Additive Fertigung bezeichnet ein generatives Fertigungsverfahren, bei dem verschiedene Werkstoffe schichtweise miteinander verbunden werden, um ein dreidimensionales Objekt herzustellen.
Inhaltsverzeichnis
- Wie funktioniert die Additive Fertigung?
- Welche additiven Fertigungsverfahren gibt es?
- Ein Überblick und Klassifikation verschiedener additiver Fertigungsverfahren?
- Gibt es einen Unterschied zwischen 3D-Druck und additiver Fertigung?
- Vorteile der additiven Fertigung
- Nachteile der additiven Fertigung
- Welche Branchen profitieren von der additiven Fertigung?
- Welche Technologie setzt voxeljet für die additive Fertigung ein?
- Welche Kosten bringt die additive Fertigung mit sich?
Wie funktioniert die Additive Fertigung?
Die Basis für die additive Fertigung stellen CAD (Computer Aided Design) Daten dar. Aus diesen digitalen Baupläne generieren 3D-Drucker dann Bauteile.
Dafür schneiden meisten 3D-Drucker oder additiven Fertigungssysteme das CAD-Modell virtuell in hauchdünne Schichten bzw. Querschnitte („slicing“). Anschließend beginnt der Druckprozess bei dem das Bauteil durch das schichweise Aneinanderfügen von Werkstoffen in allen drei Raumrichtungen, hergestellt wird.
Anders als beim Fräsen, wo Material von einem festen Block abgetragen wird (subtraktiv), wird bei der additiven Fertigung Schicht für Schicht Material aufgetragen und der Stoffzusammenhalt über eine chemische (bspw. kleben) oder physikalische Reaktion (bspw. schmelzen) ausgelöst.
Welche Additiven Fertigungsverfahren gibt es?
Eine Vielzahl von Herstellern bietet unterschiedlichste 3D-Druckverfahren für unterschiedlichste 3D-Druckmaterialien an: Selektives Lasersintering (SLS), Stereolithographie, Fused Deposition Modeling (FDB) oder Binder Jetting sind nur ein paar wenige der aktuell bekannten 3D-Drucktechnologien. Hierbei werden durch Lasersintern, UV-Aushärten, Aufschmelzen oder Verkleben metallische oder polymerbasierte Pulvermaterialien, flüssige Harze, Filamente oder Sande Schicht für Schicht miteinander verbunden.
Ein Überblick über die Verfahren und die Klassifikationen nach Fügeverfahren und Materialien:
| 3D-Druckverfahren | Materialien | Fügeverfahren |
|---|---|---|
| Binder Jetting Technologie | Metall, organische Materialien (Kunststoffe), anorganische Materialien (Keramik, Sand, Gips) | Polymerisation |
| Fused Deposition Modeling | Organische Materialien (Kunststoffe) | Aufschmelzen / Erstarren |
| Stereolithographie | Organische Materialien (Kunststoffe) | Polymerisation |
| Selektives Lasersintern | Metall, organische Materialien (Kunststoffe), anorganische Materialien (Keramik, Sand, Gips) | Sintern / Schmelzen |
| Selektives Laserschmelzen | Metall | Sintern / Schmelzen |
| Contour Crafting | Beton | Hydraulische Abbindung |
Gibt es einen Unterschied zwischen 3D-Druck und additiver Fertigung?
Wenn man es ganz genau nehmen möchte, könnte man den Begriff 3D-Druck in einem Detail von dem Oberbegriff der Additiven Fertigung abgrenzen. Beim Binder Jetting werden – wie auch beim Tintenstrahldrucker im Büro – piezoelektrische Druckköpfe eingesetzt. Durch elektrische Spannung verformen sich im Druckmodul verbaute Piezokristalle, was einen Druckstoß erzeugt. In Folge kann die Binder-Flüssigkeit piktolitergenau ins Pulverbett eingetragen werden.
Welche Vorteile bietet die additive Fertigung?
Die größten Vorteile der additiven Fertigung liegen in der Produktionsgeschwindigkeit und reduzierten Produktionskosten, der herstellbaren Bauteilkomplexität und in der 3D-Druck-On-Demand-Produktion von Ersatz- und Einzelteilen.
Time to Market beschleunigen
Der 3D-Druck arbeitet werkzeuglos. Somit entfallen zeitaufwändige Schritte in der Wertschöpfungskette wie bspw. der Modell- und Werkzeugbau. Das gewünschte Bauteil lässt sich mehr oder weniger auf Knopfdruck produzieren und kann in Stunden oder Tagen einsatzbereit zur Verfügung stehen. Das stellt besonders bei Prototypen oder kleinen und mittleren Seriengrößen einen kostenwirtschaftlichen Vorteil dar.
Kosten optimieren
Ersatzteillager benötigten viel Platz sind für Unternehmen oft eine hohe Kostenbelastung. Statt solcher physischen Lagerhallen können Unternehmen zukünftig Ersatzteile digital lagern und auf Abruf in einen lokalen 3D-Drucker einspeisen, um das Ersatzteil genau dann zu produzieren, wenn es benötigt wird. Somit lassen sich Gemeinkosten und Lagerraum einsparen.
In jedem Maßstab produzieren
Ein weiterer Nutzen ist die geometrische Freiheit des 3D-Drucks. Der schichtweise Aufbau erlaubt es, selbst hochkomplexe Strukturen und Bauteilgeometrien zu realisieren, die sich mit herkömmlichen Fertigungsverfahren wie bspw. dem Fräsen nicht herstellen lassen. Besonders zum Tragen kommt das bspw. bei Leichtbauprojekten oder Topologieoptimierungen.
Haben Additive Fertigungsverfahren auch Nachteile?
Es ist nicht alles Gold was glänzt und wie jede Technologie birgt auch die additive Fertigung ein paar Nachteile:
Viele 3D-Drucktechnologien verarbeiten Pulver. So haben finale Bauteile stets eine raue Oberfläche, die – je nach Anwendungsfall – nachbearbeitet werden muss.
Die Bauvolumina der 3D-Drucker variieren je nach Technologie stark und sind meist deutlich kleiner als bei vergleichbaren nicht additiven Fertigungsverfahren.
Die additive Fertigung verfügt noch über eine beschränkte Materialauswahl, deren Eigenschaften sich je nach 3D-Druckverfahren ebenfalls unterscheiden.
Welche Branchen profitieren von der additiven Fertigung?
Industriell findet der 3D-Druck schon seit Jahrzehnten in den verschiedensten Branchen Anwendung. Wir von voxeljet haben uns auf die Gießereiindustrie spezialisiert. Mit ihr sind – im Rahmen einer vertikalen Wertschöpfungskette – viele Branchen und Industrien verbunden. Die Automobilindustrie und die Luft- und Raumfahrtindustrie bspw. setzen den 3D-Druck vor allem bei der Produktentwicklung ein. Schiff- und Pumpenhersteller nutzen die Additive Fertigung vor allem für die Produktion von Ersatzteilen.
Aber auch die Architektur oder die Film- und Entertainmentindustrie finden immer mehr Anwendungen für den 3D-Druck. Beispiele sind die Herstellung komplexer Schalungselemente für den Betonguss mit 3D-Druck oder die 3D-Modell- und Requisitenproduktion. Seit neustem werden auch in der Sport- und Freizeitbranche vermehrt Produkte wie Sneaker im 3D-Druckverfahren hergestellt – insbesondere Schuhsolen.
Welche Technologien setzt voxeljet für die additive Fertigung ein?
Bei zuvor genannte Binder Jetting Technologie kommt auch bei uns zum Einsatz.
Dabei wird ein pulverförmiges Material, bspw. Sand oder Kunststoff, auf der absenkbaren Bauplattform, der sogenannten Jobbox, aufgetragen. Die Schichtstärke variiert dabei je nach Material zwischen 100 und 300 µm. Zum Vergleich: Ein menschliches Haar hat einen durchschnittlichen Durchmesser von 100 µm.
Nach dem Schichtauftrag fährt ein industrieller Druckkopf über das Pulverfeld und trägt einen flüssigen Binder in diejenigen Bereiche des Pulvers ein, die dem ersten digitalen Schnitt des Bauteils entsprechen. Der Binder verklebt das Material an diesen Stellen, während das Pulver drumherum lose bleibt.
Nun senkt sich die Bauplattform um genau eine Schichtstärke, und es wird erneut Pulver aufgetragen und verklebt. Diese Prozessschritte wiederholen sich, bis die gesamte Jobbox gefüllt ist. Anschließend können die gedruckten Bauteile aus dem Pulverbett entpackt und von überschüssigem, unverdrucktem Pulvermaterial befreit werden.
Welche Kosten bringt die additive Fertigung mit sich und wann lohnt er sich?
Hier gilt es zwischen dem Bezug von On-Demand-Dienstleistungen und der Implementierung von eigener 3D-Druck-Hardware zu unterscheiden.
Für ersteres ist die Kostenstruktur weitesgehend simpel. So setzen sich die Kosten für 3D-gedruckte Teile aus den üblichen Kostenarten zusammen. Darunter fallen Material-, Personal- und Fertigungskosten und die Gemeinkosten wie Abschreibungen, Zinsen, Verwaltungskosten etc.
Soll ein eigener 3D-Drucker installiert werden variieren die Kosten für solche Anlagen je nach 3D-Druckverfahren sehr stark. Kleinere FDM oder SLA Anlagen sind bereits für niedrige drei- oder vierstellige Beträge erhältlich. Geht es um große, industrietaugliche Maschinen können auch sechs- bis siebenstellige Summen auftreten. Wichtig ist bei einer solchen Investition stets die Betrachtung der Gesamtkosten (Total Costs of Ownership). Diese Beschreiben alle direkten und indirekten Kosten. Für die Produktion eines einzelnen Bauteils werden dafür die gesamten Kosten der Wertschöpfungskette vom Design über die Produktion und Lagerung bis zur Auslieferung oder Entsorgung betrachtet. So eine TCO-Betrachtung ist zwar äußerst aufwändig, eignet sich aber besonders für die Gegenüberstellung von Fertigungstechnologien und hilft bei der Investitionsentscheidung.
Wann sich der 3D-Druck lohnt ist stets interindividuell zu begutachten. In der Regel sind Stückzahl und Lieferzeiten entscheidende Faktoren. So lohnt sich der 3D-Druck durch den Wegfall von Modell- und Werkzeugbau insbesondere für Prototypen und kleine bis mittlere Seriengrößen. Je höher die benötigte Stückzahl jedoch ist, wird es wirtschaftlicher in ein Werkzeug zu produzieren und durch die Skaleneffekte die Stückkosten zu senken.
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