Additive Fertigung

Additive Fertigung – Was ist das? Was versteht man unter additiver Fertigung? Welche Unterschiede bestehen zwischen additive Fertigung in der Industrie (industrieller 3D-Druck) und dem Hobby-3D-Druck? Welche additiven Fertigungsverfahren werden in der Industrie eingesetzt? Welche Vorteile bietet der industrielle 3D-Druck? Was sind die Nachteile der additiven Fertigung? Wie entwickelt sich die additive Fertigung? Diese Fragen und viele weitere klären wir in unserem hier vorliegendem Ratgeber „Additive Fertigung – Bedeutung, Definition, umfassende Erklärung“.

Wie ist dieser Text entstanden? Das 3D-grenzenlos Magazin berichtet seit 2013 täglich zur Entwicklung der additiven Fertigung und den 3D-Druckern weltweit. Unsere Autoren und ausgewählte Experten haben an der Entwicklung dieses Kompendiums zur additiven Fertigung mitgewirkt. Lektorat wurde von einem professionellen Lektor übernommen. Dieser Text wird fortlaufend angepasst. Die letzte Aktualisierung fand am 06.01.2023 statt.

Dieser Text unterliegt dem Copyright der Marcel Thum & Christoph Mann GbR (JONGO Webagentur) (zum Impressum) und darf nicht ohne die Genehmigung des Urhebers – auch nicht in Auszügen – kopiert werden.

Die additive Fertigung ist ein Prozess, bei dem durch Zufügen von Material, meist in geschmolzener Form oder als Pulver ein Objekt entsteht. Diese Art der generativen Fertigung gewinnt vor allem in der Industrie und im Prototypenbau kontinuierlich an Bedeutung. Abhängig vom Verfahren lassen sich bereits Kleinserien unkompliziert realisieren – in unterschiedlichen Materialien und sogar als Verbundwerkstoff. Die additive Fertigung bietet großes Potenzial und erlaubt es, Werkstücke herzustellen, welche mittels subtraktiver Fertigung gar nicht realisierbar wären.

„3D-Druck ist die nächste industrielle Revolution“ (Barack Obama, ehem. US-Präsident)

Additive Fertigung
Additive Fertigung – der große Ratgeber „Was ist additive Fertigung?“

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Grundlagenwissen zur additiven Fertigung

Das nachfolgende Kapitel stellt Grundlagenwissen zur additiven Fertigung dar. Das Kapitel gibt Aufschluss über die Entstehung additiver Fertigungsverfahren und ihrer Vergangenheit bis zurück in die 70er-Jahre. Es beschreibt die Zeitreise bis in die Gegenwart und gibt Aufschluss über die wachsende Verbreitung der additiven Fertigung in der Industrie aber auch im Bereich der Endanwender (hier wird gängiger der Begriff „3D-Druck“ verwendet, wobei der Begriff „additive Fertigung“ die industrielle Anwendung des 3D-Drucks beschreibt). Darüber hinaus werden in diesem Grundlagenkapitel auch die häufigsten Anwendungsgebiete der additiven Fertigung beschrieben sowie eine Abgrenzung der additiven Fertigung zur subtraktiven Fertigung hergestellt, wobei gezielt auf die Vor- und Nachteile beider Verfahren eingegangen wird, da die additive Fertigung in vielen Anwendungsbereichen als wirtschaftliche attraktive Alternative zur subtraktiven Fertigung angesehen wird.

Die Entstehung additiver Fertigungsmethoden

Die additive Fertigung ist absolut keine Neuheit und existiert nicht erst seit der Markteinführung von Consumer-3D-Druckern. Bereits in den 70er-Jahren wurde das Konzept eines 3D-Druckverfahrens erdacht, die ersten Versuche mit der noch neuen Technologie fanden 1981 statt. Während das Verfahren von Hideo Kodama zuerst entdeckt wurde, aber aufgrund eines Formfehlers nicht patentiert wurde, geht das eigentliche Patent zur Stereolithograpie an Jack Hull zurück, der später das nicht unbekannte Unternehmen 3D-Systems gründete.

Bereits kurz darauf folgten weitere Patente verschiedener Antragsteller und gleichzeitig wurden mehrere Verfahren entwickelt, die allesamt den additiven Fertigungsmethoden zuzuschreiben sind. 1989 erfand Carl Deckard das Lasersinterverfahren, bei welchem ein Kunststoffpulver per Laser verschmolzen wird, und legte damit den nächsten wichtigen Meilenstein. Im selben Jahr wird außerdem das heute im Privatbereich verbreitete FDM-Verfahren entwickelt und ebenfalls zum Patent angemeldet.

Die additive Fertigung heute

Das stetig weiterentwickelte FDM (Fused Deposition Modeling) ist bereits seit den 90er-Jahren industriell im Einsatz und ist mittlerweile in der Lage, eine breite Palette an Materialien und sogar Legierungen Schicht für Schicht aufzutragen. In der Industrie kommen vorwiegend metall- oder polymerbasierte Fertigungsmethoden zum Einsatz. Hier stehen sowohl die Kleinserienfertigung als auch die Entwicklung von Prototypen im Fokus der Entwickler und Hersteller. Additive Fertigung wird aktuell besonders in Bereichen angewendet, in denen nicht allzu große Stückzahlen zu erwarten sind und eine komplexe Geometrie sowie ein hoher Individualisierungsgrad gefordert ist.

Häufige Anwendungsgebiete der additiven Fertigung

Generative Fertigungsverfahren werden mittlerweile in zahlreichen Bereichen der Herstellung eingesetzt und revolutionieren dort nicht nur die Fertigungsmethoden, sondern nicht selten die gesamte Industrie. Die Möglichkeiten, diese Technologie einzusetzen, sind dabei ebenso vielfältig.

  • Im Prototypenbau ermöglicht die additive Fertigung höhere Entwicklungsgeschwindigkeiten, wie etwa in der Luft- und Raumfahrt. Metallische Baugruppen können dadurch werkzeuglos und schnell erstellt werden und neue Triebwerkstypen oder optimierte Bauteile finden dadurch schneller einen Weg in die Produktion.
  • In der Medizin lassen sich mithilfe des 3D-Drucks Prothesen und Implantate zeitnah und ganz individuell realisieren. Genutzt werden hierfür meist Kunststoffe, Mineralien, Keramik oder konventionelle Metalle.
  • Production-on-demand, also die Fertigung nach Bedarf, wird durch additive Fertigungsmethoden alltagstauglich. Die bedarfsnahe Fertigung, entweder zeitlich oder dezentral, kann beispielsweise Ersatzteile werkzeuglos bei Bedarf direkt an Ort und Stelle fertigen.

Additive versus subtraktive Fertigung: Die Vor- und Nachteile beider Methoden

In der Industrie zwei grundlegend verschiedene Fertigungsmethoden im Einsatz. Während die subtraktive, also die abtragende Fertigung Material vom Werkstück wegnimmt, fügt die additive Fertigung Material hinzu, beziehungsweise erstellt den Gegenstand von Grund auf.

Additive Fertigungsverfahren
ProContra
Geringer MaterialverbrauchLängere Fertigungszeiten und begrenztes Bauvolumen
Hohe Geometriefreiheit und dadurch großes Potenzial in der LeichtbautechnikOftmals Nachbearbeitung für glattere Übergänge und Kanten erforderlich
Werkzeuglose und dezentrale Fertigung (kundennahe Produktion)Hohe Stückzahlen lassen sich noch nicht wirklich wirtschaftlich realisieren
Beschleunigt Entwicklungs- und InnovationsprozesseGegebenenfalls Konfliktpotenzial mit Urheber- und Patentrecht, da alles reproduziert werden kann
Subtraktive Fertigungsverfahren
ProContra
Große Stückzahlen und Serien dank Automatisierung und hoher Geschwindigkeit möglichOftmals hoher Materialverbrauch und damit verbundenes, aufwendiges Recycling
Kostengünstigere Herstellung größerer MengenGeringerer Freiheitsgrad erfordert manchmal mehrere Arbeitsschritte, Werkzeuge oder Maschinen
Engere Toleranzen und präzisere Bearbeitung möglichKomplexe Strukturen und Geometrien nur schwierig bis gar nicht realisierbar
Verarbeitung sämtlicher fester Materialien, unabhängig von deren SchmelzpunktKostenintensive manuelle Vorbereitungsarbeiten notwendig

Additive und subtraktive Fertigungsverfahren stehen aber in keiner direkten Konkurrenz zueinander, sondern ergänzen einander oftmals in der Produktion. Dadurch können die Vorteile beider Produktionsmethoden optimal genutzt werden und sowohl Produktionsdauer als auch Kosten geringhalten.

Additive Fertigungsverfahren im Detail

Seit der Erfindung der additiven Herstellung im industriellen Umfeld wird die Technologie stets weiterentwickelt. Dadurch existieren mittlerweile neben der ursprünglichen Stereolithograpie zahlreiche weitere Methoden, Material übereinanderzuschichten und Werkstücke additiv entstehen zu lassen. Während in jedem additiven 3D-Druckverfahren ein Objekt durch Hinzufügen von Material entsteht, sind die Vorgehensweisen im Detail völlig unterschiedlich.

3D-Druckverfahren mit geschmolzenem Material

Die am weitesten verbreitete Methode im 3D-Druck ist die Verarbeitung von geschmolzenem Rohmaterial. Dabei wird ein solides Medium durch Hitzeeinwirkung verflüssigt und durch verschiedene Methoden aufgetragen. Vorreiter in diesem Gebiet sind vor allem Consumer-Modelle, welche aber kaum einer industriellen Anlage das Wasser reichen können.

Eine kurze Geschichte des privaten 3D-Drucks

Während 3D-Druckverfahren bereits seit mehreren Jahrzehnten von der Industrie eingesetzt werden, kommt die Technologie in Form von kleineren und vor allem leistbaren 3D-Druckern erst spät in Privathaushalte. Der richtige Boom begann etwa erst 2010 mit dem damals bekannten MakerBot. Anfangs nur für einen begrenzten Anwendungsspielraum und auf ein paar Spielereien begrenzt, existieren mittlerweile zahlreiche Modelldatenbanken, über welche sich eine schier unendliche Zahl an Gegenständen herstellen lässt. Darüber hinaus werden Schnittstellen und Gestaltungssoftware immer einfacher bedienbar, sodass mittlerweile jeder Laie seine Vorstellung zu Papier, Verzeihung, Kunststoff bringen kann.

Fused Filament Fabrication (FFF) / Fused Deposition Modeling (FDM)

Im Privatbereich hat sich vor allem das Schmelzschichtverfahren etabliert, das sich relativ einfach handhaben lässt und eine breite Material- und Farbauswahl bietet. Die Kosten für Drucker und Filament sind überschaubar, sodass sich mit FFF beziehungsweise FDM kostengünstig Einzelteile und je nach Gerät auch Kleinserien herstellen lassen. Im industriellen Maßstab kann diese Technologie auch Metalle verarbeiten – bei Bedarf sogar mehrere gleichzeitig über verschiedene Düsen.

Die Vorteile dieses Verfahrens liegen allen voran in der kostengünstigen Herstellung hochgradig individualisierter und formstabiler Objekte. Dadurch können schnelle Lieferzeiten garantiert und flexibel auf Anforderungen reagiert werden. Allerdings bietet FFF/FDM nicht die Genauigkeit, die kompliziertere Verfahren ermöglichen. Außerdem kann es beim Druck vorkommen, dass sich das Material noch während des Drucks verbiegt (Warping). Volumenkörper sind außerdem in der Regel nicht solide gedruckt und benötigen eine Stützstruktur. Das K. O.-Kriterium für hochwertige Modelle ist aber, dass die einzelnen Druckschichten meist deutlich sichtbar sind und diese Methode keine wirklich glatten Oberflächen ermöglicht.

3D-Druck mit flüssigen Materialien

Gerade im Rapid Prototyping und in Szenarien, in denen saubere und glatte Oberflächen erforderlich sind, bietet der Druck mit flüssigen Materialien eine Oberflächengüte, die beinahe an Spritzguss herankommt. Materialien können dabei in der Regel gemischt werden, sodass ganz individuelle Materialeigenschaften möglich sind.

PolyJet- und MultiJet-Verfahren

Aufgrund seiner praktischen Eigenschaften ist dieses Verfahren durchaus beliebt im Rapid Prototyping. Dabei werden kleine Tröpfchen flüssigen Materials auf eine Plattform aufgetragen und anschließend sofort mit ultraviolettem Licht ausgehärtet. Zwar entsteht das Modell auch hier Schicht für Schicht, doch die hohe Auflösung und Schichtstärken von bis zu 16µm führen zu hoher Detailtreue und glatten Oberflächen. Dabei können mehrere Materialien gemeinsam verarbeitet werden, sodass sich viele Werkstücke in einem einzigen Durchgang herstellen lassen.

Stereolithographie (SLA)

Seit 1971 hat sich die Stereolithographie weiterentwickelt und erlaubt nun, hochauflösende Funktions-Prototypen, Urformen für Abgüsse und Mikrobauteile für die Chipindustrie in hoher Geschwindigkeit und Stückzahl herzustellen. Stereolithographie beziehungsweise SLA glänzt mit sehr geringen Toleranzmaßen, glatten und hochwertigen Oberflächen sowie der möglichen Abbildung noch so kleinster Details. Als Material finden photosensitive Flüssigkeiten auf Acryl-, Epoxid und auch Vinylbasis Anwendung. Diese härten bei UV-Einstrahlung aus. Der Druck selbst findet in einem Flüssigkeitsbad statt. Dabei tritt UV-Licht auf eine absenkbare Plattform und härtet dort die gewünschten Stellen aus. Danach sinkt die Plattform um etwa 50 bis 100 µm und die nächste Schicht folgt.

Digital Light Processing (DLP)

Ähnlich wie SLA wird beim Druck mit DLP auf ultraviolettes Licht gesetzt. Als Material kommt in der Regel Kunstharz (Resin) zur Anwendung, das bei Lichteinwirkung aushärtet. Dieses wird beim Druck selektiv durch eine Lichtquelle beleuchtet und härtet dabei in der gewünschten Form aus. Dieser Prozess wird schichtweise wiederholt, sodass ein qualitativ hochwertiges, glattes und vor allem wasserdichtes Modell entsteht. Bei DLP wird jede Schicht als Ganzes gehärtet, sodass eine noch feinere Auflösung als bei SLA möglich ist. Ähnlich wie bei einem Videoprojektor wird dabei ein Gesamtbild auf die Harzschicht projiziert und nicht mit einem einzelnen Lichtstrahl gearbeitet.

Vor- und Nachteile beim Druck mit flüssigen Materialien

Flüssige Materialien und der Einsatz von Licht ermöglichen extrem hohe Auflösungen und glatte Verläufe und Oberflächen. Abbildgenauigkeit und Fertigungsgeschwindigkeit sind überragend und ermöglichen, die Technologien für schnelles Prototyping oder gar die Serienproduktion einzusetzen. Überschüssiges und nicht verwendetes Harz lässt sich einfach beim nächsten Druck wiederverwenden. Dabei ist es je nach Modell aber notwendig, sämtliche Stützstrukturen nach dem Druck zu entfernen. Ein weiterer Nachteil kann sich im Material selbst widerspiegeln. Ausgehärtetes Harz ist naturbedingt brüchig und spröde, sodass Modelle in einer separaten UV-Kammer nachvernetzt werden müssen.

3D-Druck mit Metall

In immer größerem industriellem Maßstab hält der 3D-Druck mit Metallpulvern Einzug. Dabei werden vor allem Bauteile für Triebwerke, Armaturen und Baugruppen für Autos oder maßangefertigte Implantate beziehungsweise Prothesen gefertigt. Das Prinzip ist einfach: Die Bauteile entstehen schichtweise in einem Pulverbett – im Idealfall unter Schutzgas und Vakuum, um Brandgefahr zu vermeiden. Eine Walze trägt Pulver auf, ein oder mehrere Laser verschmelzen dieses auf der aktuellen Schicht. Das überschüssige Pulver landet im Überlauf. Anschließend wird der Vorgang wiederholt, bis das Objekt fertig gedruckt wurde.

Weitere Verfahren im industriellen 3D-Druck

Im industriellen 3D-Druck können Bauteile auch umfangreicher behandelt beziehungsweise repariert werden. Eine Kombination aus subtraktiver und additiver Fertigung bietet das Laserauftragschweißen im Hybridverfahren. Dabei wird beispielsweise eine defekte Stelle abgetragen und neu erstellt. Auftragschweißen kann als generatives Verfahren außerdem mit einem Lichtbogen oder Plasma-Lichtbogen erfolgen, nicht nur mit einem Laser. Die Qualität kann zwar nicht mit anderen Fertigungsmethoden mithalten, die Geschwindigkeit und Abtragleistung aber sehr wohl.

Anwendungsgebiete von additiven Fertigungsverfahren in der Praxis

Der 3D-Druck und additive Fertigungsverfahren sind mittlerweile fester Bestandteil vieler Produktionsketten in der Industrie. 3D-Druckverfahren erleichtern aber vor allem abseits der Serienproduktion die Herstellung verschiedener Modelle.

Rapid Prototyping

Die Herstellung von Prototypen kann mithilfe von Rapid Prototyping schnell und kostengünstig im 3D-Druckverfahren erfolgen. Dadurch reduziert sich in der Regel die Zeit bis zum fertigen Produkt, was zudem mit einer hohen Kostenersparnis einhergeht.

Rapid Tooling

Per Rapid Tooling können schnell und unkompliziert neue Werkzeuge oder Formen hergestellt werden, wie etwa Spritz- oder Urformen. Durch den 3D-Druck können die Modelle direkt mit Kühlkanälen versehen werden und bieten in der späteren Produktion bessere Bauteilqualität und reduzierte Zykluszeiten.

Rapid- und Direct Manufacturing

Die werkzeuglose Fertigung schnell benötigter Bau- oder Ersatzteile ermöglicht, just in time ganz nah am Kunden zu produzieren. Das generative Fertigungsverfahren ermöglicht eine kostengünstige und nachhaltige Produktion und wird häufig in der Biotechnologie und Dentalmedizin eingesetzt.

Rapid Repair

Mit Rapid Repair können Ersatzteile, die möglicherweise schwer oder gar nicht mehr verfügbar sind binnen kurzer Zeit reproduziert werden. Eingesetzt wird diese Technik vor allem bei der Reparatur von beschädigten Werkzeugen in der Industrie oder für kurzfristige Instandsetzungen, bis ein neues Ersatzteil beschafft werden kann.

FAQ – Häufig gestellte Fragen

Welche Vorteile hat die additive Fertigung?

Additive Fertigung ermöglicht einen hohen Individualisierungsgrad bei gleichzeitig geringen Einstiegskosten. Es wird kein Material abgetragen, sodass keine Materialreste entstehen und dadurch weitere Kosten eingespart werden können. Das Druckverfahren ermöglicht außerdem, mehrere Materialien gleichzeitig zu verarbeiten und zu mischen.

Welche Nachteile haben additive Fertigungsverfahren?

Je nach Technologie weisen die Oberflächen eine gewisse Rauheit beziehungsweise Treppenbildung auf. Zwar sind einige Druckverfahren überaus präzise, aber noch geringere Toleranzen lassen sich mit der subtraktiven Fertigung erzielen.

Ist additive Fertigung Urformen?

Seit 2020 wurde Urformen durch additive Fertigung in die Gruppe aufgenommen. 3D-Druckverfahren zählen demnach zu den als Urformen zusammengefassten Fertigungsverfahren.

Was ist der Unterschied von additiver Fertigung und subtraktiver Fertigung?

Bei der additiven Fertigung entstehen Objekte durch Zugabe von Material. Bei subtraktiver Fertigung wird Material von einem bereits vorhandenen Körper abgetragen, sodass das gewünschte Modell entsteht.

Wann ist der Einsatz der additiven Fertigung sinnvoll?

Additive Fertigungsverfahren spielen ihre Vorteile vorwiegend bei Kleinserien und Objekten mit hohem Individualisierungsgrad aus. Zudem lassen sich per additiver Fertigung Modelle mit unterschiedlichen Materialien erstellen, die gleichzeitig gedruckt werden.

Welche additiven Fertigungsverfahren eignen sich für zuhause?

Bereits mehrere Technologien sind mittlerweile salonfähig geworden, sprich in den eigenen vier Wänden einsetzbar. Die einfachste Variante bildet der konventionelle 3D-Drucker, welcher mit Kunststofffäden arbeitet.

Zu welchem Fertigungsverfahren zählt der konventionelle 3D-Druck?

Der handelsübliche 3D-Drucker bedient sich in der Regel der FFF und FDM-Technologie, sprich, es werden geschmolzene Materialien schichtweise aufgetragen. Selbstredend zählt der konventionelle 3D-Druck deshalb zu den additiven Fertigungsverfahren.

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