Additive Fertigung spielt eine immer bedeutendere Rolle in der Industrie und Automatisierungstechnik. Der Artikel beschreibt die wichtigsten Verfahren, Funktionsweisen und Anwendungen.
Additive Fertigung (Additive Manufacturing) – allgemein auch als 3D-Druck bekannt – ist ein innovatives Fertigungsverfahren, das sich grundlegend von herkömmlichen Herstellungsprozessen unterscheidet und der Industrie völlig neue Möglichkeiten bietet.
Anders als bei bisher bekannten Fertigungsverfahren werden Bauteile bei der Additiven Fertigung Schicht für Schicht aufgebaut und entstehen nicht – wie beispielsweise bei der fräsenden Bearbeitung – durch Abtragen von Material. Der Prozess basiert also auf digitalen 3D-Konstruktionen und das Bauteil entsteht durch das Ablagern von Materialien für die Additive Fertigung wie Metallen, Kunststoffen und Verbundwerkstoffen. Dadurch bietet das Verfahren viel Flexibilität und Designfreiheit – sowohl bei der Fertigung von Prototypen wie auch in der Serienfertigung.
Additive Manufacturing wird für das Rapid Prototyping, also die Herstellung von Anschauungs- und Funktionsprototypen, das Rapid Manufacturing, also die Fertigung von Endprodukten, und für das Rapid Tooling, das Herstellen von Werkzeugen und Formen, eingesetzt.
Vor allem im industriellen Bereich gibt es vielfältige und zum Teil sehr unterschiedliche Verfahren und Anwendungen, für die sich das Verfahren der Additiven Fertigung sehr gut eignet. Dabei gehören zur Additiven Fertigung auch Methoden, die mit dem 3D-Druck nur wenig zu tun haben. So basiert das Laserstrahlschmelzen nicht auf schrittweisem Materialaufbau, sondern auf der langsamen Verschmelzung von Pulver. Und auch die Anwendungsgebiete unterscheiden sich: So geht es beim Rapid Prototyping darum, schnell Modelle, meist ohne hohe Anforderungen, herzustellen. Rapid Tooling dagegen dient der Herstellung hochspezialisierter Werkzeuge, die extremen mechanischen Anforderungen standhalten müssen.
Die Additive Fertigung und sogenannte subtraktive Verfahren bezeichnen zwei grundsätzlich verschiedene Herangehensweisen, wenn es um das Herstellen eines Werkstücks geht. So wird das Bauteil bei der subtraktiven Methode durch die Abtragung, also das Wegnehmen von Material hergestellt. Aufgrund der im Rahmen des Abtragens entstehenden Späne wird diese Herstellungsart auch "Zerspanen" genannt.
Dahingegen trägt man bei der Additiven Fertigung nach dem sogenannten Schichtbauprinzip schichtweise Material auf. Mit dieser Methode ergeben sich kaum Designbeschränkungen und man kann äußerst komplexe Strukturen umsetzen. Ein besonderer Effekt des Schichtaufbaus sind die "Treppenstufeneffekte". Diese äußern sich in kleinen Abständen zwischen den einzelnen Schichten und sind typisch für viele additive Verfahren. Der Effekt kann durch eine geringere Schichtdicke reduziert, aber nicht vollständig vermieden werden.
Die am häufigsten eingesetzten Verfahren der Additiven Fertigung sind Polymer- beziehungsweise Kunststoffdruck und Metalldruck. Innerhalb beider Druckverfahren gibt es zahlreiche spezialisierte additive Verfahren. Hinzu kommen Herstellungsverfahren, die die Vorteile additiver und subtraktiver Techniken verbinden. Man spricht von sogenannten Hybridverfahren.
Weitere wichtige 3D-Druckverfahren sind folgende:
Ihren Anfang nahmen die Additive Fertigung beziehungsweise der 3D-Druck in den 1980er Jahren. Während das Konzept des 3D-Drucks schon in den 1970er Jahren entstand, lassen sich die ersten praktischen Versuche ins Jahr 1981 zurückverfolgen. Auf den Markt kam das erste 3D-Konstruktionsprogramm 1985, im Jahr darauf meldeten die Erfinder das erste Patent an. Käuflich erwerblich war der erste 3D-Drucker ab 1988.
Ebenfalls 1988 wurde das Fused Layer Modeling erfunden, drei Jahre später kam die erste Modeling-Anlage auf den Markt. Nach Einführung verschiedener Technologen sind Fused-Layer-Modeling-Drucker für Privatanwender seit 2010 erhältlich. Parallel dazu entwickelte sich aus dem schon lange genutzten Siebdruck das 3D-Siebdruckverfahren.
In einigen Bereichen wird die Additive Fertigung bereits seit längerem gewinnbringend eingesetzt:
Rapid Prototyping: Der Begriff bezeichnet die schnelle, unkomplizierte Herstellung von Prototypen und die Additiven Techniken, mit denen man schnell und günstig ein dreidimensionales Modell eines Bauteils herstellen kann. Es handelt sich um eine der ausgereiftesten Anwendungen im Bereich Additive Fertigung.
Rapid Tooling: Dieser Begriff bezeichnet die Herstellung von Maschinen- oder Fertigungswerkzeugem mittels Additiver Fertigung. Da diese Art von Werkzeugbau meist weniger komplex und zeitaufwändig sowie günstiger ist, greifen Hersteller gerne auf additiv hergestellte Werkzeuge zurück. Weitere Vorteile sind die große Konstruktionsfreiheit, die Funktionsintegration und die schnellen Fertigungsprozesse. So lassen sich Produktionszeiten und Prozessketten verkürzen beziehungsweise beschleunigen und man verbraucht weniger Material.
Rapid und Direct Manufacturing: Hierbei handelt es sich um Verfahren, mittels derer man additive Produkte direkt aus den CAD-Daten produziert. Der Fokus bei beiden Anwendungen liegt auf der schnellen Umsetzung der Bauteile. Da keine Werkzeuge oder andere Hilfsmittel nötig sind, sind Rapid und Direct Manufacturing oft sehr viel schneller als andere Verfahren. Der Einsatz beider Verfahren ist sinnvoll, wenn man ein Teil in kleiner Auflage produzieren will und/oder dieses eine spezielle Geometrie hat, die sich mit anderen Methoden nicht oder nur schwer realisieren ließe. Der Fall ist dies zum Beispiel bei der Fertigung von Industrieersatzteilen.
Rapid Repair: Dieses Verfahren bezieht sich auf die Reparatur von kaputtem Werkzeug oder anderen Gegenständen. Das abgenutzte Tool muss dann nicht gleich entsorgt werden, sondern kann durch Additive Fertigung schnell neu aufgebaut werden.
Gestaltungsfreiheit: Mithilfe der Additiven Fertigung lassen sich schier unendlich viele und komplexe Formen fertigen. Viele Einschränkungen der klassischen Fertigungsverfahren entfallen. Bei der Prototypen Herstellung lassen sich die Kosten mit 3D-gedruckten Modellen häufig deutlich senken.
Individualisierung: Einheitsprodukte gehören mit der Additiven Fertigung der Vergangenheit an. So lassen sich individuelle Lösungen für Bauteile oder Werkzeuge verwirklichen und die jeweiligen Bedürfnisse und Anforderungen stehen im Mittelpunkt des Prozesses. So existieren inzwischen additiv gefertigte Herzklappen, die sich optimal an die persönlichen Anforderungen des Patienten anpassen lassen.
Geschwindigkeit: Viele Prozessschritte klassischer Fertigungsverfahren, die bislang Tage oder Wochen benötigten, werden dank der Additiven Fertigung nicht mehr benötigt. Zudem sind auch kurzfristige Korrekturen kein Problem.
Kostenersparnis: In der Regel verringern sich die Herstellungskosten mit der Additiven Fertigung spürbar. Der Grund sind die schnellere Produktion, verkürzte Prozessketten und der geringe Materialverbrauch.
Die Nachteile der Additiven Fertigung liegen vor allem im Post Processing beziehungsweise der Nachbearbeitung der hergestellten Teile. So müssen Bauteile, die durch Additive Fertigung entstanden sind, aufwändig nachbearbeitet werden, um die gewünschte Oberfläche zu erhalten.
Zudem sind additiv gefertigte Bauteile zwar gut für kleine Serien, aber nur begrenzt für die Massenfertigung (keine Individualisierungsoptionen) geeignet. Im Vergleich zu herkömmlichen Verfahren brauchen sie immer noch zu lange für die Herstellung von Teilen. Als Fertigungsmethode sind sie daher in der Massenproduktion eher unwirtschaftlich. Ein Beispiel ist der Fahrzeugbau: Theoretisch wäre es möglich, ein komplettes Fahrzeug durch Additive Manufacturing herzustellen. Aufgrund der vielen Komponenten wäre dies aber viel zu aufwändig.
Auch fehlendes Know-How in Unternehmen ist ein Problem. So gibt rund die Hälfte aller Unternehmen an, dass fehlendes Wissen in Design und Umsetzung sie von der Einführung additiver Prozesse abhält. Ein Grund hierfür ist, dass Fachkräfte sich während der Ausbildung überwiegend mit herkömmlichen Herstellungsmethoden beschäftigen und weniger mit der Additiven Fertigung.
Häufig lassen auch die hohen Investitions- und Betriebskosten Pläne zur Einführung additiver Verfahren scheitern. So gibt die Mehrheit der Unternehmen, die keine additiven Verfahren nutzen an, die mit ihr verbundenen Kosten zu scheuen. Tatsächlich sind die Anschaffungskosten für die Maschinen und das weitere Material recht hoch.
Die Begriffe Additive Fertigung und 3D-Druck werden immer häufiger als Synonyme verwendet. Bei der Additiven Fertigung handelt es sich um ein professionelles Fertigungsverfahren, das einige Unterschiede zu konventionellen Produktionsverfahren hat. So werden Bauteile bei der Additiven Fertigung Schicht für Schicht aufgebaut (Schichtbauprinzip), während bei herkömmlichen Verfahren Material abgetragen wird.
Die Vorteile der Additiven Fertigung liegen in ihrer Geschwindigkeit und Gestaltungsfreiheit, den Individualisierungsoptionen sowie den damit einhergehenden Kostenersparnissen. Häufig lassen sich Unternehmen aber von der Einführung additiver Verfahren abschrecken, weil ihnen die Anschaffungskosten zu hoch erscheinen oder die Mitarbeiter über nicht ausreichendes Know-how zur Additiven Herstellung verfügen. Außerdem müssen durch Additive Fertigung entstandene Bauteile meist noch nachbearbeitet werden.
Aufgrund der vielen Vorteile birgt die Additive Fertigung für viele Branchen enormes Potenzial. Sie kann herkömmliche Verfahren nicht nur optimal ergänzen, sondern könnte sie zukünftig sogar komplett verdrängen.
