Strom extrudieren Maschinen aufgespultes, aufgeschlämmtes Filament durch eine beheizte Düse, während der Roboterarm, an dem es befestigt ist, die Struktur umreißt. Die Verfestigung der Schichten erfolgt durch Temperaturkontrolle oder den Einsatz eines chemischen Bindemittels. Die Materialextrusion ist bei Bastlern beliebt, da sie benutzerfreundlich ist, keine steile Lernkurve mit sich bringt und nach dem Einstieg relativ kostengünstig ist. Derzeit wird es zum Bau von Häusern, zur Herstellung von Fleisch und zum Bioprint menschlicher Herzen verwendet.

Beispiele: Herstellung von Verbundfilamenten, Herstellung von Schmelzfilamenten, Modellierung von Schmelzablagerungen

Bei der Pulverbettschmelzung werden Pulverschichten durch eine Wärmequelle, typischerweise einen Laser, gesintert oder zusammengefügt. Diese Methode arbeitet im pulvergroßen Maßstab und ist dafür bekannt, hochpräzise Strukturen mit feinen Details und komplizierten Geometrien zu erzeugen. Im Allgemeinen weisen aus Pulverbettinfusion hergestellte Teile eine außergewöhnliche Gewichtsverteilung und Maßgenauigkeit auf, was zu außergewöhnlichen mechanischen Eigenschaften führt, die mit herkömmlichen Herstellungsmethoden nicht realisierbar sind.

Beispiele: Direktes Laserschmelzen von Metallen, direktes Lasersintern von Metallen, Elektronenstrahlschmelzen, selektives Lasersintern, selektives Hitzesintern

Beim Blechlaminieren werden Blechstapel aus verschiedenen Materialien – Papier, Kunststoff oder Metallfolie – durch Schweißen, Hitze, Druck oder eine Art Klebstoff miteinander verbunden. Überschüssiges Baumaterial um das verfestigte Objekt dient als strukturelle Stütze, die schließlich entfernt und für das nächste Projekt wiederverwendet wird.

Beispiele: Additive Ultraschallfertigung, selektive Schichtablagerungen, Herstellung laminierter Objekte

Diese additive Fertigungstechnik nutzt ultraviolettes Licht, um flüssige Polymere in einem als Photopolymerisation bezeichneten Prozess in feste Strukturen umzuwandeln. Das Objekt befindet sich in einem Bottich voller Harz und wird durch Licht ausgehärtet, das durch Spiegel gelenkt und verstärkt wird. Dieser Weg der additiven Fertigung formt präzise, ​​komplexe Teile mit feinen Details und glatten Oberflächen und wird häufig zur Herstellung von chirurgischen Werkzeugen, Hörgeräten und Gesichtsprothesen verwendet.

Beispiele: Stereolithographie, digitale Lichtverarbeitung, Flüssigkristallanzeige

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Der vielleicht größte Vorteil, der der additiven Fertigung zugeschrieben wird, ist ihre unbegrenzte Möglichkeit. Wenn es in einem CAD-Modell entworfen werden kann, kann es gebaut werden. Die heutigen Techniken haben ein Maß an Komplexität bei der Herstellung feiner Details und komplexer geometrischer Formen erreicht, das mit herkömmlichen Methoden zuvor nicht möglich war.

Zu den bisher komplexesten Entwürfen gehören der Aerospike-Motor des KI-Engineering-Startups Hyperganic und ein Paar 3D-gedruckter Lungengerüste, biogedruckt mit 44 Billionen Voxeln, die aus 4.000 Kilometern Lungenkapillaren und 200 Millionen Alveolen bestehen.

Ein großer Vorteil der Kombination eines stark computerisierten Prozesses in Kombination mit absolut präziser Technologie ist die mühelose Personalisierung. Durch die additive Fertigung kann ein Design nahezu exakt reproduziert werden, wodurch Abweichungen zwischen den Chargen und Kosten reduziert werden.

Wenn man ein werkseitig hergestelltes Teil neben seinen 3D-gedruckten Klon stellt, ist es wahrscheinlich, dass letzterer leichter ist. Denn die additive Fertigung ermöglicht es Entwicklern, so viel Material wie möglich zu entfernen, ohne die Funktionsintegrität eines Teils zu beeinträchtigen, und so intelligentere Designs mit optimaler Geometrie zu erstellen. Das leichteste Material, das in diesem Bereich verwendet wird, ist laut dem 3D-Druck-Blog Bitfab Polypropylen mit einem Gewicht von 0,9 Gramm pro Kubikzentimeter. Auch wenn zwei Teile auf den ersten Blick identisch erscheinen und sogar gleich funktionieren, ist die Gewichtsreduzierung in der Automobil- und Luft- und Raumfahrtindustrie von entscheidender Bedeutung.

Sobald ein Benutzer auf „Drucken“ drückt, übernehmen Maschinen und Softwaresysteme den Vorgang. Sie können davon ausgehen, dass ihr Entwurf als Ganzes geliefert wird – es ist kein Zusammenfügen erforderlich und die Anforderungen an die Nachbearbeitung sind minimal. Möglicherweise muss ein Benutzer die Stützstrukturen entfernen, bevor er mit dem Schleifen, Polieren und Lackieren fortfahren kann.

Additive Fertigungsmaschinen bieten On-Demand-Zugriff auf jedes mögliche Design. Für Unternehmen bedeutet dies, Teile nach Bedarf drucken zu können, Engpässe in der Lieferkette zu umgehen oder Ersatzteile für ältere Produkte mit Zugriff auf einen virtuellen Lagerbestand neu zu generieren. Für Entwickler bedeutet dies ein schnelles Prototyping und beschleunigte Produktentwicklungszyklen mit der Möglichkeit, das Design nach und nach zu optimieren.

Während NASA und SpaceX den zukünftigen Einsatz von Druckern für die additive Fertigung im Weltraum erforschen, um Lebensräume auf Himmelskörpern zu schaffen, transportieren Marineflugzeugträger diese Maschinen heute häufig, um bei Bedarf Ersatzteile herzustellen.

„Benutzer können bei Bedarf neuartige Anwendungen und Formfaktoren entwickeln, einschließlich leitfähiger und funktionaler Materialien“, sagte Stevens, CEO von nano3Dprint. „Additive Fertigung wie der 3D-Druck ermöglicht es Anwendern, Ideen innerhalb eines Tages in die Realität umzusetzen.“

Chandavarkar von der Additive Academy beschreibt die additive Fertigung als eine der materialeffizientesten Produktionsmethoden. Per Definition handelt es sich um einen Prozess der Addition. Wenn also ein Projekt beginnt, wird es so eingestellt, dass nur die für die Fertigstellung eines Entwurfs erforderliche Menge an Rohmaterialien verwendet wird. Mit diesem Ansatz ist weniger Abfall verbunden, was langfristig zu einer stärkeren Kreislaufwirtschaft und nachhaltigeren Herstellungsprozessen führt.

Betrachten Sie den End-to-End-Produktionszyklus. Scott Shuppert, CEO des 3D-Modellierungsunternehmens CAD/CAM Services, erklärte, wie sich die branchenweite Einführung additiver Fertigungsverfahren für umweltfreundlichere Verfahren wie die lokale Produktion von Teilen vor Ort eignen und somit den Transportbedarf reduzieren könnte.

„Da für jedes Teil nur die erforderliche Materialmenge verwendet wird“, sagte er, „führt die additive Fertigung auch zu Energieeinsparungen.“

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Heutzutage sind die Kosten der additiven Fertigung nach wie vor zu hoch, um für eine Reihe von Anwendungen als rentabel angesehen zu werden. Nach Angaben des 3D-Druck-, Nachbearbeitungs- und Automatisierungsunternehmens AM Flow ist der Preis für den 3D-Druck immer noch 10 bis 100 Mal höher als für eine Spritzgussalternative. Die anfänglichen Anlaufkosten für Maschinen können zwischen 200 und 500.000 US-Dollar und mehr kosten. Darüber hinaus sind die verwendeten Rohstoffe in vielen Fällen teuer, da sie schwer zu beschaffen sind und je nach Maschine in der richtigen Form, sei es als Filament, Pulver oder pastöses Gel, aufbereitet werden müssen.

Die primären Materialklassen, die in der additiven Fertigung verwendet werden, umfassen nur Polymere, Metalle, Keramik, Verbundwerkstoffe und Sand. Das ist es. Die additive Fertigung steckt im Vergleich zu etablierten Verfahren mit jahrzehntelanger Materialentwicklung noch in den Kinderschuhen, aber das scheint sich zu ändern.

„Die Palette der für die additive Fertigung verfügbaren Materialien wächst rasant, wobei ständig fortschrittliche Verbundwerkstoffe, Aluminium, Titan und verschiedene Poly- und Kohlenstoffmaterialien eingeführt werden“, sagte Shuppert. „Diese Fortschritte werden zur Produktion stärkerer, leichterer und kostengünstigerer Teile beitragen.“

Die größte Herausforderung der additiven Fertigung besteht aus Sicht von Chandavarkar darin, auf Informationen zuzugreifen, die von wichtigen Akteuren in diesem Bereich geheimgehalten werden.

„Es gibt mehr Technologien, die nur deshalb teuer sind, weil sie durch geistige Eigentumsrechte eingeschränkt sind, was zu einem Anstieg der Kapitalaufwendungen bei Investitionen in solche Technologien führt“, sagte er.

Erst wenn die Kosten für Drucker, Rohstoffe und andere lebenswichtige Güter wie Softwareprogramme stabil bleiben, wird die Industrie in der Lage sein, die additive Fertigung in den Mainstream zu integrieren.

Sicherlich wird die additive Fertigung gemeinhin als schnelle Lösung angesehen, mit der ein Projekt mit drei Gebäuden und einer Fläche von 1.851 Quadratmetern in acht Tagen errichtet oder im Handumdrehen ein Prototyp hergestellt werden kann. Dieser Vorteil ist jedoch auf einzelne Projekte beschränkt, die in kleinen Mengen geliefert werden.

„Während sich die additive Fertigung gut für die Prototypenherstellung und die Kleinserienproduktion eignet“, sagte Shuppert, „kann die Skalierung auf die Großserienfertigung aufgrund von Faktoren wie Druckgeschwindigkeit, begrenzter Druckerkapazität und Nachbearbeitungsanforderungen schwierig sein.“

Additive Fertigung ist ein Überbegriff, der sich auf mehrere Arten von Fertigungsmethoden bezieht, darunter auch den als 3D-Druck bekannten Materialextrusionsprozess.

Zu den Arten der additiven Fertigung gehören Binder Jetting, Material Jetting, gerichtete Energieabscheidung, Materialextrusion, Pulverbettinfusion, Blechlaminierung und Küpenpolymerisation.