Neu bei AM: Ein Einsteigerhandbuch zur additiven Fertigung und ihren wichtigsten Technologien

MAI 8, 2023 | Lesezeit: 5 min

Sind Sie neu in der aufregenden Welt der additiven Fertigung und der Schlüsseltechnologien, die sie möglich machen? In diesem Blog haben wir einen umfassenden, aber unkomplizierten Leitfaden zusammengestellt.

Additive Fertigung ist zukunftsorientiert

Obwohl es sich nicht um eine neue Technologie im engeren Sinne handelt, hat die additive Fertigung (AM) - manchmal auch als 3D-Druck bezeichnet - in den letzten Jahren große Aufmerksamkeit auf sich gezogen. Und dafür gibt es viele spannende Gründe:

Unabhängig davon, ob ein Unternehmen AM-Systeme und -Materialien einsetzt, um hochmoderne Polymermischungen oder vielseitige Aluminiumlegierungen zu formen, bleibt die Tatsache bestehen, dass es in der Lage ist, Teile nach geometrischen Parametern herzustellen, die früher unmöglich oder (zumindest) extrem schwierig zu erreichen waren.
Durch additive Fertigung hergestellte Teile mögen "einfacher" erscheinen als ihre traditionell hergestellten Gegenstücke - kleiner, leichter, mit weniger Einzelteilen usw. Aber in zahlreichen Fällen kann ein AM-gefertigtes Teil die Leistung eines herkömmlichen Teils erreichen oder übertreffen.
Die additive Fertigung hat sich in zahlreichen Anwendungen bewährt. Diese reichen von einfachen und lustigen (Laufschuhe und Hockeyhelme) über spannende (Raketentriebwerke) bis hin zu wirklich wichtigen (medizinische Implantate und chirurgische Geräte).
Die Anwender der additiven Fertigung konnten im Laufe der Zeit eine spürbare Verbesserung der Produktionsqualität und -effizienz sowie eine Verringerung der Markteinführungszeit und der Gesamtkosten feststellen.

EOS ist seit den Anfängen der additiven Fertigung dabei und entwickelt alles von 3D-Drucksystemen und Software bis hin zu Schulungs- und Beratungsdienstleistungen. Aber wenn Sie wirklich neu in der additiven Fertigung sind, möchten Sie vielleicht noch nicht von der Zuverlässigkeit unseres Unternehmens überzeugt werden - Sie möchten mehr über die Hintergründe, Prozesse, Anwendungen und Erfolge dieser bemerkenswerten Technologie erfahren.

Und das ist genau die Reise, auf die wir Sie mitnehmen wollen.

Eine kurze Geschichte der additiven Fertigung

In einigen Quellen wird ein Patent des amerikanischen Ingenieurs und Erfinders Bill Masters - konkret U.S. 4665492A vom 2. Juli 1984 - als erstes 3D-Druck-Patent bezeichnet. Andere vergeben diese Auszeichnung an ein im selben Jahr in den USA angemeldetes Patent von Charles Hull. Und beide sind für die Geschichte der Technologie von entscheidender Bedeutung.

Eine von Hideo Kodama beim Japanischen Patentamt (JPO) eingereichte Patentanmeldung (JP S56-144478) liegt jedoch fast drei Jahre vor Masters und Hull: Wie die Anmeldung, die Masters schließlich beim US-Patent- und Markenamt (USPTO) einreichte, beschreibt sie ein automatisiertes Verfahren zur Herstellung von 3D-Formen durch den Einsatz von Wärme - entweder Laser oder Ultraviolett (UV) - um weiche Kunststoffe zu härten.

Kodama konnte für seine Idee keine Finanzierung finden, obwohl er sie in bekannten Fachzeitschriften veröffentlichte, so dass er seine Patentanmeldung aufgab. Masters zog sein Patent durch, erhielt einen Zuschuss und arbeitete etwa zehn Jahre lang auf diesem Gebiet, fand aber ebenfalls wenig Beachtung.

Ein unbesungenes Jahr der Wende

1984 wurden mehrere wichtige AM-Verfahren erfunden - allerdings dauerte es einige Zeit, bis diese frühen Innovationen in großem Maßstab realisiert werden konnten. Der Entwurf von Masters (wie auch der von Kodama) war ein frühes Beispiel für die Programmierung der numerischen Computersteuerung (CNC) und des computergestützten Designs (CAD), die für künftige AM-Systeme unerlässlich sind.

In diesem Jahr wurden auch zwei Patente angemeldet, die für eines der ersten additiven Fertigungsverfahren mit potenzieller Marktreife von entscheidender Bedeutung sind: die Stereolithografie (SLA).

Die erste, von den französischen Erfindern Alain le Méhauté, Olivier de Witte und Jean Claude André, wurde kurz nach ihrer Anmeldung von ihrem Sponsor aufgegeben. Die zweite, von Charles Hull, gab den Anstoß zur Produktion des SLA-1 3D-Druckers. Der SLA-1 war für viele unerschwinglich, und Hull hatte, wie andere frühe Befürworter der AM, Schwierigkeiten, traditionelle Hersteller von ihrem Potenzial zu überzeugen. Hull erfand jedoch auch das STL-Format für die Konstruktionsdateien des SLA-1, das heute noch üblich ist.

Verfeinerung und Hochskalierung

Ingenieure, darunter auch die von EOS, verbrachten die 1990er Jahre damit, die frühen additiven Fertigungsverfahren - SLA und Fused Deposition Modeling (FDM) - ständig zu verbessern und neue Verfahren zu entwickeln. Die meisten (wenn auch nicht alle) konzentrierten sich auf die Formung von Polymeren zu 3D-Komponenten, einschließlich Material- und Bindemittelstrahlverfahren, Blechlaminierung, Laser-Pulverbett-Fusion (LPBF) und selektives Lasersintern (SLS). Einige dieser Verfahren, wie SLS und LPBF, ermöglichten eine fortgeschrittene Metallbearbeitung, waren aber für die traditionelle (subtraktive) Fertigung gedacht. Die Entwicklung von Materialauftragsverfahren wie Mikrogießen und thermisches Spritzen ebnete jedoch den Weg für die additive Verwendung von Metall.

In Verbindung mit Fortschritten bei der CAD-Software und dem Aufkommen pulverförmiger Polymere und Metalle trug die Verfeinerung der industriellen 3D-Drucksysteme dazu bei, dass sie in den 2000er Jahren für das Rapid Prototyping bekannt wurden. In den 2010er Jahren wurde die additive Fertigung so weit skaliert, dass sie die Montage von Teilen auf viel höherem Niveau ermöglichte, in einigen Fällen sogar so weit, dass man sie als "Massenproduktion" bezeichnen kann. Trotz der wenigen Beschränkungen, die der AM noch entgegenstehen - Materialkompatibilität (vor allem bei Metallen), anfängliche Kosten und Aufwand für die Implementierung, ein (wenn auch schrumpfendes) Qualifikationsdefizit und Skepsis seitens der traditionellen Hersteller - nehmen die Präsenz und die Bedeutung der Technologie weiter zu.

Die wichtigsten AM-Technologien

Der nächste Schritt auf dem Weg zu ernsthaften Plänen zur Einführung der additiven Fertigung in Ihren Produktionsanlagen besteht darin, sich mit den Grundlagen der wichtigsten AM-Technologien vertraut zu machen.

Dies ist keine Liste aller additiven Fertigungsverfahren, und nicht alle der unten aufgeführten Techniken werden in EOS-Systemen verwendet. Aber um eine möglichst fundierte Entscheidung über AM zu treffen, ist ein Verständnis des Themas erforderlich, das über unseren Produktkatalog hinausgeht.

Bottich-Photopolymerisation

Auch wenn es sich nicht um das heute noch verwendete SLA-Verfahren handelt, ist die Bottich-Photopolymerisation (oder manchmal auch einfach Polymerisation) wohl das am weitesten verbreitete. Der Name dieser Methode stammt von der Quelle des Materials, das für die Produktion verwendet wird: ein Bottich mit flüssigem Photopolymerharz. Eine "Bauplattform" wird wiederholt in den Bottich abgesenkt (und wieder herausgehoben), und jedes Mal, wenn sie wieder auftaucht, härtet eine UV- oder Laserlichtquelle das Harz auf der Plattform in Schichten aus, die ein Bauteil bilden, entsprechend den Designparametern der angeschlossenen CAD-Software des Systems. Nach Abschluss der Montage entnimmt das System das Produkt aus der Wanne, aus der das überschüssige Harz abgelassen wurde.

Durch Küpenpolymerisation additiv gefertigte Objekte müssen möglicherweise stärker nachbearbeitet werden als Teile, die mit anderen AM-Methoden hergestellt wurden: Eine weitere UV- oder Laserbestrahlung kann notwendig sein, um das Bauteil effektiv zu härten. Außerdem müssen während der Herstellung manchmal Stützstrukturen auf der Plattform angebracht werden, damit das aushärtende Harz die vom Konstrukteur beabsichtigte Form bildet; falls diese verwendet werden, müssen sie später sorgfältig vom Teil entfernt werden. Insgesamt ist die Küpenpolymerisation ein schnelles und genaues Verfahren, aber da die fertigen Bauteile nicht unbedingt degradations- oder korrosionsbeständig sind, eignet es sich möglicherweise besser für die Herstellung von Prototypen als für die Produktion marktreifer Teile.

Material- und Bindemittelausstoß

Das Materialstrahlverfahren kommt dem "Drucken" vielleicht näher als die meisten anderen additiven Fertigungsverfahren, auch wenn 3D-Druck manchmal als allgemeines Synonym für AM verwendet wird. Düsen über einer Bauplattform geben verflüssigtes Material (in der Regel Polymer oder Wachs, gelegentlich auch Metall) in Form von sich wiederholenden Tropfen auf eine Bauplattform ab. UV-Licht härtet die Tropfen aus, während sie entsprechend den Designparametern Schichten bilden und die Form des geplanten Objekts annehmen. Da Material Jetting nur mit einigen wenigen Materialien kompatibel ist, ist sein Nutzen begrenzt; der Hauptvorteil des Verfahrens ist der geringe Abfall, der auch für das Rapid Prototyping hilfreich ist.

Beim Binder Jetting werden Pulver und Flüssigkeit kombiniert und in abwechselnden Schichten aufgetragen, wobei die Flüssigkeit - in der Regel ein Polycarbonat oder Polyamid - als Klebstoff dient. Der Hauptvorteil dieses Verfahrens besteht darin, dass pulverförmige Metalllegierungen und Polymere oder Keramiken zusammen zur Herstellung eines Teils verwendet werden können. Dies wird jedoch durch die lange Nachbearbeitungszeit, die erforderlich ist, damit die Flüssigkeitsschichten abkühlen und geeignete Verbindungen bilden können, etwas aufgehoben.

Materialextrusion

Damit ist im Allgemeinen das Fused Deposition Modeling (FDM) gemeint, eines der ersten additiven Fertigungsverfahren, das sich in der Industrie durchgesetzt hat. Es ist auch die Methode, die den Nutzern von 3D-Druckern in Tischgröße am besten bekannt ist. Polymer oder Kunststoff wird in den Drucker eingezogen, erhitzt und schließlich schichtweise durch eine Düse aufgetragen, die sich während des gesamten Prozesses automatisch an die Designvorgaben anpasst.

Die Materialextrusion mittels FDM kann nur mit Polymeren oder Kunststoffen drucken. Obwohl ein FDM-Industriedrucker mit ABS-Kunststoff kompatibel ist, der die Grundlage für robuste Teile bilden kann, ist er im Vergleich zu anderen additiven Fertigungsverfahren langsam und nur mäßig genau. Dies ist der Hauptgrund, warum sich die Unternehmen, die FDM-Drucker herstellen, stark, wenn nicht sogar vollständig, auf den Verbrauchermarkt verlagert haben.

Laminierung von Bögen

Als additives Fertigungsverfahren, das ausschließlich für Bleche und Papier geeignet ist, hat die Blechlaminierung nur begrenzte Anwendungsmöglichkeiten, kann aber für die schnelle und kostengünstige Herstellung von Prototypen nützlich sein.

Die Metallversion dieses Verfahrens wird als ultraschallgestützte additive Fertigung (UAM) bezeichnet und umfasst das Ultraschallschweißen von Metallblechen (in der Regel Aluminium, Kupfer, Edelstahl oder Titan). Im Gegensatz dazu werden beim Laminated Object Manufacturing (LOM) Papierbögen mit Klebstoff beschichtet. Beide Verfahren eignen sich nur für die Herstellung von Teilmodellen. Die Fähigkeit von UAM, mehrere Metalle zu verwenden, kann Konstrukteuren und Ingenieuren dabei helfen, zu simulieren, wie additiv gefertigte Metallteile, z. B. aus Kupfer, mit anderen Metallen in bestimmten industriellen Anwendungen kompatibel sein könnten.

Gezielte Energiedeposition

Wie der Name schon sagt, wird bei der gerichteten Energieabscheidung (DED) in der Regel eine Düse an einem hochflexiblen, automatisierten Arm verwendet, um das Material schichtweise auf einer Bauplattform abzuscheiden, und zwar genau zu dem Zeitpunkt, zu dem eine Wärmequelle auf die Substanz gerichtet wird. DED hat eine Reihe von Varianten und kann daher Polymer-, Keramik- oder Metallmaterial verwenden, aber seine häufigste Unterkategorie, das Elektronenstrahlschmelzen (EBM), ist ausschließlich für Metall geeignet.

Diese Methode ist zwar für die Teileproduktion unpraktisch, kann aber aufgrund der Flexibilität der Düse als additive Technik für die Reparatur von Bauteilen nützlich sein. Die Hochgeschwindigkeitsreparatur, zu der DED in der Lage ist, beeinträchtigt jedoch die Genauigkeit, und wenn Genauigkeit eine Priorität ist, müssen die Ingenieure die Geschwindigkeit opfern.

Pulverbettfusion

Einige der gängigsten additiven Fertigungsverfahren fallen unter den Begriff Pulverbettschmelzen, darunter SLS, selektives Heißsintern (SHS), selektives Laserschmelzen (SLS) und EBM. Das gemeinsame Element dieser Verfahren ist die Verwendung von Polymeren oder Metallen in Pulverform: Die Pulver werden mit einer Walze oder einem Messer schichtweise aus einem Behälter unter oder neben der Bauplattform (Bett) entnommen und dann zum Erstarren erhitzt.

Die wichtigsten Unterschiede zwischen den Pulverbettschmelzverfahren sind die folgenden:

SLS verschmilzt (sintert) Polymere oder Kunststoffe zu fertigen Teilen.
Direct Metal Laser Solidification (DMLS) ist die SLS-Variante, die für pulverförmige Metalle verwendet wird.
Beim SHS werden die Schichten im Pulverbett mit einem Thermodruckkopf zusammengesintert.
EBM funktioniert mit Metallpulvern nur unter Vakuumbedingungen, die es dem Elektronenstrahl ermöglichen, die Schichten im Pulverbett zu verschmelzen.

Das Pulverbettschmelzen ist etwas langsamer als andere additive Fertigungsverfahren und erfordert einen erheblichen Stromverbrauch. Da das Verfahren aber meist für industrielle Anwendungen reserviert ist, sind diese Probleme nicht zwingend. Die laserbasierten Varianten dieser Technik sind auch eher in der Lage, zuverlässig funktionale, marktreife Teile zu produzieren als Modelle oder Prototypen.

EOS' Beiträge zu AM-Technologien

Die von EOS angebotenen industriellen 3D-Drucksysteme verwenden die SLS- und DMLS-Varianten der Pulverbettfusion für Polymer- bzw. Metallpulver. EOS hat nicht nur dazu beigetragen, SLS für industrielle Anwendungen populär zu machen, sondern erfand vor fast 30 Jahren speziell das DMLS für den 3D-Druck von Metallen. Zu einer Zeit, als nur wenige die additive Fertigung mit Metallen für möglich hielten, haben unsere Ingenieure und Experten unsere Werkzeuge und Methoden verfeinert, um sie Wirklichkeit werden zu lassen.

Innovation in allen Bereichen

Der Ruf von EOS in der additiven Industrie beruht nicht nur auf den von uns verfeinerten Pulverbettfusionsverfahren, den von uns entwickelten 3D-Drucksystemen oder den von uns selbst entwickelten Werkstoffen für die additive Fertigung von Polymeren und Metallen. Wir verfolgen einen ganzheitlichen Ansatz für die additive Fertigung und bieten neben unserer Hard- und Software auch vertrauenswürdige Dienstleistungen zur Unterstützung an. Dazu gehören die Projektberatung durch das preisgekrönte Additive Minds-Team und 3D-Druckkurse, die Anfängern in der additiven Fertigung helfen, zu Designern zu werden und die Fähigkeiten von Ingenieuren in Fachwissen zu verfeinern.

Wenden Sie sich an einen Experten von Additive Minds, um mehr zu erfahren, ganz gleich, wo Sie sich auf Ihrer Reise in die Welt der additiven Fertigung befinden.