Viele Menschen bezeichnen die additive Fertigung vielleicht einfach als „3D-Druck“ oder verwenden den Begriff „Rapid Prototyping“, wenn sie versuchen, sie zu definieren. Beide Verfahren sind jedoch Teilbereiche der additiven Fertigung.

Die additive Fertigung (AM) umfasst neben dem 3D-Druck und dem Rapid Prototyping (RP) noch viele weitere Technologien, darunter die Direct Digital Manufacturing (DDM), die schichtweise Fertigung und die additive Fertigung.

Der Begriff „AM“ kann verwendet werden, um die zahlreichen Technologien zu beschreiben, bei denen 3D-Objekte durch schichtweises Auftragen von Material hergestellt werden. Bei der additiven Fertigung werden Geometrien durch „Hinzufügen“ aufgebaut, während die subtraktive Fertigung als Bezeichnung für den Prozess dient, bei dem Teile durch Abtragen von Material hergestellt werden.

Ganz gleich, ob es sich um Kunststoff, Keramik, Metall oder Beton handelt – da sich die Technologie wöchentlich weiterentwickelt, könnten bereits zu dem Zeitpunkt, an dem Sie diesen Artikel lesen, menschliches Gewebe und andere Alltagsgegenstände in der additiven Fertigung zum Einsatz kommen.

Die Einsatzmöglichkeiten der additiven Fertigung sind grenzenlos. In den Anfängen der additiven Fertigung lag der Schwerpunkt darauf, Prototypen so schnell wie möglich herzustellen. Zwar ist das Rapid Prototyping nach wie vor ein wichtiger Faktor für den Einsatz der additiven Fertigung, doch in jüngster Zeit wird diese Technologie in zahlreichen Branchen zur Herstellung von Endprodukten genutzt.

Auch hier sind die Möglichkeiten schier unbegrenzt: Bei Photocentric werden Photocentric Drucker zur Herstellung von Bauteilen für die Luftfahrt, die Automobilindustrie, Zahnarztpraxen, medizinische Implantate, Filmsets, Modeprodukte, Landmaschinen, Schmuck, Sportbekleidung, Brillen und viele weitere Branchen eingesetzt.

Seit der Jahrtausendwende hat in den meisten Branchen eine digitale Revolution stattgefunden. Nun kann die additive Fertigung den Fertigungsprozessen der meisten Unternehmen digitale Flexibilität und Effizienz verleihen.

Was ist also additive Fertigung? Einfach ausgedrückt: Die additive Fertigung ist die Zukunft.

Wie funktioniert die additive Fertigung?

Wie bereits erwähnt, bezeichnet der Begriff „additive Fertigung“ Technologien, bei denen dreidimensionale Objekte Schicht für Schicht aufgebaut werden. Jede nachfolgende Schicht verbindet sich mit der darunterliegenden Materialschicht.

Der Prozess beginnt jedoch mit der Erstellung des gewünschten Objekts. Objekte werden mithilfe von 3D-Druck-Software digital definiert. CAD-Dateien (Computer-Aided-Design) werden in STL-Dateien umgewandelt, die das Objekt Schicht für Schicht darstellen.

Sobald eine CAD-Skizze erstellt ist, liest die AM-Anlage die Daten aus der CAD-Datei ein und trägt nacheinander Schichten aus Flüssigkeit, Pulver, Plattenmaterial oder anderen Materialien auf, um so ein 3D-Objekt zu fertigen. Verschiedene 3D-Drucker arbeiten auf unterschiedliche Weise. Das Material wird entweder aufgetragen, geschmolzen oder ausgehärtet, um das fertige Teil zu formen.

Beispiele für additive Fertigung (AM)

SLA

Die in den 1980er Jahren erfundene Stereolithografie (SLA) war die weltweit erste 3D-Drucktechnologie. Bei diesem Verfahren wird Lasertechnologie eingesetzt, um Schicht für Schicht Photopolymerharz (ein Polymer, dessen Eigenschaften sich bei Lichteinwirkung verändern) auszuhärten. Der Bauvorgang findet in einem Behälter oder Harzbecken statt, in das ein Laserstrahl gerichtet wird, der das Harz aushärtet. Während des Bauzyklus wird die Plattform kontinuierlich neu positioniert und jedes Mal um eine Schichtdicke abgesenkt. Der Vorgang wiederholt sich, bis der Bau oder das Modell fertiggestellt ist.

LCD

Die LCD-Additive Fertigung funktioniert sehr ähnlich wie SLA. Anstelle eines Lasers wird jedoch ein LCD-Bildschirm als Lichtquelle verwendet, um einen schnelleren Prozess zu gewährleisten. Bei diesem Verfahren werden ganze Schichten gleichzeitig belichtet, anstatt kleine Bereiche nacheinander. Der LCD-Druck profitiert von einem der größten technologischen Fortschritte der letzten 50 Jahre, nämlich der Nutzung von Bildschirmen. Er kann weitaus größere Stückzahlen produzieren als alternative Verfahren und neue Produkte in bisher unvorstellbaren Geschwindigkeiten herstellen. Die Einfachheit des Verfahrens ist seine Stärke: Bei Verwendung von Tageslicht anstelle von UV-Licht ist die Belichtung gleichmäßig und die Maschine über viele Jahre hinweg stabil im Einsatz.

FDM

Ähnlich wie beim SLA-Verfahren werden beim Fused-Deposition-Modelling (FDM) thermoplastische Materialien verwendet, die über Düsen auf eine Plattform gespritzt werden. Bei diesen Materialien handelt es sich um Polymere, die sich bei Wärmeeinwirkung verflüssigen und beim Abkühlen wieder verfestigen, bevor die nächste Schicht aufgetragen wird. Dieser Vorgang wiederholt sich so lange, bis das Bauteil oder Modell fertiggestellt ist.

MJM

Multi-Jet-Modelling (MJM) ist ein additives Fertigungsverfahren, das in seiner Funktionsweise einem herkömmlichen Tintenstrahldrucker ähnelt: Ein Druckkopf bewegt sich je nach Bedarf entlang der Achsen x, y und z und trägt dabei Schicht für Schicht Schichten aus Thermopolymermaterial auf.

Obwohl es sich um ein sehr präzises Verfahren handelt, eignen sich MJM-Modelle in der Regel nicht für funktionsfähige Prototypen, da die verwendeten Materialien etwas spröder und nicht UV-beständig sind. Zudem gibt es Einschränkungen hinsichtlich der geometrischen Gestaltungsfreiheit und die Materialkosten sind im Vergleich zu anderen 3D-Druckverfahren hoch.

3DP

Das 3DP-Binder-Jetting ist ein additives Fertigungsverfahren, bei dem ein Modell in einem Behälter aufgebaut wird, in den selektiv ein flüssiges Bindemittel aufgebracht wird, um Pulverpartikel aus Stärke oder Gips miteinander zu verbinden. Anschließend werden die Materialschichten miteinander verbunden, um ein Objekt zu bilden. Der Druckkopf gibt das Bindemittel gezielt auf das Pulver ab. Der Druckbehälter senkt sich ab, woraufhin eine weitere Pulverschicht verteilt und Bindemittel hinzugefügt wird. Nach und nach entsteht das Bauteil durch das schichtweise Aufbringen von Pulver und Bindemittel.

SLS

Ähnlich wie bei der SLA-Technologie werden beim selektiven Lasersintern (SLS) kleine Partikel aus Kunststoff, Metall, Keramik oder Glas mithilfe eines Hochleistungslasers miteinander verschmolzen. Während des Bauvorgangs senkt sich die Plattform Schicht für Schicht ab. Der Vorgang wiederholt sich, bis das Bauteil oder Modell fertiggestellt ist. Im Gegensatz zur SLA-Technologie ist jedoch kein Stützmaterial erforderlich, da das Bauteil von ungesintertem Material gestützt wird.

Sonstiges

Zwar gibt es noch verschiedene andere 3D-Drucktechnologien, doch sind diese im Zusammenhang mit der additiven Fertigung nicht erwähnenswert.

Vorteile der additiven Fertigung

Zeitersparnis

Auch wenn es nicht ausschließlich um die Prototypenentwicklung geht, eignet sich die additive Fertigung ideal für die schnelle Herstellung von Prototypen. Wie bereits erwähnt, ermöglicht dieses Verfahren die Fertigung von Bauteilen direkt aus einer 3D-CAD-Datei, wodurch die Kosten und der zeitaufwändige Prozess der Herstellung von Vorrichtungen oder Werkzeugen entfallen.

Gestaltungsfreiheit

Da der Fertigungsprozess so schnell abläuft, können Designänderungen fortlaufend umgesetzt werden, sodass das Bauteil durchgehend optimiert werden kann, ohne dass es zu erheblichen Verzögerungen und höheren Kosten für die Anpassung der Werkzeuge kommt.

Komplexe Geometrien

Die additive Fertigung ermöglicht es Ingenieuren, mit neuen Ideen zu experimentieren und Bauteile zu entwerfen, die frei von bisherigen Einschränkungen bei der Bearbeitung sind und komplexe Strukturen aufweisen, die mit anderen Verfahren nicht realisierbar wären. Komplizierte Details können nun bereits in der Konstruktionsphase berücksichtigt werden. Bauteile, für die bisher die Montage und das Verschweißen mehrerer Einzelteile erforderlich waren, können nun als ein einziges Teil gefertigt werden, was zu einer höheren Festigkeit und Langlebigkeit führt.

Gewichtsreduzierungen

Konstrukteure können den Bedarf an zusätzlichen, schweren Bauteilen reduzieren und gleichzeitig die Festigkeit und Integrität des Bauteils gewährleisten, indem sie Strukturen bereits in der Konstruktionsphase einbeziehen und so den Bedarf an überschüssigem Material und Bauteilen vermeiden.

Umwelt

Die additive Fertigung gilt als wesentlich klimafreundlicheres Verfahren als andere; dabei fallen weniger Abfälle an als bei der subtraktiven Fertigung.

Bei Photocentric haben Photocentric den LCD-3D-Druck erfunden, der bereits die CO₂-ärmste Form des 3D-Drucks darstellt. Derzeit entwickeln wir die nächste Generation von Bildschirmen mit monochromen Displays, die dreimal so viel Licht durchlassen wie farbige Displays. Durch den Einsatz von Zentrifugieren anstelle von Waschen und durch selektive Flächenbeleuchtung in einem autonomen Prozess können wir Fertigungsmethoden mit einem noch geringeren CO₂-Fußabdruck anbieten.

Geld sparen

Letztendlich verblassen die anderen Vorteile, wenn der Prozess für den Hersteller höhere Kosten verursacht. Die additive Fertigung senkt jedoch die Kosten für die Industrie in vielerlei Hinsicht. Dies gilt insbesondere für die astronomisch hohen Kosten für die Herstellung von Werkzeugen, Formen und Vorrichtungen.

Angesichts der zusätzlich gestiegenen Logistikkosten konnten Kunden durch den Druck eigener Teile vor Ort Tausende an Versandkosten für Teile aus weit entfernten Lieferorten einsparen.