Direktfertigung (Direct Manufacturing): Die Wissenschaft hinter 3D-Druck

Direktfertigung (DM – Direct Manufacturing) – auch bekannt als additive oder Rapid Manufacturing – ist ein Prozess, der ein festes, dreidimensionales (3D) Objekt aus Flüssigkeit oder Pulver erzeugt. Dies kann durch Bestrahlung des Materials mit einem Laser oder einem anderen Strahl – wie einem Elektronenstrahl – oder durch Leitung in geschmolzener Form durch extrem schmale Düsen geschehen. Digitalisierte Designs, wie sie in CAD-Programmen (Computer-Aided Design) erstellt werden, werden in einen Computer eingespeist, der den Prozess steuert und das Endprodukt erstellt.

3D-Druck als Analogie

Direktfertigung kann vereinfacht als „3D-Druck“ charakterisiert werden. Der Vorgang ähnelt dem eines klassischen Tintenstrahldruckers, funktioniert aber in drei Dimensionen. Wie beim traditionellen Druck wird, sobald das Design in den Computer eingegeben ist, der Rest des Prozesses ohne menschliche Interaktion abgewickelt.

Zwei Hauptkategorien

Die Arten der Direktfertigung lassen sich in zwei Hauptkategorien unterteilen: solche, bei denen geschmolzenes Material aufgetragen wird, und solche, bei denen Materialschichten bearbeitet werden. Im ersten Fall wird geschmolzenes Material – meist Kunststoff – durch Düsen extrudiert, die nicht viel breiter sind als ein menschliches Haar. Die Filamente werden schichtweise gemäß der CAD-Zeichnung abgelegt, wobei eine typische Schicht 0,0127 mm (0,005 Zoll) dick misst.

Im Fall von bearbeitetem Material wird eine dünne Pulverschicht aufgetragen, meist durch eine Walze. Dann wird eine Schicht der CAD-Zeichnung mit einem Laser oder einem anderen Energiestrahl in das Pulver geätzt. Die Pulverpartikel verschmelzen entlang des Strahlpfads und bilden eine einzelne Schicht der Zeichnung. Der Prozess wird wiederholt, bis das Objekt fertiggestellt ist.

Anwendungsbereiche und Wirtschaftlichkeit

Spezial- oder limitierte Fertigungsartikel sind oft am besten für Direktfertigung geeignet – wie Prototypen oder Teile für Raumfahrt oder Militärflugzeuge mit ungewöhnlicher Geometrie. Bei der Herstellung von Endverbraucherartikeln behaupten einige Unternehmen, die mit DM-Methoden arbeiten, dass der Prozess wettbewerbsfähig mit traditioneller Zerspanung und Spritzguss ist. Bei der Entscheidung zwischen DM und einem anderen Fertigungsverfahren sollten Fertigungsvolumen, Designkomplexität und Änderungswahrscheinlichkeit berücksichtigt werden.

Wegen der prohibitiven Kosten von Formen und zerspanen Teilen für traditionelle Fertigung kann Direktfertigung gut für kurze oder unsichere Produktionsläufe geeignet sein. Sie kann für andere Produkte genutzt werden, sobald der geplante Lauf beendet ist. Bei sehr komplexen Designs kann DM Einzelstücke erzeugen, die mit den meisten anderen Fertigungsmethoden schwierig oder gar unmöglich herzustellen wären.