Was Sie über 3D-Druck in der Industrie wissen müssen

Was ist additive Fertigung?

Additive Fertigung oder auch 3D-Druck bezeichnet Fertigungsverfahren, bei denen Material Schicht für Schicht aufgetragen wird, sodass ein dreidimensionales Bauteil entsteht. Das Gegenteil sind subtraktive Fertigungsverfahren wie beispielsweise das Fräsen, Drehen oder Schleifen, bei denen Material abgetragen wird, um ein Bauteil zu erhalten.

Wer hat den 3D-Druck erfunden? Seit wann gibt es additive Fertigung?

Als Erfinder des heutigen 3D-Drucks gilt Chuck Hull. Der US-amerikanische Physiker hat 1981 die Stereolithografie erfunden, eines der mittlerweile vielen additiven Fertigungsverfahren (siehe unten). 1983 hat er das erste Bauteil gedruckt, 1986 das Unternehmen 3D Systems gegründet und das Verfahren zum Patent angemeldet. 1987 kam der erste SLA-Drucker auf den Markt.

Nur ein Jahr später hat Carl Deckard ein weiteres generatives Fertigungsverfahren entwickelt - das Lasersintern. Zum Patent angemeldet wurde es 1989.

Seit diesen ersten Schritten in den 1980er wurden immer weitere additive Fertigungsverfahren entwickelt. Zum Beispiel wurden 1989 das FDM-Druckverfahren und im Jahr 1999 die Polyjet-Technologie patentiert.

Und es geht immer weiter. Im Jahr 2020 wurden laut IFI Claims Patent Services über 800 Patente im Bereich der additiven Fertigung angemeldet.

Wie funktioniert additive Fertigung?

Bei der additiven Fertigung wird Material schichtweise aufgetragen, um ein dreidimensionales Objekt zu erstellen. Der Prozess beginnt zunächst mit der Erstellung eines digitalen 3D-Modells des Bauteils, das mittels Software erstellt wird. Dieses Modell wird dann von der jeweiligen Maschine aufgebaut. Dazu werden verschiedenste Verfahren und Materialien genutzt.

Als Rohmaterial kommen diverse Kunststoffe oder Metalle zum Einsatz, das Angebot ist sehr vielfältig. Auch die Form des Rohmaterials ist je nach Verfahren unterschiedlich: Sehr häufig ist es Pulver, manchmal aber auch Draht oder Flüssigkeit.

Nachdem alle Schichten hergestellt wurden, wird das Objekt aus der Maschine entnommen und kann anschließend gereinigt oder nachbearbeitet werden, um eine glatte Oberfläche oder andere gewünschte Eigenschaften zu erreichen.

Welche 3D-Druck-Verfahren gibt es?

Es gibt viele Varianten an additiven Fertigungsprozessen. Im Bereich der Kunststoffverarbeitung zum Beispiel die bereits erwähnte Stereolithographie, kurz SLA. Bei diesem Verfahren wird ein Laser genutzt, um Schichten von flüssigem Kunststoff auszuhärten. Beim Fused Deposition Modeling, kurz FDM, hingegen wird ein dünner Draht des Rohmaterials geschmolzen und Schicht für Schicht aufgetragen.

Im Bereich der metallischen Werkstoffe gibt es beispielsweise das selektive Laserschmelzen, kurz SLM. Hier wird Metallpulver in Schichten aufgebracht und punktuell mittels Laserstrahl verschmolzen. Aber auch Plasma-Lichtbögen oder Elektronenstrahlen werden zum Verschmelzen genutzt. Detaillierte Beschreibungen der häufigsten genutzten Verfahren für die additive Herstellung metallischer Komponenten finden Sie in dieser Zusammenstellung:

Wie sieht die Prozesskette beim Additive Manufacturing aus?

Schritt 1: 3D-Modell

Es wird ein dreidimensionales CAD-Modell des gewünschten Bauteils erstellt.

Schritt 2: Prozessvorbereitung

Hier wird das CAD-Modell zunächst in eine STL-Datei konvertiert. STL ist das branchenübliche Datenübertragungsformat für die additive Fertigung. Die STL-Datei speichert Informationen über das 3D-Modell so, dass der 3D-Drucker sie verstehen kann. Die Informationen in der Datei beschreiben lediglich die reine Geometrie des Modells, Angaben zu Textur, Farbe oder Material sind nicht enthalten.

Diese Datei wird dann in die zum 3D-Drucker zugehörige Software eingelesen. Dort können dann gegebenenfalls nötige Stützstrukturen eingefügt und die Orientierung des Modells im Druckraum eingestellt werden.

Danach erfolgt in der Software das sogenannte Slicing. In diesem Schritt wird das STL-Modell in einen Stapel flacher Schichten aufgeteilt und es wird eine G-Code-Datei erstellt. In dieser Datei sind Anweisungen für den jeweiligen Druckertyp enthalten, zum Beispiel als lineare Bewegungsmuster für den Laser oder Extruder.

Als Letztes wird in diesem Schritt der 3D-Drucker vorbereitet, sprich die Maschine in Betrieb genommen, mit Material versorgt und so weiter.

Schritt 3: Druckprozess

Hier erfolgt die physische Herstellung des Bauteils. Je nach Verfahren (siehe oben) geschieht das auf unterschiedliche Weise. Nach Abschluss des Aufbauprozesses kann das dreidimensionale Bauteil aus der Maschine entnommen werden.

Schritt 4: Nachbearbeitung

In den meisten Fällen ist anschließend an den eigentlichen Druck eine Nachbearbeitung notwendig. Dazu gehört beispielsweise das Entfernen von Pulver- oder Harz-Rückständen, das Abtrennen von Stützstrukturen und die Oberflächenveredelung.

Was muss dabei am häufigsten gemacht werden? Das auf die Nachbearbeitung additiv gefertigter Teile spezialisierte Unternehmen Post Process Technologies hat 3D-Druck-Anwender befragt, welche Methoden bei der Nachbearbeitung bei ihnen genutzt werden und das ist das Ergebnis:

Für welche Anwendungsgebiete wird additive Fertigung genutzt?

Die wohl bekannteste Anwendung von 3D-Druck ist der Prototypenbau. Hier können die additiven Verfahren ihre Vorteile besonders gut ausspielen, besonders die Designfreiheit. Aber auch zeitlich ist die Fertigungstechnik hier vorteilhaft: Was mit herkömmlichen Verfahren oft mehrere Wochen oder sogar Monate dauert, kann mit ihr häufig innerhalb von Stunden erledigt werden. Daher wird der Prozess auch als 'Rapid Prototyping' bezeichnet.

Aber auch in der industriellen Produktion wird die generative Fertigung bereits immer häufiger genutzt, zum Beispiel für Ersatzteile oder maßgeschneiderte Produkte. Beispielsweise können individuell angepasste Prothesen und Implantate für Patienten hergestellt werden.

Eine detaillierte Übersicht über die häufigsten Anwendungsfelder für 3D-Druck im industriellen Umfeld finden Sie hier: "Wofür die Industrie 3D-Druck am häufigsten nutzt".

Was sind die Vorteile additiver Fertigung?

Additive Fertigungsverfahren haben einige Vorteile, die sie von subtraktiven Verfahren abheben. Dazu gehören:

• Design-Flexibilität: Der 3D-Druck hat neue Möglichkeiten geschaffen, Dinge zu konstruieren. Während subtraktive Fertigungstechniken wie Fräsen oder Drehen bei komplexen Geometrien manchmal Schwierigkeiten bereiten, sind den additiven Verfahren keine Grenzen gesetzt. Dies bedeutet, dass Unternehmen innovativere Produkte entwickeln und schneller auf sich ändernde Marktanforderungen reagieren können.
• Geringere Kosten: Vor allem Einzelteile und Kleinserien können additiv oft kostengünstiger hergestellt werden, unter anderem da Umrüstzeiten entfallen oder der Bedarf an teuren Werkzeugen gesenkt wird.
• Schnellere Produktion: Da dank Rapid Prototyping mittels 3D-Druck schneller Prototypen entstehen, können Unternehmen auch das Endprodukt schneller auf den Markt bringen.
• Nachhaltigkeit: Bei der additiven Herstellung von Produkten wird (von Stützstrukturen abgesehen) nur so viel Material verbraucht, wie wirklich benötigt wird. Daher wird weniger der teils wertvollen Werkstoffe verschwendet. Das trägt nicht nur zur Kostenreduktion bei, sondern ist gleichzeitig auch nachhaltiger.

Mehr über die Vorteile der additiven gegenüber der subtraktiven Fertigung, hören Sie zum Beispiel in dieser Folge unseres Podcasts Industry Insights mit dem EMEA-Chef von Stratasys:

Was sind die Nachteile additiver Fertigung?

An manchen Stellen kann der 3D-Druck allerdings nicht mit abtragenden Verfahren mithalten. Dazu gehören die folgenden Nachteile:

• Große Stückzahlen sind zu teuer: Bei vielen der herkömmlichen Fertigungstechniken sinken die Herstellungskosten bei hohen Stückzahlen. Bei der additiven Fertigung ist dies nicht der Fall. Daher lohnt sich die Methode bei hohen Stückzahlen meist nicht.
• Nachbearbeitung notwendig: Je nach Druckverfahren, Werkstoff und Einsatzzweck der Bauteile müssen diese noch aufwendig nachbearbeitet werden. Zum Beispiel müssen Stützstrukturen entfernt und Oberflächen bearbeitet werden.
• Höherer Materialpreis, vor allem im Kunststoffbereich: Vergleicht man den 3D-Druck mit Spritzguss, so sind die Materialkosten oft höher. Laut Mittelstand-Digital Zentrum der TU Ilmenau starten die Preise für druckbare Werkstoffe bei ungefähr 30 Euro für ein Kilogramm Filament, können aber auch bei 200 Euro für einen Liter Polyurethanharz liegen. Im Vergleich dazu beträgt der Einstiegspreis für Spritzgussgranulat bei zirka einem Euro pro Kilogramm.