Additive Fertigung

Additive Fertigung

Das additive Fertigung ihren festen Platz in der Industrie gefunden hat ist längst kein Geheimnis mehr. Fakt ist, die Hälfte aller Maschinenbauunternehmen nutzt additive Fertigung zur Herstellung von höchst komplexe Bauteile sowie Kleinserienproduktion von Bauteilen für verschiedensten Branchen. Dabei hat das Additive Manufacturing, kurz AM, noch lange nicht seinen Höhepunkt erreicht. Die Industrie steht kurz davor die additive Fertigung für die Serienproduktion bzw. Massenproduktion einzusetzen, sodass die Bauteile effizienter und kosteneffektiver hergestellt werden können.

Darüber hinaus werden stets neue AM-Verfahren, Materialien sowie neue AM-Maschinen entwickelt. Nun stellt sich uns für folgende Frage: Welche großartige Chancen stehen uns mit der additiven Fertigung zur Verfügung und welche signifikante Veränderungen wird es in den produzierenden Unternehmen geben?

Was ist der Unterschied zwischen dem 3D-Druck und der additiven Fertigung?

Die geläufigste Vorstellung von 3D-Druck ist die Extrusion eines Materials wie zum Beispiel dem Kunstoff vor Auge, welches schichtweise die Geometrie des 3D-Datenmodells aufbaut. Der Begriff „3D-Druck“ ist eine umgangssprachliche Bezeichnung für die Additive Fertigung, wobei man letzteres in der Industrie bevorzugt.

  • Das 3D-Drucken/3D-Printing ist ein Herstellungsverfahren, womit 3D-Objekte durch wiederholendes Aufschichten von Materialien erzeugt wird.
  • Das 3D-Drucken ist jedoch nur eines von vielen additiven Fertigungsverfahren.
  • Neben dem 3D-Drucken, welches auf der Material Extrusion basiert, gibt es noch viele weitere additive Fertigungsverfahren, die sich mit dem extrusions basierten Verfahren nicht ähneln.

Welche herkömmliche additive Fertigungsverfahren verwendet man derzeit?

Das Besondere an der additive Fertigung ist, dass es sehr vielfältig ist und außerdem vielseitig angewendet werden kann.

Momentan gibt es laut VDI 3405 elf unterschiedliche kommerzielle additive Fertigungsverfahren, die in der Industrie wiederzufinden sind. Neben den elf unterschiedlichen Druckverfahren, siehe unten, gibt es noch eine Reihe anderer Druckverfahren.

  1. Stereolithografie (SL)
  2. Laser-Sintern (LS)
  3. Fused Layer/Deposition Modelling (FLM/FDM)
  4. Multi Jet Modelling (MJM)
  5. Poly- Jet Modelling (PJM)
  6. 3D-Drucken (3DP)
  7. Layer Laminated Manufacturing (LLM)
  8. Digital Light Processing (DLP)
  9. Thermotransfer-Sintern (TTS)
  10. Laser Strahlschmelzen (LBM)
  11. Elektronen- Strahlschmelzen (EBM)

Welche Materialien lassen sich bei der additiven Fertigung bearbeiten?

Für die momentanen Verfahren eignen sich folgende Materialien:

  • Verschiedene Kunststoffe (TPU, ABS, PLA…)
  • Metalle (Aluminium, Edelstahl, Messing, Silber, Titan…)
  • Epoxidharze sowie Keramiken, Gips, Silikon
  • und weitere Materialien verarbeiten.

Was ist das Besondere der genannten Fertigungsverfahren und wie laufen die Verfahren jeweils ab?

FDM

Das FDM-Verfahren ist das bekannteste Verfahren und wird häufig mit dem Namen „3D-Druck“ in Verbindung gebracht. Das FDM-Verfahren haben einen höheren Bekanntheitsgrad erreicht, da es häufig in den Medien aufgegriffen wird und FDM- Maschinen bereits in einigen Elektronikmärkten wiederzufinden sind.

  • Beim FDM Verfahren wird das Filament bzw. ein dünnes Kunststoffdraht, bestehend aus einer Kunststoffsorte erwärmt und zur exakten Schmelztemperatur gebracht, sodass der Kunststoff schließlich auf das Heizbett angebracht werden kann. Bei der ersten Schichtauftragung haftet der Kunststoff auf das Heizbett. Dies ist nötig, somit eine gewisse Stabilität für die weiteren Auftragen gewährleistet ist. Der Kunststoff, welcher aus der Düse gepresst wird, wird mittels CAD Datei gesteuert und schichtweise aufgebaut, bis das fertige Bauteil generiert worden ist.
  • Das FDM Verfahren ist verglichen mit dem SLS- und dem SLA-Verfahren ungenauer und ist daher nur für weniger komplexe Bauteile geeignet.
  • Maschinen basierend auf dem FDM-Verfahren sind im Vergleich zu den anderen beiden Verfahren günstig. So liegt der Einstiegspreis von FDM Maschinen bei 315€ von der Firma „Anycubic“.
  • Mittlerweile lassen sich FDM-Drucker für private Haushalte oder kleinere Unternehmen sehr gut für die Erzeugung von kleineren Bauteilen und Prototypen verwenden. Falls sie denken, dass der FDM schon seine Endstufe erreicht hat, muss ich Sie leider enttäuschen. Forschungsinstitute und private Unternehmen forschen momentan daran die FDM-Maschinen hinsichtlich der Produktionseffizienz zu optimieren, sodass die Zeit für das eigentliche Drucken von Bauteilen verringert werden kann.

SLS & SLM

Beide Verfahren basieren auf eine Lasertechnologie, die die einzelne Schichten aus Kunststoff oder Metall schmelzen lassen, sodass diese bei der anschließender Abkühlung miteinander fusioniert werden. Die Geometriedaten werden anhand einer CAD Datei entnommen und die Bewegungsbahn wird mittels Laser und beweglichen Spiegel gesteuert.

  • Als Ausgangsmaterial nimmt man entweder Kunststoff- oder Metallpulver, welches vom Laser aufgeschmolzen wird.
  • SLM oder SLS Maschinen sind besonders genau, effizient und geeignet für die (Klein)-serienproduktion. Diese Maschinen findet man oft in der Industrie wieder und sind daher erst ab einen höheren Kapitaleinsatz verfügbar. Der Anschaffungspreis beträgt 130.000€ aufwärts.
  • Es handelt sich hierbei oftmals um Production- oder Industrial Printer, die als Stand Alone Maschinen oder als AM- Bearbeitungszentrum verwendet werden.

 

Was sind die Chancen der additiven Fertigung im Bauwesen?

Erst kürzlich gelang es einem deutschen Unternehmen das erste Haus in Beckum, NRW,mittels eines extrusion-basierten 3D-Druckers zu „bauen“. Das Haus soll bis März 2021 mit einer Wohnfläche ca. 160 Quadratmeter fertiggestellt werden.

Welches Material wird für den Bau des Hauses verwendet?

  • Ähnlich wie beim FDM-Drucker wird das Material, in diesem Fall Spezialmörtel oder Spezialbeton, schichtweise aus einer Düse auf einem Grundstück aufgetragen.
  • Im Gegensatz zum FDM-Drucker, wo die Schichtdicke 0,13 bis 0,5 mm beträgt, ist die Schichtdicke beim 3D-Beton-Drucker mehrere Zentimeter dick.

Was sind die Vorteile des 3D-Beton-Druckers verglichen mit der klassischen Baumethode?

  • Die Vorteile des Druck-Roboter ist zum einem die flexible Einsetzbarkeit und zum anderen die Schnelligkeit.
    • Mittels der Maschine kann auf das mühselige Setzen der Steine verzichten. Die Maschine schafft in der Regel ein Quadratmeter innerhalb von fünf Minuten. Als Vergleich: Ein Maurer würde für die gleiche Arbeit (1 Quadratmeter) ca. 45-60 Minuten benötigen.
    • Zudem spritzt der Spezialdrucker den Mörtel sehr präzise und kann das Spezialzement innerhalb von 1 Sekunde auf 25 cm verteilen.
  • Für die Kontrolle des Druckers und den Druckvorgangs werden zwei Mitarbeiter benötigt, die den Prozess überwachen und kontrollieren.
  • Ein dritter Mitarbeiter ist für die Arbeit die während des Druckvorgangs zuständig. Das kann zum Beispiel das Anbringen von Luftschichtankern, setzen von Elektroinstallationsdosen, Leerrohre ziehen etc sein. Diese Aufgaben würden beim klassischen Hausbau nach der Fertigstellung der Mauer anfallen. Damit würde man folglich zusätzlich Geld und Zeit sparen.

Was sind die Chancen, die durch die Implementation des neuen 3D-Bau-Druckers entstehen?

Durch den 3D-Drucker ergibt sich die Chance für neue Formen, die mittels des 3D-Druckers erzeugt werden können. Die digitale Planung von Häusern und Wohnungen sowie das Beheben des Fachkräftemangels im Baugewerbe à Der Maschinenführer ersetzt den Mauerer.

Zu den aktuellen Nachteilen gehört die momentane Beschränkung der Baubreite. Diese ist beschränkt auf 10 bis maximal 15 Meter. In der Höhe ist man zudem noch auf ca. drei bis vier Geschosse beschränkt.

Welche Chancen gibt es für die additive Fertigung im Maschinenbau?

Im Maschinenbau ist laut VDI und der RWTH Aachen die additive Fertigung als Hilfsmittel bei der Produktentwicklung im Alltag angekommen. Besonders im Anlagen-, Maschinen- und Fahrzeugbau ist die additive Fertigung äußerst gewinnbringend. Mit zunehmender Bedeutung hat der 3D-Druck das Potenzial viele konventionelle Fertigungsprozesse zu ersetzen sowie neue Geschäftsmodelle, Produkte und Lieferketten voranzubringen.

  • Mittels additive Fertigung lassen sich komplette Endprodukte produzieren, Prototypen entwickeln, Einzelteile oder Produktteile erzeugen.
  • Viele Ingenieure von großen Unternehmen und die Maschinenbauunternehmen selbst sind dazu bereit die AM-Technologie zu implementieren.
  • Äußerst komplexe Geometrien wie Hinterschnitte, Dünne Wandungen, Kurven, Hohlräume oder Kanäle lassen sich problemlos mittels eines Industrial 3D-Printers erzeugen.
  • Durch das nun verstärkte metallbasierte Verfahren des selektiven Laserschmelzen lassen sich zusätzlich metallisch anspruchsvolle Bauteile wie zum Beispiel Gasturbinenschaufel (Siemens) erzeugen
  • Momentan richtet sich die Produktion auf die Kleinserienproduktion oder auf die Produktion von Einzelstücken, da dies für die meisten Unternehmen am wirtschaftlichsten ist. Der Grund dafür ist, dass die AM-Maschinen noch langsam sind, d.h. dass ein Produktionsvorgang mehrere Stunden dauert. Im Vergleich zu den klassischen Herstellungsmethoden, braucht man beim Spritzgießen, Stanzen oder Blechumformung wenige Sekunden oder Minuten. Dennoch kann zukünftig mit der AM Serienproduktion gerechnet werden, sobald die Vorgänge effizienter und effektiver ablaufen und die Automatisierung etabliert wird.

Welche Chancen gibt es für das AM in der Medizintechnik?

Schon in den 1990er war es möglich eine Prothese mittels des 3D-Drucks zu erzeugen. Zwanzig Jahre später war die Technologie so weit, dass man Low-Budget Prothese produzieren konnte. In den 2010er war das Erzeugen von Gewebe und Organe ebenfalls möglich.

Heutzutage gibt es speziell entwickelte AM-Maschinen die für Orthesen, künstliche Organe, Prothesen, Dentalbereich, Implantate & Instrumente und für medizinische Geräte gebraucht werden.

Klassifizierung der Anwendungsmöglichkeiten von AM in der Medizintechnik:

Operationshilfen:

  • Bohrschablonen
  • Werkzeuge

Individuelle Implantate:

  • Zahnimplantate: Brücken, Kronen oder ganze Prothesen
  • Hüftimplantate
  • Knochen- und Gelenkimplantate

Modelle:

  • Operationsplanung
  • Modellierung von Implantaten
  • Schnittschablonen und Übungsmodelle zur Übung der Operation an lebensnahen Objekten

Organe:

  • Haut
  • Andere Organe befinden sich noch im Versuchsstadium und bedürfen Forschung

Veterinärmedizin

  • Implantat für Oberkiefer eines Hundes

Wie kann man den 3D-Trend für die Zukunft deuten?

Anhand der beiden unteren Grafiken kann man deutlich erkennen, dass der 3D-Druck bzw. die additive Fertigung noch in der Zukunft eine bedeutsame Rolle spielen wird. Zum einen benutzen die produzierenden Unternehmen immer mehr mit AM-Maschinen und zum anderen ergeben sich durch die additive Fertigung neue Jobpositionen, besonders in der Fertigung und in der Konstruktion. Ein überaus wichtiger Punkt ist zudem, dass die additive Fertigung in so gut wie allen Branchen verwendet werden kann und einen überaus großen Vorteil bietet.