Additive vs. subtraktive Fertigung: Die Zukunft der Produktion erschließen

Mit additiver Fertigung – wie 3D-Druck – die in der Einführung wächst, insbesondere in Hightech-Branchen wie der Luft- und Raumfahrt, sprechen wir mit Ray Bagley, Director of Product Management bei Spatial, um ein Verständnis für diesen faszinierenden Trend zu entwickeln.

In diesem Interview untersucht Ray, wie subtraktive Fertigung – der Hauptbestandteil von Fertigungsprozessen seit Jahrzehnten – von additiver Fertigung abweicht und was letztere in Bezug auf neue Vorteile und Herausforderungen bietet.

Interviewer: Lassen Sie uns zunächst den Hauptunterschied zwischen additiver und subtraktiver Fertigung klären.

Ray Bagley: Bei subtraktiver Fertigung beginnen Sie mit einem Block Material und entfernen bitweise Material, bis Sie die endgültige Form erreichen. Entfernen kann durch Fräsen, Drehen, Bohren, Erodieren, Schleifen oder Hammer und Meißel erfolgen.

Bei additiver Fertigung beginnen Sie mit nichts und fügen Material bit für bit – nur an den gewünschten Stellen – hinzu, bis Sie die endgültige Form erreichen. Es gibt viele verschiedene additive Technologien, aber typischerweise verwendet eine einzelne Maschine nur eine davon.

Beispiele für subtraktive Fertigung

Interviewer: Könnten Sie konkrete Beispiele für subtraktive Fertigung nennen?

Ray Bagley: Das häufigste Beispiel für subtraktive Fertigung ist die Zerspanung. Eine CNC-Fräsmaschine hat ein Drehwerkzeug und schneidet Metall weg. CNC (Computer Numerical Control) ermöglicht es, dies per Computer zu programmieren, sodass Sie komplexe Formen erstellen und Dinge wiederholbar immer wieder tun können. Fräsen ist der häufigste subtraktive Vorgang.

Drehen mit einer Drehbank, bei der Sie das Teil in ein stationäres Schneidwerkzeug drehen, ist die zweithäufigste Form der subtraktiven Fertigung, während Erodieren und Schleifen zum Entfernen kleinerer Materialmengen verwendet werden. Es gibt viele subtraktive Ansätze und Methoden, aber Fräsen und Drehen sind die häufigsten.

VORTEILE DER ADDITIVEN FERTIGUNG

Interviewer: Was sind die Hauptvorteile, die additive Fertigung bietet, die subtraktive nicht bietet?

Ray Bagley: Bei subtraktiver Fertigung kostet Luft Geld. Das bedeutet, überall dort, wo Material vom ursprünglichen Rohling entfernt werden muss, kostet dies Zykluszeit und damit Geld.

Komplexität ist darauf beschränkt, was entfernt werden kann; es ist ziemlich einfach, Formen zu entwerfen, die mit keiner Kombination subtraktiver Methoden hergestellt werden können.

Bei additiver Fertigung ist Komplexität (und Freiraum) kostenlos, aber Material ist teuer. Organische Formen, innere Durchgänge, Gitterstrukturen und viele andere Formen, die für den Druck geeignet sind, aber nicht zerspant werden können.

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Interviewer: In welchen Situationen ist es sinnvoll, jeweils welche Methode zu verwenden?

Ray Bagley: Additiv ist am besten, wenn Sie ein spärliches Design haben – wie ein Gitter oder Skelett – das ein geringes Verhältnis von Material zum Gesamtvolumen aufweist oder vielleicht Formen, die sehr komplex und schwer oder unmöglich zu zerspanen sind.

Subtraktiv ist besser, wenn die Menge des zu entfernenden Materials vom Rohling relativ gering ist. Ein Block mit ein paar Löchern oder Features ist typischerweise viel günstiger zu fräsen als zu drucken.

Probleme der additiven Fertigung

Interviewer: Welche Hindernisse muss additive Fertigung überwinden, um breiter genutzt zu werden?

Ray Bagley: Vorhersagbarkeit und Kontrolle.

Vorhersagbarkeit

Heute ist es für jemanden schwierig, einen 3D-Drucker zu kaufen und zuverlässig Teile zu drucken. Man muss lernen, wie man Teile richtig für den Druck vorbereitet, Stützstrukturen anwendet, erfolgreich ohne größere Fehler druckt, Nachbearbeitung minimiert und die physikalischen Eigenschaften des Ergebnisses kontrolliert.

Die meisten Menschen durchlaufen eine Menge Experimente oder Fehldrucke, bevor sie neue Designs zuverlässig drucken können. Mehr und mehr dieser Expertise sollte in Software eingebaut werden, was die Zeit bis zur produktiven Nutzung einer neuen Maschine oder eines neuen Prozesses verkürzen und die Produktivität etablierter Maschinen erhöhen würde.

Materialkontrolle

Prozess- und Materialkontrolle ist ein weiterer Punkt. Wenn Sie einen Block Ti-6Al-4V-Titan kaufen und ihn in ein Teil fräsen, werden Sie – mit hohem Vertrauen – wissen, was Sie von den mechanischen Eigenschaften dieses Materials erwarten können.

Aber wenn Sie dasselbe Material in Pulverform kaufen und ein Teil drucken, sind die endgültigen Materialeigenschaften – unter Berücksichtigung der mehrfachen Schmelzzyklen während des Drucks, Porositäten und mehr – drastisch unsicherer.

Die Charakterisierung und Standardisierung all dieser Prozesseinflüsse auf Materialeigenschaften ist der Schlüssel, um additive Fertigung in den Fertigungsmainstream zu bringen.