Additive Fertigungsverfahren – Ein Überblick

Die additiven Fertigungsverfahren werden umgangssprachlich auch als 3D-Druck bezeichnet und haben in den letzten Jahren durch den gestiegenen Einsatz im privaten Bereich weiter an Bekanntheit erlangt. Additive Fertigungsverfahren beschreiben den schichtweisen Aufbau von Material aus formlosen Rohstoffen. Dabei kommen neben Kunststoffen ebenfalls Metallpulver zum Einsatz. Im Gegensatz zu den klassischen subtraktiven Fertigungsverfahren, wie Bohren, Drehen, Fräsen, bei denen Material abgetragen wird, wird bei den additiven Fertigungsverfahren Material Schichtweise bis zum fertigen Bauteil hinzugefügt. Durch dieses Prinzip lassen sich komplexe Geometrien mit spezifischen Eigenschaften erzeugen, die mit den klassischen Fertigungsverfahren nur bedingt bis gar nicht zu fertigen sind.  In diesem Zusammenhang wird prinzipiell zwischen den Extrusionsverfahren sowie den pulverbasierten Prozessen unterschieden. Dabei haben die Laserverfahren den Vorteil, dass neben Kunststoff noch weitere Rohstoffe, wie Metall verarbeitet werden können. Als Laser-Strahlschmelzen wird die Methode zur Verarbeitung von Metallpulvern bezeichnet. Das Laser-Sintern wiederum bezeichnet die Verarbeitung von Kunststoff. Beide Verfahren werden industriell in der Serienfertigung verwendet und bezeichnen daher das Rapid Manufacturing. Der größte Vorteil der additiven Fertigungsverfahren besteht in der Tatsache, dass das Material Schicht für Schicht aufgetragen wird. Dadurch lassen sich komplexe Geometrien mit einer hohen Gestaltungsfreiheit realisieren.

Additive Fertigungsverfahren – ein Rückblick und -ausblick

Zu Beginn der Entwicklung wurden additive Fertigungsverfahren ausschließlich im Bereich des Rapid Prototyping eingesetzt. Dabei wurden bereits in den Entwicklungsprozessen frühzeitig wertvolle Eigenschaften und Merkmale des späteren Serienbauteils simuliert und erprobt. Mit der stetigen Weiterentwicklung der Technologie konnten immer komplexere Produkte zu sinkenden Produktionskosten „gedruckt“ werden. In den letzten Jahren hat sich die Weiterentwicklung der Technologie stark beschleunigt und die additiven Fertigungsverfahren werden ebenfalls in der (Klein-) Serienfertigung eingesetzt. Insbesondere im Bereich der Luft- und Raumfahrt, des Werkzeug- und Formenbaus sowie der Automobilindustrie hat der Einsatz des 3D-Druck in den letzten Jahren stark zugenommen. Für die weitere Entwicklung zeichnen sich vielfältige Einsatzmöglichkeiten ab. Besonders im Rahmen der vernetzten Industrieproduktion (Industrie 4.0) sind den Phantasien fast keine Grenzen gesetzt. Dabei liegt der Fokus in der Losgröße 1 Produktion. In diesem Kontext wird oft von der sogenannten Mass Customization gesprochen, mit dem Potential, die vollständige Individualisierung von Produkten zu erreichen. Im Zuge der Digitalisierung und der damit verbundenen Vernetzung der Produktion rückt der Kunde mit seinen individuellen Anforderungen noch weiter in den Mittelpunkt.

Einsatz von additiven Fertigungsverfahren – ein Einblick in die Luftfahrt- und Automobilindustrie

Aufgrund der rasanten Weiterentwicklung der additiven Fertigungsverfahren wurden in den letzten Jahren die Einsatzmöglichkeiten immer größer. Neben dem Einsatz im Bereich der Prototypenfertigung, wurden mit der Zeit die Einsatzbereiche immer weiter in Richtung industrieller Serienfertigung ausgedehnt. Auf Grund des gestiegenen Reifegrads werden die unterschiedlichen additiven Fertigungsverfahren für die Industrie immer interessanter und wertvoller. Die prädestinierteste Industrie zum Einsatz additiver Fertigungsverfahren ist aktuell die Luft- und Raumfahrtindustrie. In diesem Bereich werden als erstes die Charakteristika zum wirtschaftlichen Einsatz (z.B.: geringe Stückzahlen, Einsatz teurer Werkstoffe, zu schwere Bauteile, dezentraler Ersatzteilbedarf, etc.) erfüllt. Die größten Vorteile liegen dabei in der Gewichtsersparnis von gedruckten Teilen sowie in der Reduktion der Werkstoffmenge. Dadurch lassen sich für die Airlines die Betriebskosten deutlich reduzieren, was auf Grund der hohen Treibstoffkosten ein wirtschaftlich ausschlaggebendes Argument darstellt. Im Bereich der Automobilindustrie werden die additiven Fertigungsverfahren bereits seit längerer Zeit im Bereich des Prototypen-, Werkzeug- sowie Formenbau und Montagehilfen eingesetzt. Langsam erfolgt ebenfalls der Schritt in die Kleinserienfertigung vorzugsweise im Motorsport sowie Konzept- und Studienfahrzeugen. Für die Zukunft besteht das Potential ebenfalls Anbauteile additiv unter Serienbedingungen zu fertigen. Wesentliche Erfolgsfaktoren sind in diesem Zusammenhang die Steigerung der Produktivität (Stückzahlen unter Serienbedingungen) sowie die Reduktion der Investitionskosten. Bei einer gleichbleibenden Entwicklungsgeschwindigkeit der Technologien wird ein umfangreicher Einsatz in der Serienfertigung bis 2035 durch Experten erwartet.

Die additiven Fertigungsverfahren verzeichnen die letzten Jahre durchschnittliche Wachstumsraten von ca. 30%. Das Potential möglicher Anwendungsszenarien ist unverkennbar groß. In Rahmen der Industrie 4.0 werden 3D-Druck-Verfahren eine zentrale Rolle in der industriellen Produktion einnehmen.