Additive vs. traditionelle Fertigung: Wie sie sich ergänzen

Additive Fertigung, auch 3D-Druck genannt, ist der Prozess der Produktentstehung durch 3D-Objektscanner oder CAD-Software (Computer-Aided Design), um Material Schicht für Schicht in präzisen geometrischen Formen aufzutragen – im Gegensatz zu traditionellen subtraktiven Fertigungsprozessen, die Schichten von einem Materialblock abtragen, um ein Design zu erstellen. Ein Metallstab in Stücke zu schneiden ist ein simples Beispiel traditioneller Fertigung. Mit der wachsenden Beliebtheit von 3D-Druck und der Verfügbarkeit geeigneterer Metalle suchen Hersteller danach, beide Prozesse in der Produktionslinie zu kombinieren. Ziel: Additive und traditionelle Fertigung als komplementären Prozess für perfekte Produktveredelung zu vereinen.

Im Folgenden diskutieren wir Vorteile der additiven Fertigung und wie beide Verfahren zusammen hochwertige Produkte schaffen können.

Wachsende Beliebtheit der additiven Fertigung

Viele Zerspaner, Fertiger und Hersteller nutzen additive Fertigung in den letzten Jahren zunehmend, da sie viele Vorteile bietet – etwa weniger Materialverschnitt. Hier beleuchten wir einige Vorteile tiefer.

Ideal für schnelle Prototypen & Ersatzteil-Design

Die graduelle Evolution des 3D-Drucks hat Großherstellern wie Boeing, GE und Siemens ermöglicht, komplexe Prototypendesigns mühelos zu erstellen. Siemens nutzt additive Fertigungstechnologie für Ersatzteile verschiedener Produkte und verkürzt Reparaturzeiten in manchen Fällen um 90 %. Zudem druckt Siemens nur bei Bedarf, wodurch Kosten durch Überproduktion und Logistik entfallen.

Materialverschnitt reduzieren

Die Bearbeitung eines großen Titanblocks für Luftfahrtkomponenten erzeugt bis zu 90 % Verschnitt. Sofern Hersteller Reste nicht recyceln, fügen sie nur Betriebskosten für Abfallmanagement hinzu. Die inhärente Fähigkeit des 3D-Drucks, Material Schicht für Schicht in präzisen Formen aufzutragen, reduziert den Materialverschnitt, den subtraktive Methoden durch Abtragen von Überschussmaterial erzeugen.

Fertigungszeit verkürzen

Verschiedene Metallbauteile aus additiven Fertigungsprozessen kosten weniger, da die Fertigungszeit drastisch sinkt. Komplexe Formen lassen sich ohne Werkzeuge, Formen oder Matrizen produzieren. Da das Teil außerhalb einer Maschine gedruckt wird, dauert das Design komplexer Strukturen wie Gitter oder Waben weniger Zeit.

Trotz vieler technologischer Vorteile kann additive Fertigung konventionelle Fertigungstechniken nicht vollständig ersetzen. Ein additiv gefertigtes Teil benötigt oft noch Zerspanung für die gewünschte Oberflächenqualität. Daher setzen viele Hersteller auf ein Hybridmodell, das beide Prozesse nutzt.

Hybridmodell: Additive & traditionelle Fertigung als komplementärer Prozess

Hybride Fertigung kombiniert CNC-Zerspanung und additive Fertigung, wobei Hersteller 3D-Drucktechnologie als Werkzeug nutzen, um ihren Designspielraum zu erweitern, während sie auf traditionelle CNC-Prozesse setzen, um das gewünschte Produkt zu realisieren.

Warum ist es manchmal notwendig, additive und traditionelle Fertigung als komplementären Prozess zu kombinieren? Während additive Fertigung komplexe geometrische Formen schnell und einfach produzieren kann, bietet sie weniger Präzision als CNC-Zerspanung – 3D-gedruckte Teile sind oft nur near-net-shape. Andererseits ist es mit traditionellen Methoden viel schwieriger, komplexe Formen zu erstellen, aber diese halten engere Toleranzen und erzeugen leichter die gewünschte Oberflächenqualität.

Die folgende Tabelle fasst Vor- und Nachteile beider Methoden zusammen.

Hybride Fertigung nutzt das Beste beider Prozesse und wendet additive und subtraktive Prozesse sequenziell an. Beispiel: Ein additives Verfahren wie Directed Energy Deposition (DED), das Laser oder Elektronenstrahl nutzt, um Material beim Auftragen auf eine Bauplattform durch eine Düse zu schmelzen, wird initial durchgeführt, um das Bauteil zu erstellen. Anschließend wird es CNC-zerspant, um gewünschte Oberflächenqualität und Toleranz zu erreichen.

Weitere populäre additive Fertigungsmethoden, die mit traditionellen Prozessen kombiniert werden können:

• Pulverbettfusion (Powder Bed Fusion): Laser oder Elektronenstrahl schmilzt und verschmilzt Materialpulver zu einem 3D-Teil. Ähnlich wie DED, unterscheidet sich aber in der Materialauftragsweise.
• Metall-Binder-Jetting: Besonders bei Hochvolumenanwendungen üblich – ein flüssiges Bindemittel wird auf dünne Pulverschichten aufgetragen, im Grunde Schicht für Schicht verklebt.

Alle diese Prozesse können auf einer einzigen Hybridmaschine ausgeführt werden, programmiert und bedient von wenigen Personen aus sicherer Distanz. Durch hybride Fertigung auf einer Maschine kann das Teil in einem Setup gedruckt und zerspant werden, was Fehlerwahrscheinlichkeit reduziert.

Weitere Vorteile einer Hybridmaschine:

• Geringere Kapitaleinlage für Equipment
• Kürzere Lieferzeiten
• Weniger Lagerbedarf, spart Stellfläche
• Möglichkeit, das Bauteilinnere während der Fertigung zu zerspanen – für überlegene Qualitätskontrolle

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