Basiswissen Additive Fertigung Wissenswertes zur additiven Fertigung

Die additive Fertigung (englisch: "Additive Manufacturing") gewinnt sowohl in der Industrie sowie in der Forschung immer weiter an Bedeutung. Doch häufig herrscht Unklarheit, was genau sich eigentlich hinter der Bezeichnung verbirgt. Dieser Artikel gibt eine Einführung darüber, was additive Fertigung eigentlich ist, wie sie funktioniert und wo sie eingesetzt wird.

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Die additive Fertigung nimmt in der Fertigungsbranche eine zunehmend wichtigere Funktion ein. Vor allem im Werkzeugbau und im Prototypenbau werden Verfahren der additiven Fertigung eingesetzt.

Additive Fertigung: Definition und Erklärung des Prinzips

Der Einsatz von additiven Fertigungsverfahren nimmt in der Fertigung immer mehr zu. Vor allem im Werkzeugbau (Rapid Tooling), in der Fertigung von Endprodukten (Rapid Manufacturing) sowie in der Prototypenfertigung (Rapid Prototyping) findet dieses Fertigungsverfahren seinen Einsatz.

Wo kann die additive Fertigung in den Fertigungstechnologien eingeordnet werden? Die Fertigungstechnologien ruhen generell auf drei Säulen:

• Subtraktive Verfahren (etwas wird weggenommen): Fräsen, drehen, etc.

• Formative Verfahren (ein Werkstoff wird umgestaltet): Giessen, schmieden, etc.

• Additive Verfahren (etwas wird hinzugegeben): 3D-Druck, etc.

Additive Fertigung beschreibt also Verfahren, bei denen das zu errichtende Teil durch das Hinzufügen von Werkstoff errichtet wird. Dabei wird in Schichten gebaut. Dies bedeutet zweierlei:

1. Das Bauteil wird aus verschiedenen Schichten aufgebaut. In der Regel wird dabei von unten nach oben gearbeitet. Vereinfacht gesagt kommt dabei das identische Prinzip wie beim Bau von Sandburgen zum Einsatz: Auf eine Basis wird eine neue Schicht gelegt, um einen Turm zu errichten.

2. Verschiedene Prozesse laufen dabei schichtweise (d.h. nacheinander) immer wieder ab. Dabei handelt es sich um das Hinzuführen des Werkstoffs, das Schmelzen (in Form bringen) und schliesslich die Verbindung mit den vorherigen Schichten. Diese Arbeitsschritte, die Prozesskette genannt werden, sind für alle Maschinen, mit denen die additive Fertigung durchgeführt werden kann, gleich. Unterschiede gibt es lediglich in der Frage, wie die einzelnen Schichten erzeugt werden.

Die additive Fertigung gestattet es also, 3D-Objekte zu errichten. Damit dies möglich wird, benötigt die Maschine zuvor die 3D-Konstruktionsdaten ("dreidimensionaler CAD") des zu erzeugenden Teils. Der jeweilige Datensatz besteht aus den Konturdaten (Länge x, Höhe y), der Schichtenzahl (z) sowie der Schichtendicke (dz). Es ist die Aufgabe des zugehörigen Computerprogramms, das Modell in passende Schichten zu zerlegen. Die Software übermittelt den Datensatz dann als Fertigungsanweisungen an die Maschine, beispielsweise den Printer für einen 3D-Metalldruck.

Automatisierung

Additive Fertigung – Work in Progress

Additive Fertigung in Abgrenzung zum 3D-Druck

Definitionen für 3D-Druck klingen sehr ähnlich wie die obigen Erläuterungen über die additive Fertigung. Trotzdem ist es nicht korrekt, 3D-Druck als Synonym zu verwenden. Vielmehr ist der 3D-Druck ein Verfahren des Additive Manufacturing. Dies gilt deshalb auch für den 3D-Metalldruck als eine Form des 3D-Drucks mit flüssigem Metall. Es existieren allerdings mehr als 20 unterschiedliche additive Fertigungstechnologien. Deshalb gilt folgende einfache Faustregel: Beispielsweise der 3D-Metalldruck, der oft als Oberbegriff für Additive Manufacturing eingesetzt wird, ist so zwar immer additive Fertigung. Hingegen ist additive Fertigung aber nicht immer 3D-Metalldruck. Es ist mehr: Es handelt sich um die Summe aller additiven Technologien.

Funktionsweise der additive Fertigung

Die additive Fertigung setzt praktisch immer ein Pulverbett ein. Dies bedeutet, dass ein Werkstoff in Pulverform in ein Bett einfliesst und hier weiterbearbeitet wird. Beim 3D-Metalldruck wird beispielsweise ein Metall (bzw. mehrere Metalle) auf Pulverdichte reduziert und fliesst anschliessend ein, um hier neu aufgebaut zu werden. Unterschieden werden gängig vier Methoden, wie aus dem Pulver die Schichten erzeugt werden.

1. Selektives Lasersintern (SLS): Beim Sintern werden Werkstoffe unter Druck erhitzt, nicht allerdings so stark, dass sie schmelzen würden. Der Laser ermöglicht es dabei, dreidimensionale Geometrien durch Hinterschneidungen zu erzeugen. Eingesetzt werden in der Regel CO2- oder Faserlaser.

2. Selektives Laserschmelzen (SLM): Das Pulver wird durch einen hochenergetischen Faserlaser erhitzt und kaltet anschliessend aus. Die Kontur der Bauteile wird durch gezielte Ablenkung der Laserstrahlen ermöglicht. SLM kommt immer häufiger als SLS zum Einsatz. Dadurch, dass nicht mit Druck gearbeitet werden, weisen die Objekte grundsätzlich eine höhere Festigkeit auf und sind deshalb zuverlässiger. Hierzulande kommt das Verfahren vor allem in der Energieerzeugung sowie im beim Bau von Werkzeugen zum Einsatz. Dieses Verfahren ist für den 3D-Metalldruck häufig im Einsatz.

3. Elektronikstrahlschmelzen (EMD/ EBM): Im Prinzip ähnelt das Verfahren dem SLM. Allerdings kommt dieses Mal ein Elektronenstrahl und kein Laserstrahl zum Einsatz. Der gesamte Vorgang läuft in einem Vakuum ab. EMD ist schneller als SLM, allerdings weniger präzise und hat ein geringeres maximales Druckvolumen. EMD-Maschinen kommen durchschnittlich auf 350mm (Durchmesser) x 380mm (Höhe). SLM-Maschinen liegen doppelt so hoch. EMD eignet sich als additive Fertigung vor allem deshalb, wenn Kleinteile in Masse gefertigt werden sollen. Auch dieses Verfahren ist für den 3D-Metalldruck oft im Einsatz.

4. Pulverdruck (Binder Jetting): Das Pulver wird durch den Tintenstrahldruck eines Bindemittels zu einer Schicht aufgebaut. Der Vorzug dieses Verfahrens ist die Möglichkeit, sehr einfach in unterschiedlichen Farben zu bauen.

Weitere Fertigungsverfahren

Diese vier Möglichkeiten des Additive Manufacturing können durch weitere Verfahren ergänzt oder ersetzt werden. Dies gilt beispielsweise für:

- Stereolithografie: Dies ist für die additive Fertigung der Klassiker. Das Verfahren wurde bereits 1983 von Chuck Hull entwickelt. Das Objekt befindet sich in einem Flüssigbad aus Photopolymer, in das es nach und nach immer weiter abgesenkt wird. Es wird dabei von einem Laser bearbeitet.

- Fused Layer Modelling (FLM): Dies ist das Verfahren, nach dem 3D-Druck (mit Kunststoffen) in der Regel stattfindet. Es handelt sich um ein spezielles Extrusionsverfahren, bei dem das Material so aus einer Düse "ausgepresst" wird, dass nach dem Abkühlen in Form ist. Die Extrusion findet wie üblich in Schichten statt. In der Auto- oder in der Elektronikindustrie ergänzt FLM beispielsweise häufig SLM-Objekte. 3D-Metalldruck kann zum Biepsiel durch FLM ergänzt werden.

Additive Fertigung in der Praxis: Die unterschiedlichen Anwendungsformen

Die Anwendungsgebiete, für welche die Verfahren der additiven Fertigung in Frage kommen, lassen sich nach drei Kategorien einteilen. Häufig werden diese fälschlich mit den Technologien gleichgesetzt:

1. Rapid Prototyping: Die additive Fertigung wird eingesetzt, um den schnellen Bau eines Modells zu ermöglichen. In der Entwicklung eines Produkts sollte es bereits früh physikalische Modelle geben. Diese werden besonders zuverlässig durch das Rapid Prototyping ermöglicht.

2. Rapid Tooling: Es handelt sich um einen "raschen Werkzeugbau". Üblicherweise werden hierzulande vor allem Kleinserienwerkzeuge für den Spritzguss und den Metallguss durch die 3D-Metalldruck hergestellt.

3. Rapid Manufacturing: Hier geht es um die zügige Fertigung von Objekten, die als Endprodukte oder Komponenten eingesetzt werden. Anders als beim Rapid Prototyping werden also keine Modelle erzeugt,sondern direkt einsatzfähige Teile. Insbesondere in der Medizin und im Dentalbereich ist diese Anwendung häufig. Durch die additive Fertigung entstehen beispielsweise Brücken oder Implantate.

Qualitätssicherung beim Additive Manucfacturing

Damit die additive Fertigung allgemein und der 3D-Metalldruck speziell eine gesicherte Qualität aufweisen, kommen verschiedene Normen zum Einsatz. Dabei handelt es sich um ISO/ ASTM 52901 - 52903-3, 52910, 52195 und 52921. Diese Regeln die gesamte Prozesskette. Im deutschsprachigen Raum dürfte es bald zusätzliche DIN-Vorschriften gegeben, hat das Deutsche Institut für Normung doch Ende September 2018 die Gründung eines Fachbeirats für additive Fertigung bekanntgegeben.

Zusätzlich zu den bestehenden ISO-Normen sollen Richtlinien zur Rechtsentwicklung und zu den finanziellen Rahmenbedingungen erlassen werden. Für die Schweiz beteiligt sich die SAMG Swiss Additive Manufacturing Group (Zusammenschluss von Firmen, die auf additive Fertigung vertrauen) im Europäischen Dachverband CECIMO an den Standardisierungsdiskussionen, um die Qualitätssicherung in der additiven Fertigung und insbesondere im 3D-Metalldruck voranzutreiben.

Vor- und Nachteile der additiven Fertigung

Vorteile:

- Individualisierung: Objekte ganz Wunsch können hergestellt werden. Umsetzbar sind beispielsweise unterschiedlich dicke Wandflächen, sehr feine Strukturen oder sehr kleine Grössen. Insbesondere in der Medizintechnik ist die Individualisierung von Vorteil. Beispielsweise können Instrumente ganz nach den Vorstellungen eines Chirurgen erzeugt werden.

- Grössere Designmöglichkeiten: Auch komplexe Geometrien lassen sich beispielsweise durch 3D-Metalldruck umsetzen, die durch andere Fertigungsverfahren nicht realisierbar wären. Dies gilt beispielsweise für Hohlräume, Hinterschnitte, Kanäle mit Bögen oder Überhänge. Früher galt, dass das Design eines Objekts den Einschränkungen der Fertigungsmöglichkeiten gehorchen musste. Durch die additive Fertigung entfällt dieser Zwang weitgehend. Gerade für den 3D-Metalldruck ist dies ein grosser Vorteil.

- Geschwindigkeit: Die additive Fertigung eines Objekts nimmt in der Regel einige Stunden in Anspruch. Wird mit anderen Fertigungsarten gearbeitet, verstreichen Tage oder Wochen.

- Verzicht auf Werkzeuge und ohne Formen: Hilfsmittel neben der Maschine werden nicht benötigt.

3D-Metalldruck

5 Tipps für das Konstruieren in der Additiven Fertigung

Nachteile:

- Zwang zur Nachbearbeitung: Muss bei einem Objekt eine bestimmte Oberflächengüte eingehalten werden, besteht ein Zwang zur Nachbearbeitung. Gleiches gilt in der Regel, wenn bestimmte Toleranzgrössen eingehalten werden sollen. Hierfür existiert noch keine Norm (ISO/ ASTM 52195 könnte allerdings in die entsprechende Richtung fortentwickelt werden). Gerade beim 3D-Metalldruck kann die Nachbearbeitung ausgesprochen aufwendig werden.

- Kaum geeignet für industrielle Massenfertigung: Beispielsweise der 3D-Metalldruck gestattet es in der Regel, maximal zwei Objekte in einer Maschine zur selben Zeit zu fertigen. Konventionelle Fertigungsmethoden erlauben hingegen die Produktion sehr viel grösserer Stückzahlen. Für die industrielle Massenfertigung ist die additive Fertigung deshalb nur bedingt geeignet. Das beste Beispiel hierfür ist die Autoproduktion: Theoretisch könnte ein ganzes Fahrzeug durch Additive Manufacturing erzeugt werden. Dies wäre durch die zahlreichen Komponenten jedoch deutlich zu aufwendig. Deshalb entstehen die meisten Bauteile weiterhin durch konventionelle Fertigungsarten.

Die Frage nach den Kosten

Bemerkenswert ist, dass die Experten im Bereich des Additive Manufacturing die Kosten sowohl als Vor- wie auch als Nachteile auflisten. Die Maschinen kosten 17.000 CHF bis zu 120.000 CHF. Im Vergleich mit sonstigen Maschinen ist dies günstig. Dies gilt auch dann noch, wenn die Kosten für den Unterhalt einbezogen werden. Gerade in der Medizintechnik besitzt die additive Fertigung deshalb einen Kostenvorteil.

Anders sieht es in der Industrie aus. Hier ergänzt beispielsweise der 3D-Metalldruck konventionelle Fertigungsanlagen. Vollständig ersetzen können sie diese jedoch nicht. Die additive Fertigung verursacht hier zusätzliche Kosten.

Basiswissen

Additive Fertigung –  eine erste Bestandsaufnahme

Additive Fertigung in der Schweiz

Die School of Engineering der ZHAW hat aufgelistet, wie die additive Fertigung hierzulande bereits eingesetzt wird. Sie kooperiert hierfür mit der Industrie sowie mit Forschungsinstituten:

• Maschinenbau

• Komponenten für Luft- und Raumfahrt

• Werkzeug- und Formenbau

• Medizintechnik (beispielsweise Implantate als Knochenersatz, Mediziner üben aber beispielsweise

• auch Eingriffe an speziell erzeugten Objekten)

• Produktentwicklung und Produkttestung

In der Swissmem Fachgruppen SAMG (Swiss Additive Manufacturing Group) sind derzeit ca. 40 Unternehmen vertreten. Dies schliesst einige Forschungseinrichtungen wie die ZHAW oder die FH Nordwestschweiz ein.

Die wichtigste Messe für die additive Fertigung ist hierzulande Additive Manufacturing Expo (AMX) in Luzern. Sie wird jedes Jahr Mitte März abgehalten und dauert eine Woche.

Blick in die Zukunft

Die additive Fertigung hat nach allgemeiner Ansicht eine grosse Zukunft vor sich. Die SAMG brachte es so auf den Punkt: Die tatsächliche Entwicklung des Additive Manufacturing hat die Vorhersagen der Studien aus den vergangenen Jahren bereits übertroffen. Der 3D-Metalldruck wird im Maschinen- und im Werkzeugbau dabei stark an Bedeutung zunehmen, sind beispielsweise renommierte Forschungseinrichtungen wie die ETH Zürich überzeugt. Das Ziel sei es, dass die additive Fertigung schnell und präzise genug wird, um sich für die Serienproduktion zu eignen. Derzeit konkurrieren die Möglichkeiten der additiven Fertigung noch immer mit den CNC-gesteuerten Maschinen, die für die Serienfertigung noch überlegen sind. Das Langzeitziel ist, dass zumindest der 3D-Metalldruck für komplexe Objekte hier vorbeiziehen kann. <<

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