Entdecken Sie die 7 wichtigsten additiven Fertigungstechnologien

Unter additiver Fertigung versteht man den Prozess der Herstellung eines Teils durch schrittweisen Aufbau durch Zugabe von Material. Dieses Material kann Metall, Keramik, Kunststoff, Photopolymer oder sogar Lebensmittel sein! ISO/ASTM hat alle verschiedenen Arten additiver Fertigungstechnologien in sieben Kategorien eingeteilt.

In diesem Artikel wird beschrieben, wie jede dieser Arten von additiven Fertigungsverfahren funktioniert und welche Einsatzmöglichkeiten, Vorteile und Unterschiede sie haben.

1. Binder Jetting

Von Xometry mittels Binder-Jetting hergestelltes Edelstahlteil.

Binder Jetting ist eine pulverbettbasierte additive Fertigungstechnologie, bei der Teile durch selektives Auftragen eines Bindemittels auf eine dünne Schicht aus pulverförmigem Material hergestellt werden. Der Prozess beginnt damit, dass der Drucker eine gleichmäßige Pulverschicht, typischerweise Kunststoff, Metall, Sand oder Keramik, auf die Bauplattform aufträgt. Mithilfe einer Nachbeschichtungsklinge wird sichergestellt, dass eine präzise Pulverschicht auf der Bauplattform verteilt wird. Dies geschieht in der Regel durch die Nachbeschichtungsklinge, die Material aus einem Pulvervorratsbehälter neben dem Druckbereich überträgt. Das Material im Vorratsbehälter wird angehoben und die Nachbeschichtungsklinge fegt das Pulver aus dem Vorratsbehälter in der erforderlichen Schichthöhe über die Bauplattform. Anschließend bewegt sich ein Tintenstrahlkopf über das Pulver und verteilt ein Bindemittel in der Form des Teilequerschnitts für die aktuelle Schicht auf dem Pulver. Bei vollfarbigen Kunststoffteilen enthält das Bindemittel auch einen Farbstoff, um mehrfarbige Teile zu erzeugen.

Anschließend fährt das Druckbett um eine Schichthöhe nach unten. Die Nachbeschichtungsklinge verteilt eine weitere Pulverschicht auf der vorherigen und der Prozess wird fortgesetzt. Beim Binder-Jetting von Metallen muss das Teil nach dem Drucken gesintert werden, um Porosität zu beseitigen und die mechanische Festigkeit zu verbessern. Alternativ kann dem Primärmaterial ein Metallpulver mit niedriger Schmelztemperatur wie Bronze beigemischt werden. Wenn das gedruckte Teil erhitzt wird, schmilzt die Bronze und füllt die Räume zwischen den primären Metalllegierungspulverpartikeln.

Tabelle 1 unten zeigt die typischen Materialien, Anwendungen und Vorteile des Binder Jetting:

Tabelle 1. Zusammenfassung des Binder Jetting

Materialien Anwendungen Vorteile

Materialien

• Sand
• Kunststoffe (PMMA, ABS, PA, PC)
• Keramik
• Metall (Edelstahl, Titanlegierungen)

Anwendungen

• Sandgussformen
• Mehrfarbige Prototypen
• Günstige Metallteile im Vergleich zu anderen Metalldruckverfahren

Vorteile

• Große Build-Volumina
• Mehrfarbige Teile
• Keine Stützen erforderlich
• Nicht verwendetes Pulver ist recycelbar
• Mehr Kunststoffe verfügbar

2. Pulverbettfusion (PBF)

Unter Pulverbettfusion (PBF) versteht man eine Reihe additiver Fertigungstechnologien, die Pulver mithilfe einer leistungsstarken, fokussierten Energiequelle verschmelzen. Die Energiequelle kann ein Laser (SLM oder DMLS) oder ein Elektronenstrahl (EBM) sein. Mit PBF können sowohl Metall- als auch Kunststoffpulver verwendet werden. Der Prozess funktioniert, indem zunächst eine dünne Schicht Pulver (oft vorgewärmt) auf die Bauplattform aufgetragen wird. Dies wird mit einer Nachbeschichterklinge erreicht, um eine gleichmäßige Schichthöhe sicherzustellen. Ein fokussierter Energiestrahl schmilzt dann die Pulverpartikel, um die aktuelle Querschnittsschicht des Teils zu bilden. Die Bauplattform verschiebt sich dann um eine Ebene nach unten. Eine weitere Schicht Pulver wird hinzugefügt und der Vorgang wiederholt sich.

Für Metalle sind Energiestrahlen mit höherer Leistung erforderlich, und für DMLS- und SLM-Druck ist eine inerte Atmosphäre erforderlich. Bei EBM muss das Bauvolumen unter Vakuum gehalten werden. PBF-Geräte können schnell drucken, insbesondere wenn Mehrstrahldrucker verwendet werden. EMB verwendet nur einen Strahl, der Strahl kann jedoch extrem schnell umgelenkt werden, wodurch die Mehrstrahlfunktionalität simuliert wird.

Tabelle 2 unten zeigt die typischen Materialien, Anwendungen und Vorteile der Pulverbettschmelzung:

Tabelle 2. Zusammenfassung der Pulverbettfusion

Materialien Anwendungen Vorteile

Materialien

• Metall (Aluminium, Titan, Kupfer, Kobalt-Chrom usw.)
• Nylon
• Keramik

Anwendungen

Funktionelle Metallteile wie Turbinenschaufeln, Brennkammern von Raketentriebwerken und Wärmetauscher

Vorteile

• Nicht verwendetes Pulver kann recycelt werden
• Große Auswahl an Metalloptionen

3. Gezielte Energiedeposition

Directed Energy Deposition (DED) ist ein additives Materialverfahren, das ausschließlich bei Metallen eingesetzt wird. Es wird häufig zur Reparatur vorhandener Metallteile verwendet. Diese Reparaturfähigkeit ist möglich, weil DED im Gegensatz zu anderen Druckverfahren, die auf drei Bewegungsachsen beschränkt sind, in fünf Bewegungsachsen drucken kann. Ein DED-Drucker kann vorhandene Teile mit komplexen Geometrien umgehen.

Diese Art der additiven Fertigung beschränkt sich nicht nur auf Reparaturen, sondern kann auch fabrikneue Teile drucken. Beim DED wird entweder ein Pulver oder ein Metalldraht zur Druckdüse geleitet. Anschließend schmilzt ein Laser- oder Elektronenstrahl das Material auf und verschmilzt es mit dem Grundmaterial. Jedes schweißbare Metall kann mit DED hergestellt oder repariert werden. Wie bei Schweißverfahren ist auch beim DED-Druck ein Schutzgas (Laserstrahl) oder ein Vakuum (Elektronenstrahl) erforderlich. Das Gas bedeckt nur den Bereich, der aktiv vom Strahl geschmolzen wird. Alternativ kann das gesamte Bauvolumen mit einem Inertgas gesättigt werden, was ein luftdichtes Bauvolumen erfordert.

Tabelle 3 unten zeigt die typischen Materialien, Anwendungen und Vorteile von DED:

Tabelle 3. Zusammenfassung der gerichteten Energiedeposition

Materialien Anwendungen Vorteile

Materialien

Metalle (Kobalt-Chrom, Titan, Inconel, Tantal, Niob, rostfreie Stähle)

Anwendungen

• Teilreparatur
• Erweiterte Luft- und Raumfahrtkomponenten

Vorteile

• Kann große Teile drucken (1000 mm3)
• Kann vorhandene Teile reparieren
• Kann eine große Auswahl an Metallen und Legierungen drucken

4. Materialspritzen

Ein vollfarbiges Teil mit polierter und klar beschichteter Oberfläche, hergestellt mit dem PolyJet-Service von Xometry.

Beim Materialstrahlverfahren wird eine Reihe von Tintenstrahldüsen verwendet, um Material auf eine Bauplattform aufzutragen und so ein Teil zu erzeugen. Dieser Prozess erfordert die Verwendung von Photopolymeren als Rohstoffe. Dabei wird zunächst eine Schicht Photopolymer auf die Bauplattform aufgetragen. Anschließend bewegt sich eine UV-Lichtquelle über das Photopolymer, um es auszuhärten. Anschließend bewegt sich die Bauplattform nach unten und der Vorgang wird wiederholt.

Da die UV-Lichthärtung des gedruckten Materials ein integraler Bestandteil dieses additiven Herstellungsverfahrens ist, können nur Kunststoffe, von denen viele Photopolymere sind, durch Material Jetting bedruckt werden. Für den erfolgreichen Druck von Teilen durch Materialstrahlen sind Stützstrukturen erforderlich.

Tabelle 4 unten zeigt die typischen Materialien, Anwendungen und Vorteile des Materialstrahlens:

Tabelle 4. Zusammenfassung des Materialstrahls

Materialien Anwendungen Vorteile

Materialien

• Photopolymerharze
• Digitale Materialien (komposite Photopolymere)
• Wachs

Anwendungen

• Funktionale Produktprototypen
• Anatomische Vollfarbmodelle

Vorteile

• Sehr geringer Abfall
• Multimaterial- und Mehrfarbenteile sind möglich
• Hochgeschwindigkeitsprozess
• Hohe Auflösung

5. Blattlaminierung

Bei der Plattenlaminierung handelt es sich um einen schichtweisen additiven Fertigungsprozess, bei dem Teile durch Stapeln und Verbinden von Materialschichten hergestellt werden – und nicht durch das Auftragen oder Verschmelzen von Pulvern oder Flüssigkeiten. Es kann mit einer Reihe von Materialien verwendet werden, darunter Papier, Polymerfolien, Verbundwerkstoffe und einige Metalle. Während das Verfahren in der Regel Teile mit niedriger Auflösung liefert, bietet es eine hohe Produktionsgeschwindigkeit und niedrige Kosten, was es für bestimmte Prototyping- und Industrieanwendungen vorteilhaft macht. 

Bei diesem Verfahren werden nacheinander dünne Bleche abgelegt, wobei jedes Stück so zugeschnitten wird, dass es dem Querschnitt des Teils in dieser Schicht entspricht. Diese Platten werden dann je nach Material mit verschiedenen Techniken mit der vorherigen Schicht verbunden. Bei einigen Systemen schneidet ein Laser oder ein Messer die Teilegeometrie vor oder nach dem Verkleben aus dem Blech. Überschüssiges Material rund um das Teil kann während oder nach dem Bau entfernt werden. 

Metallbleche werden üblicherweise mithilfe der additiven Ultraschallfertigung (UAM) verbunden, bei der Ultraschallschwingungen unter Druck angewendet werden, um die Metallschichten zu verschmelzen, ohne zu schmelzen. Kunststoffplatten werden typischerweise durch Hitze und Druck verbunden, entweder thermisch oder mit Klebstoffen. Verbundwerkstoffe (z. B. Aramidfasern, glasfaserverstärkte oder kohlefaserverstärkte Schichten) und Papier werden üblicherweise mit Klebstoffen und Kompression laminiert. Die Blechlaminierung wird auch verwendet, um endkonturnahe Teile zu erzeugen, die anschließend mit CNC oder anderen subtraktiven Techniken bearbeitet oder nachbearbeitet werden können, um engere Toleranzen und Oberflächengüten zu erzielen.

Tabelle 5 unten zeigt die typischen Materialien, Anwendungen und Vorteile der Blechlaminierung:

Tabelle 5. Zusammenfassung der Blattlaminierung

Materialien Anwendungen Vorteile

Materialien

• Papier
• Keramik
• Kohlefaserverbundwerkstoffe
• Metall (Aluminium, Kupfer, Edelstahl, Titan)

Anwendungen

• Vollfarb-Prototypen
• Near-Net-Shape-Teile

Vorteile

• Geringe Kosten
• Hohe Geschwindigkeit
• Vollfarbige Teile

6. Materialextrusion

Nahaufnahme eines FDM-gedruckten Teils von Xometry.

Die Materialextrusion ist eine der bekanntesten Arten der additiven Fertigung, vor allem aufgrund ihrer Akzeptanz im Verbrauchermarkt. Die Materialextrusion wird oft als FDM (Fused Deposition Modeling) oder FFF (Fused Filament Fabrication) bezeichnet. Der Prozess funktioniert, indem ein Kunststofffaden von einer Vorratsspule durch eine beheizte Kammer geleitet und dann aus einer Druckdüse austritt. Beim Austritt aus der Düse wird das Material in Form des aktuellen Teilequerschnitts auf der Bauplattform abgelegt. Sobald eine Schicht fertig ist, fahren die Druckköpfe um eine Schichtdicke nach oben. Der Vorgang wird wiederholt, bis das Teil fertig ist.

Thermoplaste und gefüllte Thermoplaste sind die typischsten Rohstoffe für diese Technologie. Metallische Pulver-/Polymermatrixmaterialien können jedoch zur Herstellung von Metallteilen verwendet werden. Sie müssen in einem Ofen nachbearbeitet werden, um ihre endgültigen mechanischen Eigenschaften zu entwickeln.

Tabelle 6 unten zeigt die typischen Materialien, Anwendungen und Vorteile der Materialextrusion:

Tabelle 6. Zusammenfassung der Materialextrusion

Materialien Anwendungen Vorteile

Materialien

• PLA
• ABS
• PC
• PETG
• Nylon
• ULTEM

Anwendungen

• Montagevorrichtungen
• Funktionsprototypen
• Komponenten mit geringem Produktionsvolumen

Vorteile

• Geringe Kosten
• Einfach zu bedienen
• Echte Thermoplaste

7. MwSt. Photopolymerisation

Die VAT-Photopolymerisation ist ein additives Fertigungsverfahren, bei dem Teile durch selektives Aushärten eines flüssigen Photopolymerharzes mithilfe einer Lichtquelle hergestellt werden. Die beiden Haupttechnologien in dieser Kategorie sind:

• SLA (Stereolithographie) – verwendet einen UV-Laser, um den Querschnitt des Teils Schicht für Schicht zu verfolgen und zu verfestigen.
• DLP (Digital Light Processing) – verwendet einen digitalen Projektor, um eine ganze Schicht auf einmal zu blitzen und das Harz gleichzeitig über die gesamte Schicht auszuhärten.

Bei beiden Verfahren wird ein Behälter mit flüssigem Photopolymerharz verwendet. Die Bauplattform beginnt direkt unter der Oberfläche des Harzes. Beim SLA scannt ein Laserstrahl die Harzoberfläche, um die gewünschte Form der aktuellen Schicht zu verfestigen. Bei DLP lässt ein Lichtprojektor das gesamte Ebenenbild in einer einzigen Belichtung aufblitzen. Sobald eine Schicht ausgehärtet ist, bewegt sich die Bauplattform vertikal (normalerweise nach oben), sodass ungehärtetes Harz unter das Teil fließen kann und die nächste Schicht über der vorherigen ausgehärtet wird. Dieser Prozess wird fortgesetzt, bis das Teil vollständig geformt ist. Da das Teil nach und nach aus dem Behälter herauskommt, sieht es so aus, als würde die Bauplattform das Objekt aus dem flüssigen Harz ziehen.

Tabelle 7 unten zeigt die typischen Materialien, Anwendungen und Vorteile der VAT-Photopolymerisation:

Tabelle 7. Zusammenfassung der Mehrwertsteuer-Photopolymerisation

Materialien Anwendungen Vorteile

Materialien

• PLA
• ABS
• PC
• PETG
• PA
• Kohlefasergefülltes ABS
• PEEK

Anwendungen

• Visuelle Prototypen/Modelle
• Schmuckmodelle zur Herstellung von Formen

Vorteile

• Hohe Geschwindigkeit
• Sehr feine Details sind möglich

Was ist additive Fertigung?

Unter additiver Fertigung versteht man den additiven Prozess der Herstellung eines Teils durch den schichtweisen Aufbau. Dies steht im Gegensatz zur subtraktiven Fertigung, bei der mit einem massiven Materialblock begonnen und überschüssiges Material entfernt wird, um ein Teil herzustellen. Die CNC-Bearbeitung ist ein Beispiel für subtraktive Fertigung.

Weitere Informationen finden Sie in unserem vollständigen Leitfaden zur additiven Fertigung.

Die additive Fertigung stellt mit sieben Kernprozessen einen Wendepunkt in der Produktion dar:Binder-Jetting, Pulverbettfusion, gezielte Energieabscheidung, Material-Jetting, Blechlaminierung, Materialextrusion und Küpen-Photopolymerisation. Jeder Prozess bietet seine eigenen Stärken, sei es in Bezug auf Präzision, Umfang, Geschwindigkeit oder Materialvielfalt. Was auffällt, ist die Verlagerung vom verschwenderischen Materialabtrag hin zur kontrollierten Schicht-für-Schicht-Erstellung, die Möglichkeiten eröffnet, die von der Reparatur wichtiger Luft- und Raumfahrtteile bis zum Druck detaillierter Prototypen und Funktionskomponenten reichen. Die Technologie präsentiert sich nicht als Einzellösung, sondern als Toolkit, mit dem der richtige Prozess an die richtige Herausforderung angepasst werden kann, wodurch die Fertigung effizienter, anpassungsfähiger und innovativer wird.

Häufig gestellte Fragen zu Arten der additiven Fertigung

Welche Art der additiven Fertigung wird am häufigsten verwendet?

Die am häufigsten verwendeten Arten der additiven Fertigung sind:Materialextrusion (FDM/FFF), Blechlaminierung, VAT-Polymerisation und Pulverbettfusion (PBF). Es ist erwähnenswert, dass der Grad der Akzeptanz jeder additiven Fertigungstechnologie je nach Branche variiert. In der Luft- und Raumfahrtindustrie werden beispielsweise DED und Pulverbettfusion in großem Umfang eingesetzt.

Welche Organisation kategorisiert additive Fertigungsprozesse?

ASTM International und ISO sind gemeinsam für die Kategorisierung additiver Fertigungsverfahren verantwortlich. ASTM und ISO haben die sieben in diesem Artikel beschriebenen Kategorien erstellt.

Wie werden additive Fertigungsverfahren klassifiziert?

Additive Fertigungsprozesse werden nach ISO/ASTM 52900 klassifiziert, der internationalen Norm, die Schlüsselbegriffe und Kategorien in AM definiert. Es unterteilt Technologien in sieben Prozesstypen, basierend darauf, wie Schichten gebildet und Materialien verbunden werden. Zu diesen Kategorien gehören unter anderem Methoden wie Materialextrusion, Küvetten-Photopolymerisation und Pulverbettfusion. Diese Klassifizierung trägt dazu bei, die Konsistenz über Branchen und Anwendungen hinweg sicherzustellen.

Ist 3D-Druck ein Beispiel für additive Fertigung?

Ja, 3D-Druck ist eine Form der additiven Fertigung. Tatsächlich ist es das bekannteste und am häufigsten verwendete Beispiel. Der Begriff „3D-Druck“ wird informell häufig für alle additiven Fertigungsverfahren verwendet, bei denen Objekte Schicht für Schicht aus digitalen Modellen aufgebaut werden.

Weitere Informationen finden Sie in unserem vollständigen Leitfaden zum Thema 3D-Druck vs. additive Fertigung.

Zusammenfassung

In diesem Artikel wurden sieben verschiedene Arten additiver Fertigungsverfahren untersucht und ihre Funktionsweise sowie ihre Vor- und Nachteile beschrieben. Um mehr über die verschiedenen Arten der additiven Fertigung zu erfahren und herauszufinden, wie sie sich am besten für Ihre spezifische Anwendung eignen, wenden Sie sich noch heute an einen Xometry-Experten.

Xometry bietet eine breite Palette an Fertigungsmöglichkeiten, einschließlich 3D-Druck und Mehrwertdiensten für alle Ihre Prototyping- und Produktionsanforderungen. Besuchen Sie unsere Website, um mehr zu erfahren oder ein kostenloses und unverbindliches Angebot anzufordern.

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Dean McClements

Dean McClements hat einen Bachelor-Abschluss in Maschinenbau mit Auszeichnung und über zwei Jahrzehnte Erfahrung in der Fertigungsindustrie. Sein beruflicher Werdegang umfasst wichtige Positionen bei führenden Unternehmen wie Caterpillar, Autodesk, Collins Aerospace und Hyster-Yale, wo er ein tiefes Verständnis für technische Prozesse und Innovationen entwickelte.

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