Additive Fertigung erklärt:Verfahren, Anwendungen und Materialoptionen

Die additive Fertigung, auch bekannt als 3D-Druck, ist ein hochmodernes Herstellungsverfahren, das die Industrie weltweit revolutioniert. Im Gegensatz zu herkömmlichen subtraktiven Methoden, bei denen Material entfernt wird, geht es darum, Objekte mithilfe digitaler Modelle additiv Schicht für Schicht aufzubauen.

Die additive Fertigung ermöglicht die Erstellung komplexer Geometrien, die mit herkömmlichen Techniken nur schwer oder gar nicht zu erreichen sind. Darüber hinaus bietet es eine breite Palette an Materialkompatibilität, einschließlich Kunststoffen, Metallen, Keramik und Verbundwerkstoffen, und bietet so Flexibilität bei der Materialauswahl für verschiedene Anwendungen. Die additive Fertigung bietet Chancen für die Entwicklung kreativer, neuer Produkte sowie eine verbesserte Effizienz im Materialeinsatz.

In diesem Artikel wird erläutert, was additive Fertigung ist, ihr Verfahren, ihre Verwendung, Materialien sowie Vor- und Nachteile.

Was ist additive Fertigung?

Additive Fertigung (AM), auch bekannt als 3D-Druck, revolutioniert die Fertigung, indem Objekte Schicht für Schicht aufgebaut werden, geleitet von digitalen 3D-Computermodellen. Im Gegensatz zu subtraktiven Methoden wie der maschinellen Bearbeitung, bei denen Material aus einem massiven Block herausgeschnitten wird, fügt AM nach und nach Material hinzu, um die gewünschte Form zu erhalten. Dieser innovative Ansatz bietet beispiellose Designfreiheit und ermöglicht komplizierte Geometrien und individuelle Anpassungen.

AM umfasst verschiedene Techniken, von denen jede einzigartige Vorteile bietet. Bei der Filamentabscheidung werden thermoplastische Materialien geschmolzen und durch eine Düse extrudiert, während beim Lasersintern ein Laser verwendet wird, um pulverförmige Materialien Schicht für Schicht zu verschmelzen. Darüber hinaus werden bei der Stereolithographie ultraviolette Laser oder LCD-Bildschirme eingesetzt, um lichthärtbares flüssiges Harz in präzise Formen zu verfestigen.

Historisch gesehen wurde AM in verschiedenen Branchen eingesetzt, darunter Luft- und Raumfahrt, Automobil, Gesundheitswesen und Konsumgüter. Ursprünglich für das schnelle Prototyping verwendet, hat es sich weiterentwickelt und umfasst nun auch Komponenten in Produktionsqualität. Die schichtweise Herstellung kann jedoch zu potenziellen Schwachstellen an Grenzflächen führen, die sorgfältige Designüberlegungen erforderlich machen.

Eine der größten Stärken von AM liegt in seinen Anpassungsfähigkeiten, die maßgeschneiderte Lösungen für spezifische Anforderungen ermöglichen. Von personalisierten medizinischen Implantaten bis hin zu komplexen Architekturmodellen ermöglicht AM Designern und Ingenieuren, ihre Visionen präzise und effizient zum Leben zu erwecken.

Wer hat die additive Fertigung erfunden?

Chuck Hull gilt aufgrund seiner Erfindung der Stereolithographie oft als Pionier der additiven Fertigung. Das Konzept der schichtweisen Fertigung geht jedoch auf seine Arbeit zurück. Die Wurzeln der additiven Fertigung reichen bis in die 1970er Jahre zurück. Während dieser Zeit begannen Forscher und Ingenieure, verschiedene Techniken zum schichtweisen Aufbau von Objekten zu erforschen. Ein bemerkenswerter Vorreiter der modernen additiven Fertigung ist die Arbeit von Hideo Kodama, einem japanischen Forscher.

In Kodamas Aufsatz aus dem Jahr 1981 wurde die UV-Verfestigung von Photopolymeren für die Herstellung von 3D-Objekten detailliert beschrieben und damit der Grundstein gelegt, obwohl die kommerzielle Umsetzung damals nur begrenzt war. Carl Deckard leistete zusammen mit seinem Berater Joseph Beaman Mitte der 1980er Jahre Pionierarbeit beim selektiven Lasersintern (SLS) an der University of Texas in Austin, indem er pulverförmige Materialien mit Lasern verschmolz und so die additive Fertigung voranbrachte.

Wann begann die additive Fertigung?

Die Kommerzialisierung der additiven Fertigung begann Mitte der 1980er Jahre mit Chuck Hulls Erfindung der Stereolithographie. 1986 erhielt Hull ein Patent für dieses System, was zur Gründung seines Unternehmens 3D Systems Corporation führte. Anschließend brachte die 3D Systems Corporation 1988 den ersten kommerziellen 3D-Drucker auf den Markt, den SLA-1.

Etwa zur gleichen Zeit wurde im Rahmen eines Skunkworks-Projekts bei Exxon ein 3D-Tintenstrahldrucker entwickelt, die Kommerzialisierung dieser Technologie erfolgte jedoch erst 1991. In dieser frühen Phase der Kommerzialisierung entstanden Unternehmen wie 3D Systems Corporation und die Markteinführung von Verfahren wie Stereolithographie und Tintenstrahldruck.

Dieser Durchbruch legte den Grundstein für nachfolgende additive Fertigungstechniken und -technologien. Im Laufe der Jahre hat sich die additive Fertigung erheblich weiterentwickelt, mit Fortschritten bei Materialien, Prozessen und Anwendungen.

Was ist der Prozess der additiven Fertigung?

Der Prozess der additiven Fertigung umfasst mehrere Schritte:

1. Beginnen Sie mit der Erstellung eines digitalen 3D-Modells mit einem CAD-Programm. Speichern Sie den Entwurf im STL-Dateiformat, das Objektgeometrie enthält. Importieren Sie die STL-Datei in die Slicer-Software, um das Modell zu schneiden und Druckpfade zu generieren. Passen Sie Druckparameter wie Materialtyp und Geschwindigkeit zur Optimierung an. Konvertieren Sie das geschnittene Modell in G-Code, die Sprache, die 3D-Drucker verstehen. Senden Sie abschließend den G-Code an den Drucker und weisen Sie ihn an, das Objekt Schicht für Schicht zu drucken.
2. Bereiten Sie den 3D-Drucker vor, indem Sie die Einstellungen für Temperatur, Geschwindigkeit und Schichthöhe kalibrieren und die G-Code-Datei auf den Drucker herunterladen.
3. Laden Sie das ausgewählte Material in das additive Druckgerät. Zu den Materialien, die für den 3D-Druck verwendet werden können, gehören Verbundwerkstoffe, Kunststoffe, Metalle, Keramik, Papier und sogar biologische Materialien wie Zellen oder Proteine.
4. Beginnen Sie mit dem Drucken. Der Drucker interpretiert die G-Code-Anweisungen für jede nachfolgende Schicht und trägt das Material genau an der Stelle auf oder härtet es aus, wo es für diese Schicht benötigt wird.
5. Stellen Sie eine ordnungsgemäße Verbindung zwischen den Schichten sicher. Dies kann bei einigen Techniken einfach als Teil des Druckprozesses geschehen, wie zum Beispiel beim Fused Deposition Modeling (FDM), bei anderen ist jedoch möglicherweise ein separater Sinter- oder Härtungsschritt erforderlich.
6. Lassen Sie das gedruckte Objekt ohne Unterbrechung weiterlaufen, während jede Schicht aufgebaut wird.
7. Führen Sie erforderliche Endbearbeitungsaufgaben durch, einschließlich der Entfernung von Stützen, die bei Designs mit Überhängen oder komplexen Geometrien erforderlich sein können, bei denen während des Druckens Stützen verwendet werden, um ein Durchhängen oder eine Verformung zu verhindern. Darüber hinaus kann eine Oberflächenveredelung, Bearbeitung oder zusätzliche Aushärtung erforderlich sein, um das Endprodukt zu erhalten.
8. Führen Sie nach Bedarf letzte Feinarbeiten oder Behandlungen durch, z. B. Lackieren, Plattieren oder Zusammenbauen mit anderen Komponenten.

Was sind die Einsatzmöglichkeiten der additiven Fertigung?

Heutzutage ist die additive Fertigung in vielen Branchen ein integraler Bestandteil des Produktherstellungsprozesses. Es gibt mehrere Verwendungsmöglichkeiten, darunter:

1. Es erleichtert die schnelle und kostengünstige Produktion von Prototypen zur Designverifizierung, Funktionstests und Konzeptvalidierung.
2. Es ermöglicht hochgradig maßgeschneiderte und personalisierte Produkte wie medizinische Implantate, Zahnprothesen und Konsumgüter.
3. Additive Fertigung ermöglicht die Herstellung komplizierter Geometrien, die mit herkömmlichen Methoden schwierig sind. In der Luft- und Raumfahrt verbessern Turbinenschaufeln mit internen Kühlkanälen die Triebwerkseffizienz. In der Medizin passen sich personalisierte Implantate der individuellen Anatomie an und fördern so eine schnellere Heilung. Automobilkomponenten profitieren von leichten, komplexen Designs, die die Leistung steigern.
4. Es erleichtert die Herstellung kleiner Stückzahlen oder kundenspezifischer Produkte ohne teure Werkzeuge, ermöglicht eine agile Fertigung und reduziert die Lagerkosten.
5. Es wird im medizinischen Bereich zur Herstellung maßgeschneiderter, auf Patienten zugeschnittener Implantate, prothetischer Geräte, anatomischer Nachbildungen zur chirurgischen Vorbereitung und Anleitung sowie von chirurgischen Führungen zur Unterstützung bei Eingriffen eingesetzt.
6. Es wird für die Prototypenherstellung, den Werkzeugbau und die Herstellung von Leichtbaukomponenten mit verbessertem Festigkeits-Gewichts-Verhältnis und Anpassungsoptionen verwendet.
7. 3D-Druck kann in Bildungseinrichtungen und Forschungseinrichtungen zum Lehren, Experimentieren und Erforschen neuartiger Anwendungen in verschiedenen Disziplinen eingesetzt werden.
8. Bietet Möglichkeiten für eine nachhaltige Produktion durch Reduzierung von Abfall, Energieverbrauch und Kohlenstoffemissionen.