Additive Fertigung & 3D-Druck erklärt: Wesentliche Einblicke & Anwendungen

Es gibt viel Verwirrung darüber, was die Begriffe additive Fertigung und 3D-Druck bedeuten.

Und das ist kaum überraschend. Schließlich beziehen sich beide Begriffe auf sehr ähnliche Prozesse.

Sowohl additive Fertigung als auch 3D-Druck beschreiben einen Prozess, bei dem Objekte durch schichtweises Aufbauen dünner Materialschichten erstellt werden.

In diesem Artikel erklären wir genau, was additive Fertigung und 3D-Druck sind, wie sie zueinander in Beziehung stehen und wofür sie verwendet werden.

Wofür wird additive Fertigung im 3D-Druck verwendet?

In der traditionellen Fertigung werden Teile oft aus größeren Materialblöcken bearbeitet. Mit anderen Worten: Material wird vom Ausgangsblock abgetragen, um das Teil zu formen. Natürlich verursacht dies viel Abfall. Wenn Sie jemals ein Video eines Zerspaners gesehen haben, der einen massiven Metall- oder Holzblock in ein fertiges Teil verwandelt, waren Sie wahrscheinlich von der schieren Menge an verschwendetem Material beeindruckt.

Im Gegensatz dazu werden bei der additiven Fertigung Teile durch schichtweises Aufbauen von Materialschichten zum fertigen Teil geformt. Wie funktioniert das? Das hängt vom Typ der additiven Fertigung ab.

Laut der American Society for Testing and Materials (ASTM) gibt es sieben Kategorien der additiven Fertigung:

1. Vat-Photopolymerisation – Objekte werden aus Schichten flüssigen Photopolymerharzes konstruiert, das mit Ultraviolettlicht ausgehärtet wird.
2. Pulverbettfusion – Objekte werden aus Schichten von Materialpulver konstruiert und mit Hitze oder einem leistungsstarken Laser geschmolzen (oder „verschmolzen“). Gängige Techniken umfassen Selective Laser Sintering (SLS).
3. Material Jetting – Jede Schicht eines Objekts wird mit einem Druckkopf konstruiert, der Tröpfchen eines flüssigen Materials auf eine Bauoberfläche ablegt, wo sie schnell erstarren. Nach Abschluss wird jede Schicht mit Ultraviolettlicht ausgehärtet.
4. Schichtlaminierung – Objekte werden aus Blechen oder Bändern aus Metall konstruiert, die durch Ultraschallschweißen verbunden werden. Schichtlaminierung ist keine rein additive Technik, da überschüssiges Material üblicherweise mit traditionellen Fertigungstechniken wie CNC-Bearbeitung entfernt werden muss.
5. Materialextrusion – Material wird durch eine Düse gezogen, wo es erhitzt und schichtweise auf einer Bauplattform abgelagert wird. In diesem Fall ist kein zusätzlicher Aushärtungsprozess erforderlich, da jede Schicht in geschmolzenem Zustand abgelegt wird.
6. Directed Energy Deposition – DED umfasst eine Reihe komplexer additiver Fertigungstechniken, die zur Reparatur oder zum Hinzufügen von Material zu bestehenden Komponenten verwendet werden. In den meisten Implementierungen wird geschmolzenes Material durch eine Düse auf die Zieloberfläche aufgebracht, wo es erstarrt. Das Prinzip ähnelt der Materialextrusion, mit dem Unterschied, dass die Düse sich in mehrere Richtungen bewegen können muss, um unterschiedlich geformte Zieloberflächen zu berücksichtigen.
7. Binder Jetting – auch bekannt als 3D-Druck.

Da dieser Artikel speziell auf 3D-Druck für additive Fertigung fokussiert ist, betrachten wir diesen Punkt genauer.

Wie läuft der additive Fertigungs- (3D-Druck-) Prozess ab?

3D-Druck verwendet zwei Materialien:

1. Ein pulverbasiertes Material, meist Kunststoff, Metall oder Keramik, und
2. Ein Bindemittel, das als Klebstoff zwischen den Pulverschichten fungiert. Die meisten Bindemittel liegen in flüssiger Form vor.

Der Begriff 3D-Druck kommt von der visuellen Ähnlichkeit von Binder Jetting zum 2D-Druck. In einem Standard-Tintenstrahldrucker bewegt sich ein Druckkopf horizontal entlang der X- und Y-Achsen, um Tintentröpfchen auf ein Blatt Papier abzulagern.

Ähnlich wird zum Aufbau eines Objekts mit 3D-Druck der Druckkopf horizontal entlang der X- und Y-Achsen der Maschine bewegt und legt abwechselnd Schichten des Baumaterials und des Bindematerials ab. Nach Abschluss jeder Schicht wird die Bauplattform, die das Objekt hält, bruchteilhaft abgesenkt, um die nächste Schicht drucken zu lassen.

Je nach Größe des zu druckenden Objekts können Hunderte, Tausende oder sogar Zehntausende dieser Schichten erforderlich sein. Um eine Vorstellung vom Prozess zu bekommen, schauen Sie sich dieses Time-lapse-Video eines 3D-gedruckten Eiffelturm-Modells an.

Bedeutung von Software für additive Fertigung und 3D-Druck

Alle additiven Fertigungstechniken, einschließlich 3D-Druck, basieren auf digitalen Designtechniken wie Computer-Aided Design (CAD). Tatsächlich ist der gesamte Zweck des 3D-Drucks, digitale Designs in reale Objekte zu verwandeln.

Früher nutzten Ingenieure CAD-Software in Kombination mit rigorosen Simulationsmodellierungstechniken, um Objekte zu entwerfen, die in der realen Welt robust und effektiv wären. Aber es gab ein Problem. Traditionelle Fertigungstechniken wie CNC-Bearbeitung und Spritzguss haben bestimmte Einschränkungen, die die Herstellung dieser ansonsten „perfekten“ Objekte unmöglich machen.

Hier kommt die harmonische Beziehung zwischen CAD und 3D-Druck ins Spiel. Einer der wichtigsten Vorteile des 3D-Drucks ist, dass er digitale Designs in der realen Welt produzieren lässt ohne die Einschränkungen traditioneller Fertigungstechniken.

CAD und 3D-Druck ermöglichen es, Fertigung designgetrieben zu gestalten, während historisch der Designprozess durch das bestimmt wurde, was mit konventionellen Fertigungstechniken möglich war. Dies gibt Ingenieuren weit mehr Designfreiheit als je zuvor und hat enorme Durchbrüche in einer Reihe von Branchen ermöglicht.

Während die meisten kommerziellen CAD-Softwareprodukte ein Modul für additive Fertigung eingeführt haben, ist der Bau Ihrer eigenen benutzerdefinierten CAD-Anwendung für additive Fertigung mit 3D-SDKs von Spatial ganz einfach. Besuchen Sie www.spatial.com, um mehr zu erfahren.

Erfahren Sie mehr über den Unterschied zwischen additiver Fertigung und 3D-Druck

1. Die 7 Haupttypen der additiven Fertigung
2. 6 medizinische Durchbrüche durch 3D-Druck
3. Wie man CAD im additiven Fertigungsprozess voll ausschöpft

Vorteile von 3D-Druck additiver Fertigung gegenüber traditionellen Fertigungstechniken

Natürlich ist Designfreiheit nicht der einzige Vorteil, den 3D-Druck gegenüber traditionellen Fertigungstechniken hat. Zu den weiteren wichtigsten Vorteilen gehören:

• Komplexe, aber leichte Strukturen mit additiven Fertigungs- und 3D-Druckmaterialien herstellen.

Wir haben bereits festgestellt, dass 3D-Druck es ermöglicht, Objekte zu bauen, die mit traditionellen Techniken nicht gebaut werden können. Es ist jedoch auch erwähnenswert, dass hochkomplexe Teile in einem einzigen Stück gebaut werden können, da sie schichtweise aufgebaut werden. Gleichzeitig können dank der Vielfalt verfügbarer Materialien sogar komplexe 3D-gedruckte Teile sowohl leicht als auch hochfest sein.

• Es ist günstiger für Einzelanfertigungen.

Einer der großen Vorteile des 3D-Drucks ist, dass er keine Formen oder speziellen Montagevorrichtungen erfordert. Daher können kleine Chargen von Einzelstücken einfach und zu viel geringeren Kosten produziert werden.

• Weniger Abfall.

Wie bereits erwähnt, ist 3D-Druck eine additive Fertigungstechnik, während viele traditionelle Techniken Material entfernen. Allein dieser Fakt bedeutet, dass 3D-Druck weit weniger Abfall erzeugt als andere gängige Fertigungstechniken.

• Schnellere Time-to-Market.

Ganz einfach: Keine andere Technik ermöglicht es Herstellern, Objekte so schnell zu entwerfen und zu bauen wie 3D-Druck. Dies ist besonders wertvoll beim Bau und Test von Prototypen. Aus diesem Grund ist 3D-Druck zum Synonym für eine seiner häufigsten Anwendungen geworden: Rapid Prototyping.

3D-Druck für additive Fertigung zum Bau schneller Prototypen

Rapid Prototyping ist schlicht die schnelle Produktion eines physischen Objekts, Teils oder Modells.

Jede Fertigungstechnik kann für Rapid Prototyping genutzt werden, von traditionellen Fertigungstechniken wie CNC-Bearbeitung bis hin zu moderneren Techniken wie 3D-Schweißen. Aus offensichtlichen Gründen werden jedoch additive Technologien wie 3D-Druck am häufigsten verwendet.

Wie der Name schon sagt, wird Rapid Prototyping hauptsächlich verwendet, um eine Reihe von Prototypen zu bauen, die schnell getestet und verworfen werden können, bis das beste Design gefunden ist. Dieser iterative Ansatz für Design und Fertigung war schon immer beliebt und wurde mit der Weiterentwicklung additiver Fertigungsprozesse nur noch effektiver.

Rapid Prototyping hat drei deutliche Vorteile für Hersteller, wenn es mit 3D-Druck kombiniert wird:

• Es ist hochkosteneffektiv. Der Großteil des Prozesses ist automatisiert, sodass nur wenige Mitarbeiter benötigt werden. Gleiches gilt für Materialien und Fertigungsprozesse, die günstiger einzurichten sind als bei alternativen Fertigungstechniken.

• Geschwindigkeit. Rapid Prototyping hilft Herstellern, Designs schneller als je zuvor zu produzieren und zu verwerfen, aus jeder Iteration zu lernen und sich dem Endprodukt immer weiter anzunähern. Dies führt zu einer schnelleren Time-to-Market (TTM), die oft ein erheblicher Wettbewerbsvorteil ist.

• Reduziertes Risiko. Fehler in der Fertigung können extrem kostspielig sein. Aufgrund der geringen Kosten und des geringen Zeitaufwands für die Produktion zusätzlicher Prototypen reduziert Rapid Prototyping das Risiko kostspieliger Fehler in der Massenproduktionsphase drastisch.

Wofür wird 3D-Druck verwendet?

An diesem Punkt hat sich abgesehen von der Fertigung der größte Hype und die mediale Aufmerksamkeit für 3D-Druck auf seine Verbraucheranwendungen konzentriert. Es ist unbestreitbar „cool“, dass jeder mit einem Laptop und unter tausend Dollar fast jedes Objekt entwerfen und bauen kann, das er sich vorstellen kann.

Der wahre Wert des 3D-Drucks liegt jedoch in seinen kommerziellen Anwendungen. Zu den Top-Branchen, die 3D-Druck nutzen, gehören:

Luftfahrt und Raumfahrt – 3D-Druck bietet offensichtliche Vorteile für die Luftfahrtindustrie. Besonders hervorzuheben ist, dass er Luftfahrtunternehmen ermöglicht, Prototypen schnell und kostengünstig zu bauen, während starke, leichte Materialien verwendet werden. Derzeit wird 3D-Druck verwendet, um alles von internen Ausstattungsgegenständen wie Sitzrückentischen und Kopfstützen bis hin zu Triebwerkskomponenten und Bewaffnung herzustellen.

Mit der Entwicklung immer größerer 3D-Drucker können wir in naher Zukunft erwarten, dass noch mehr Komponenten mit 3D-Druck gebaut werden – vielleicht sogar ein ganzes Flugzeugtriebwerk.

Gesundheitswesen – In der Vergangenheit war die Verfügbarkeit von Implantaten und Prothesen ein erhebliches und kostspieliges Hindernis für die Patientenversorgung. Seit mehreren Jahren wird 3D-Druck jedoch in der Entwicklung einer Vielzahl von chirurgischen Schneideführungen, Prothesen und sogar patientenspezifischen Implantaten eingesetzt.

Mit der Weiterentwicklung von Materialien konnte die Branche 3D-Druck nutzen, um zunehmend leichte, starke und sichere Produkte herzustellen, während Durchlaufzeiten und Kosten gesenkt wurden.

Automobilindustrie – Seit mehreren Jahrzehnten nutzt die Automobilindustrie 3D-Druck und andere additive Fertigungstechniken zur Herstellung von Prototypen. Anfangs war dies die einzige tragfähige Verwendung für 3D-Druck in der Automobilindustrie, da die verfügbaren Materialien nicht ausreichend robust für den realen Einsatz waren.

Doch mit der Weiterentwicklung der Materialien hat 3D-Druck eine größere Rolle in der Branche eingenommen. Heute wird die Technik routinemäßig zur Herstellung einer Vielzahl von Formen, Thermoformwerkzeugen, Griffen, Lehren und Vorrichtungen eingesetzt, die während der Fertigung benötigt werden. Mit anderen Worten: 3D-Druck wird verwendet, um andere Fertigungstechniken zu ergänzen.

Aber das ist noch nicht alles. 3D-Druck ist auch unschätzbar für die Herstellung von kundenspezifischen Teilen wie Karosserieschalen und internen Komponenten, die zur Anpassung spezifischer Fahrzeuge verwendet werden.

Architektur – Die Architekturbranche verlässt sich auf Maßstabsmodelle, um Kunden und Investoren zu zeigen, wie ein Projekt nach Fertigstellung aussehen wird. Diese Modelle wurden historisch von Hand gebaut und erforderten oft Hunderte von Arbeitsstunden. Natürlich hat 3D-Druck alles verändert.

Da Architekturprojekte bereits mit Computersoftware entworfen werden, sind sie natürliche Kandidaten für 3D-Druck. Jetzt kann eine CAD-Datei, sobald sie fertiggestellt ist, direkt an den Drucker gesendet werden, was eine enorme Zeitersparnis bedeutet und eine genaue Modellreplik garantiert.

Was kommt als Nächstes für 3D-Druck und additive Fertigung?

Bisher war die breite kommerzielle Einführung auf Branchen beschränkt, die bereits für ihren technologischen Vorsprung bekannt sind – insbesondere Fertigung, Luftfahrt, Automobil und Gesundheitswesen.

Doch da Hardware und Materialien ständig besser werden, besteht kein Zweifel, dass 3D-Druck in den kommenden Jahren weiter wachsen wird.

Von 3D-gedruckten Häusern bis hin zu Autos – es wird nicht lange dauern, bis fast alles, was wir täglich nutzen, mit dieser scheinbar futuristischen Technik gebaut werden kann.