Additive vs. Subtraktive Fertigung: Wichtige Unterschiede erklärt

Die Fertigung ist ein entscheidender Schritt in der Produktion, der Rohstoffe oder Schrott durch erhebliche Wertschöpfung in gewünschte Produkte umwandelt. Mehrere Fertigungsverfahren existieren, um die Verarbeitung verschiedenster Materialien zu ermöglichen. Der wachsende Bedarf an miniaturisierten Produkten mit besserer Oberflächenqualität und mehr integrierten Funktionen trieb die rasante Entwicklung der Fertigung voran, woraus sich diverse hochentwickelte Verfahren ergaben, die Materialien effizienter verarbeiten und heutige Marktanforderungen besser erfüllen. Der Fertigungsbereich hat sich zudem schrittweise erweitert, um von traditionellen Industriesektoren bis hin zu fortschrittlichen produkt- oder servicebasierten Unternehmen ein breites Spektrum abzudecken.

Verschiedene Experten versuchten, alle Fertigungsverfahren systematisch zu klassifizieren; doch oft gelingt es nicht, neu entwickelte Verfahren eindeutig zu erfassen. Betrachtet man alle relevanten Verfahren, lässt sich die Fertigung in folgende fünf Gruppen einteilen:

• Gießverfahren: Rohstoff wird geschmolzen, in eine vorgefertigte Kavität gegossen und erstarrt. Das Produkt erhält die inverse Form der Kavität. Dieses uralte Verfahren eignet sich für Grundformen, kann jedoch weder komplexe Geometrien noch glatte Oberflächen erzeugen. Alle Gieß- und Formverfahren (Sandguss, Druckguss, Spritzguss etc.) folgen diesem Prinzip.
• Fügeverfahren: Zwei oder mehr feste Bauteile werden lösbar oder dauerhaft verbunden – entweder durch Aufschmelzen zur Koaleszenz oder mithilfe mechanischer Elemente. Schweißen, Nieten, Löten, Kleben, Kupplungen, Passfügen, Klebebinden, Schrauben, Keilverbindungen etc. fallen darunter. Demontageprozesse zählen ebenfalls dazu.
• Modifizierungsverfahren: Werkstoffeigenschaften oder Grundform werden durch verschiedene Mittel angepasst. Umformverfahren wie Schmieden, Walzen, Ziehen, Extrudieren etc. dienen der Formänderung; Wärmebehandlung, kryogene Behandlung, Beschichten etc. der Eigenschaftsänderung.
• Additive Verfahren: Schichten aus halbfestem Material werden lagenweise aufeinander aufgebracht, um direkt ein echtes dreidimensionales Bauteil mit geforderten Merkmalen und hoher Genauigkeit zu erzeugen. Nachbearbeitung entfällt; geeignet sind jedoch meist kleine Bauteile. Rapid-Prototyping-Verfahren (3D-Druck, Stereolithografie, Lasersintern etc.) folgen dem additiven Prinzip.
• Subtraktive Verfahren: Lagenweise wird Material vom festen Rohling abgetragen, um das Endprodukt zu erhalten. Materialverlust entsteht. Zerspanverfahren folgen dem subtraktiven Prinzip. Beispiele: Drehen, Fräsen, Bohren, Schleifen, Läppen, Strahlschleifen, Erodieren, Laserstrahlbearbeitung etc.

Tabelle: Unterschiede zwischen additiver und subtraktiver Fertigung

Additions- und Subtraktionsphilosophie

Beide Philosophien erzeugen echte dreidimensionale Bauteile oder Merkmale mit hoher Maßgenauigkeit und engen Toleranzen, unterscheiden sich jedoch im Ansatz. Die additive Fertigung baut das Bauteil lagenweise gemäß Design auf – beginnend bei Nullhöhe (kein Material) und wachsend mit jeder deponierten Schicht. Material wird meist halbfest deponiert; die nächste Lage folgt, sobald die vorherige getrocknet ist. Die subtraktive Fertigung entfernt hingegen lagenweise Material aus einem festen Rohblock, um die gewünschten Merkmale zu schaffen. Der Prozess startet mit einem massiven Rohblock. Materialabtrag erfolgt auf verschiedene Weise (Scheren als Späne, Schmelzen/Verdampfen, Ionisierung, Sputtern etc.) je nach Verfahren.

Schmelzpunkt des Werkstoffs

Bei additiven Verfahren muss der Werkstoff schmelzen oder durch Erhitzen plastisch gemacht werden. Höherer Schmelzpunkt erfordert mehr Energie, um das Material plastisch (halbfest) für die Lagenauflage zu machen. Daher bevorzugt für niedrige Schmelzpunkte wie Kunststoffe oder PMMA. Beim subtraktiven Fertigen ist der Schmelzpunkt keine nennenswerte Einschränkung, da Material in fester Form oder durch Ionisierung abgetragen wird. Selbst bei thermisch-energetischen NTM-Verfahren (Abtrag durch Schmelzen/Verdampfen) liegt die Strahlenergieintensität weit über dem Schmelzpunkt. Beispiel EDM: lokal über 10.000 °C, weit über 3.422 °C (Schmelzpunkt Wolfram, höchster aller Metalle).

Manipulation der Volumendichte

Größter Vorteil additiver Verfahren: Die Dichte des Werkstoffs kann während der Lagenauflage variiert werden (20–100 %). Das Gesamtvolumen lässt sich kontrolliert ändern – reduziert Materialverbrauch und Bauteilgewicht, oft ohne Wandfestigkeitseinbußen. Bei subtraktiven Verfahren bleibt die Dichte des Ausgangsblocks konstant; Gewicht lässt sich nach Blockauswahl nicht mehr reduzieren.

Materialverlust

Bei additiven Verfahren wird gemäß CAD-Design eine dünne Lage auf die vorherige aufgebracht. Bei Kavitäten oder Nuten wird an diesen Stellen kein Material deponiert. Die wiederholte lagengerechte Abscheidung erzeugt das finale 3D-Objekt ohne Nachbearbeitung – kein Materialverlust. Bei subtraktiven Verfahren wird überschüssiges Material vom Rohblock abgetragen, wobei der Abtrag als Späne, Schmelze/Verdampfung, Ionisierung, Sputtern etc. erfolgt.

Eignung

Mit heutigem Technologiestand eignen sich additive Verfahren für ausgewählte Materialien wie Kunststoffe und PMMA; große Objekte sind nicht handhabbar (Systemkapazität oft ≤ 2 kg). Subtraktive Verfahren verarbeiten eine breite Werkstoffpalette. Bestimmte mechanische, elektrische und thermische Eigenschaften (Härte, Sprödigkeit, Leitfähigkeit, Schmelzpunkt etc.) schränken die Zerspanbarkeit für ein spezifisches Verfahren ein, lassen sich aber durch Alternativverfahren überwinden. Auch große Objekte sind effizient bearbeitbar.

Herstellung komplexer Formen und Hohlräume

Bei additiven Verfahren wird die CAD-Zeichnung in dünne Schichten geschnitten (Schichtdicke abhängt von geforderter Genauigkeit und Oberflächengüte) und Material lagenweise aufgebracht. Jede komplexe Form kann beim Schneiden und Auftragen berücksichtigt werden – Nachbearbeitung entfällt. Selbst vollständig geschlossene innere Hohlräume sind herstellbar. Subtraktive Verfahren haben begrenzte Fähigkeiten bei komplexen Formen; vollständig geschlossene Kavitäten sind nicht herstellbar.

Industrielle Aspekte

Additive Verfahren sind zeitaufwändig durch Lagenauflage- und Trocknungszeiten. Bei kleinen, komplexen, hochpräzisen Objekten (z. B. Prototypen) können sie jedoch zeit- und kosteneffizient sein, besonders bei Kleinstserien. Oft ist strenge Arbeitsraumklimatisierung nötig. Obwohl additive Verfahren in bestimmten Bereichen als Alternative zu subtraktiven aufkommen, überlegen letztere bei Massenfertigung großer, einfach geformter Bauteile deutlich.

Dieser Artikel stellt einen wissenschaftlichen Vergleich zwischen additiver und subtraktiver Fertigung dar. Der Autor empfiehlt folgende Quellen zur Vertiefung:

1. Additive Manufacturing of Metals: The Technology, Materials, Design and Production von L. Yang et al. (1. Auflage, Springer).
2. Additive Manufacturing: 3D Printing for Prototyping and Manufacturing von A. Gebhardt und J. Hötter (1. Auflage, Hanser).
3. Newman et al. (2015); Process planning for additive and subtractive manufacturing technologies; CIRP Annals; Vol. 64 (1); S. 467–470.