Was ist additive Fertigung?
Additive Fertigung (Additive Manufacturing, AM) oder Additive Layer Manufacturing (ALM) produziert dreidimensionale Objekte aus einer digitalen Datei. Dieses Verfahren wird auch als 3D-Druck bezeichnet. Dabei werden Materialien wie Kunststoffe, Metalle, Keramiken oder Verbundwerkstoffe nacheinander übereinander geschichtet, um ein Objekt herzustellen. Der Prozess beginnt mit einer CAD-Datei (Computer-Aided Design), die Anweisungen enthält, die der Drucker befolgen muss. Der Drucker baut das Objekt dann Schicht für Schicht auf, bis es vollständig ist.
Verschiedene Branchen nutzen die additive Fertigung, darunter die Luft- und Raumfahrt, die Automobilindustrie, die Medizintechnik und die Konsumgüterindustrie. Sie hat die Art und Weise, wie Produkte entworfen und hergestellt werden, revolutioniert und ermöglicht schnellere Produktionszeiten und eine effizientere Nutzung von Materialien. Darüber hinaus kann die additive Fertigung mit herkömmlichen Fertigungsmethoden komplexe Geometrien erzeugen, die sonst unmöglich zu produzieren wären.
Vorteile
Erzeugt komplexe Geometrien
Durch diese Technologie können Ingenieure Teile herstellen, deren Herstellung sonst nicht möglich wäre. Eins der Beispiele für die additive Fertigung in diesem Kontext wäre das direkte Hinzufügen komplexer Komponenten zum Design, wie etwa konforme Kühlkanäle. Durch moderne Techniken wie den 3D-Druck können viele Elemente, die früher zusammengebaut und geschweißt werden mussten, jetzt in einem Stück hergestellt werden, was zu einer höheren Festigkeit und Haltbarkeit führt. Innovative Technologien haben eine Reihe von bisher ungenutzten Designmöglichkeiten eröffnet und die traditionellen Grenzen maschineller Designs durchbrochen.
Spart Zeit
Rapid Prototyping ist mit additiver Fertigung möglich. Darüber hinaus ermöglichen die in die Maschine eingefügten 3D-CAD-Dateien Kosteneffizienz und mühelose Änderungen während der Produktion mit wenig oder gar keiner Störung.
Spart Gewicht
Indem sie organische Formen und Muster in ihre Entwürfe einbeziehen, können Designer das Gewicht reduzieren, ohne die Festigkeit und Stabilität zu beeinträchtigen.
Additive Fertigung vs. Konventionelle Fertigung
Die additive Fertigung ist im Vergleich zu konventionellen Fertigungsmethoden eine relativ neue Technologie. Obwohl es bei beiden Verfahren um die Erstellung dreidimensionaler Objekte geht, gibt es doch einige wichtige Unterschiede zwischen ihnen.
Bei der konventionellen Fertigung werden die Materialien in die gewünschte Form geschnitten oder geformt. Dieser Prozess ist oft zeitaufwändig und erfordert spezielle Werkzeuge und Maschinen. Außerdem kann es schwierig sein, komplexe Geometrien mit herkömmlichen Methoden herzustellen.
Die additive Fertigung hingegen ist ein viel schnellerer Prozess und kann problemlos komplexe Geometrien erzeugen. Außerdem wird weniger Material benötigt als bei der konventionellen Herstellung, sodass sie kostengünstiger ist. Darüber hinaus ermöglicht die additive Fertigung eine stärkere Individualisierung von Produkten, da jede Schicht auf die spezifischen Bedürfnisse des Kunden zugeschnitten werden kann.
Branchen und Anwendungen
Luft- und Raumfahrt
Durch den Einsatz der additiven Fertigung ist es möglich, Kosten und Produktionszeiten zu senken und die Masse der Komponenten an Bord von Flugzeugen zu verringern.
Automobilindustrie
Bei der additiven Fertigung in der Automobilindustrie werden keine Werkzeuge mehr benötigt, was zu einer Senkung der Entwicklungs- und Herstellungskosten führt. Durch den wiederholbaren Prozess entstehen Komponenten, die direkt in Serienfahrzeuge eingebaut werden können.
Medizin
In der medizinischen Industrie wird der 3D-Druck häufig für personalisierte Implantate, Modelle und Anleitungen verwendet. Auch Zahnärzte nutzen diese Technologie für die Erstellung von Schienen, kieferorthopädischen Geräten, Modellen und Bohrschablonen. Außerdem experimentieren Forscher mit additiver Fertigung, um künstliche Gewebe und Organe zu entwickeln.
Industrielle Fertigung
Die Produktion jedes beliebigen Produkts auf Anfrage ist mit der additiven Fertigung möglich, wodurch die Design- und Markteinführungszeit verkürzt werden kann. Sie erhöht die Produktivität bei kontrollierter Kostenstruktur und fester Vorlaufzeit.
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Verschiedene Technologien der additiven Fertigung
Elektronenstrahlschmelzen (Electron Beam Melting, EBM) und Direktes Metall-Laserschmelzen (Direct Metal Laser Melting, DMLM)
Beim DMLM- und EBM-Verfahren werden die Materialien vollständig geschmolzen. Im ersten Fall schmilzt ein Laser jede Schicht des Pulvers, während im zweiten Fall Elektronenstrahlen diese Aufgabe übernehmen. Diese Methoden eignen sich für die Konstruktion von dichten, nicht durchlässigen Objekten.
Binder Jet
Binder Jetting ist eine Fertigungstechnik, bei der ein flüssiges Bindemittel dünne Schichten von Pulver, sei es Metall, Sand, Keramik oder Verbundwerkstoffe, entsprechend einer digitalen Designdatei aufträgt. Bei diesem Verfahren der additiven Fertigung entstehen maßgeschneiderte Teile und Werkzeuge.
Sintern
Das Sintern ist ein Verfahren, das in der additiven Fertigung eingesetzt wird. Dabei wird einem Material wie Metall- oder Kunststoffpulver Wärme zugeführt, um ein festes Objekt zu erzeugen, ohne es zu verflüssigen. Dieser Prozess ähnelt dem 2D-Fotokopieren, bei dem die Hitze den Toner schmilzt und ein Bild auf dem Papier erzeugt.
Lasersintern
Beim Direkten Metall-Lasersintern (DMLS) wird ein Laser eingesetzt, um Metallpartikel zu verbinden und hochdetaillierte Objekte mit der gewünschten Oberflächenqualität und den erforderlichen mechanischen Eigenschaften herzustellen. In ähnlicher Weise nutzt das Selektive Lasersintern (SLS) die Hitze eines Lasers, um thermoplastische Pulver zu härten und starke Verbindungen zwischen den Partikeln herzustellen.
Stereolithographie
Der Stereolithographie-Druck (SLA) nutzt die laserinduzierte Photopolymerisation zur Herstellung von Keramikobjekten. Das lichthärtende Harz ist robust und kann selbst den härtesten Bedingungen standhalten.
Verschiedene Materialien für die additive Fertigung
- Metalle – Von Gold und Silber bis hin zu Edelstahl und Titan, bei der additiven Fertigung werden verschiedene Metalle und Metalllegierungen verwendet.
- Keramiken – Zirkoniumdioxid, Aluminiumoxid und Tricalciumphosphat können in der additiven Fertigung verwendet werden. Außerdem entstehen durch das Einbrennen von Schichten aus Glaspulver und Klebstoff einzigartige Glasprodukte.
- Thermoplastische Kunststoffe – Die beliebtesten Materialien, die in der additiven Fertigung verwendet werden, sind Thermoplaste wie Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS), Polymilchsäure (PLA), Polycarbonat (PC) und Polyvinylalkohol (PVA) (wobei PVA hauptsächlich als Träger dient).
- Biochemikalien – Für biochemische Vorgänge im Gesundheitswesen werden Silizium, Kalziumphosphat und Zink zur Verstärkung von Knochen eingesetzt, während die Forschung die Verwendung von Stammzellen zur Herstellung von Blutgefäßen, Blasen und vielem mehr untersucht.
Verschiedene Additive Fertigungsverfahren, Übersicht
Pulverbettfusion
Die PBF-Technologie, bei der Laser sowie Elektronenstrahlen und thermische Druckköpfe verwendet werden, wird in verschiedenen 3D-Druckverfahren eingesetzt, wie beim Direkten Metall-Lasersintern (DMLS),Selektiven Lasersintern (SLS), Selektiven Wärmesintern (SHS), Elektronenstrahlschmelzen (EBM) und beim Direkten Metall-Laserschmelzen (DMLM). Dabei werden extrem dünne Materialschichten geschmolzen oder teilweise geschmolzen, bevor das überschüssige Pulver, das das Objekt umgibt, entfernt wird.
Binder Jetting
Binder Jetting ist ein 3D-Druckverfahren, bei dem ein Industriedrucker eine Bindeflüssigkeit auf dünne Schichten von Metall-, Sand-, Keramik- oder Verbundstoffpartikeln aufträgt. So werden individuelle Teile und Werkzeuge nach einer digitalen Designkarte erstellt, Schicht für Schicht, bis das Objekt fertig ist.
Direkte Energiedeposition
Die Direkte Energiedeposition (DED) ist ein Verfahren, das der Materialextrusion ähnelt, jedoch mit einer größeren Bandbreite an Substanzen wie Kunststoffen, Keramik und Metallen. Dabei wird eine Elektronenstrahlkanone oder ein Laser auf einem Roboterarm montiert, um Draht, Filamentmaterial oder Pulver zu erhitzen.
Materialextrusion
Bei dieser weit verbreiteten additiven Fertigungstechnik werden die auf einer Spule aufgewickelten Polymere durch eine heiße Düse geführt, die an einem beweglichen Arm befestigt ist. Der Mechanismus des Arms ist so beschaffen, dass er sich horizontal bewegen kann, während das Bett auf und ab fährt, sodass geschmolzenes Material Schicht für Schicht aufgebaut werden kann.. Temperaturregulierung oder chemische Bindemittel sorgen dafür, dass jede Schicht korrekt an der vorherigen haftet.
Material-Jetting
Beim 3D-Druck mit Material-Jetting wird ein Druckkopf verwendet, der sich entlang der x-, y- und z-Achse bewegt, ähnlich wie bei einem Tintenstrahldrucker. Kühlung oder Ultraviolettes Licht (UV) härtet die Schichten dann aus.
Schichtlaminierung
Es gibt zwei Verfahren zur Schichtlaminierung: Laminated Object Manufacturing (LOM) und Ultrasonic Additive Manufacturing (UAM). LOM basiert auf abwechselnden Schichten aus Papier und Klebstoff, während UAM dünne Metallplatten fusioniert mithilfe von Ultraschallschweißen. LOM eignet sich gut für die Herstellung von Modellen, die ideal für die visuelle Darstellung oder die Ästhetik sind. UAM ist ein Verfahren, das wenig Energie und niedrige Temperaturen benötigt und auf verschiedenen Metallen wie Titan, Edelstahl und Aluminium angewendet werden kann.
VAT-Polymerisation
Die VAT-Photopolymerisation ist ein Verfahren, das die Herstellung von Objekten mit flüssigem Harz und UV-Licht ermöglicht, das dann mit Spiegeln gelenkt wird.
Gefahren im Zusammenhang mit der additiven Fertigung
Die von der additiven Fertigung ausgehenden Risiken hängen von der Technologie und den verwendeten Materialien ab. Hier sind einige potenzielle Gefahren:
- Das Einatmen von pulverförmigen Materialien, Lösungsmitteln und Chemikalien, die bei der Extrusion von Thermoplasten oder beim Dampfpolieren freigesetzt werden, kann vorkommen
- Der Kontakt mit gefährlichen Stoffen über die Haut ist möglich, vor allem in Pulver- oder Flüssigform
- Der Umgang mit brennbaren Flüssigkeiten und Pulvern kann zu einer Brand- oder Explosionsgefahr führen
- Tätigkeiten wie die Wartung von Maschinen, das Verladen von Materialien und die Handhabung von Produkten können potenziell zu mechanischen oder ergonomischen Belastungen und Verletzungen führen
- Bestimmte Technologien und ihre Umgebungen können unterschiedliche Risiken mit sich bringen
Häufig gestellte Fragen zur additiven Fertigung
Im Vergleich zu anderen Herstellungsverfahren haben additive Verfahren viele Vorteile. Sie ermöglichen eine schnellere und kostengünstigere Produktion von Prototypen und Endverbrauchsteilen mit einer einfacheren Implementierung als die Prozesse traditioneller Herstellungsverfahren, die viele Ressourcen erfordern und teuer sind.
Bei der additiven Fertigung wird der 3D-Druck als Teil eines umfassenden industriellen Produktionssystems eingesetzt, das auch andere Aktivitäten, wie den Druck-Arbeitsablauf, umfasst. Sie unterscheidet sich vom 3D-Druck, der nur einen kleinen Teil des gesamten Prozesses umfasst.
Die additive Fertigung reduziert den Abfall, da weniger Material benötigt wird, was sie zu einer nachhaltigeren Form der Produktion macht. Darüber hinaus kann die Verwendung von recycelten Materialien und biologisch abbaubaren Stoffen die Umweltbelastung weiter verringern.
Außerdem ist die additive Fertigung energieeffizienter als herkömmliche Fertigungsmethoden, da sie komplexe Teile in weniger Schritten herstellen kann.
Die additive Fertigung wird wahrscheinlich die wichtigste Methode der Massenproduktion werden. Diese neue Technologie bietet insbesondere bei Polymeren ein vollautomatisches und digitales Verfahren, mit dem hochwertige Materialien effizient und kostengünstig hergestellt werden können, sodass es die traditionellen Ansätze für die Herstellung hoher Stückzahlen ablösen kann.
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