Generatives Fertigungsverfahren

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Dieser Artikel oder Abschnitt bedarf einer Überarbeitung: Die Einteilung der generativen Verfahren sollte sich an Einteilungen orientieren, wie sie in der einschlägigen Fachliteratur zu finden sind. Deshalb bitte Belege für die drei Verfahrensarten anführen oder eine in der Fachliteratur übliche Einteilung vornehmen. Ansonsten muss es heißen "kann unterschieden werden" und nicht "wird unterschieden in". Die Mehrheit der Abschnitte enthält zwar viel Text, welcher allerdings "gut selbst ausgedacht" aber nicht belegt ist. Deshalb ist es dringend angeraten, Belege für den Text und die Aufzählungen anzuführen!Tristram (Diskussion) 13:05, 27. Jul. 2015, ergänzt 18:06, 04. Jan. 2016 (CEST)
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Generative Fertigungsverfahren bzw. Additive Fertigung - englisch: Additive Manufacturing (AM) - ist eine umfassende Bezeichnung für alle Verfahren zur schnellen und kostengünstigen Fertigung von Modellen, Mustern, Prototypen, Werkzeugen und Endprodukten. Diese Fertigung erfolgt direkt auf der Basis der rechnerinternen Datenmodelle (Übergabe meist über die STL-Schnittstelle) aus formlosem (Flüssigkeiten, Gelen/Pasten, Pulver u. ä.) oder formneutralem (band-, drahtförmig, blattförmig) Material mittels chemischer und/oder physikalischer Prozesse. Obwohl es sich oft um formende Verfahren handelt, sind für ein konkretes Erzeugnis keine speziellen Werkzeuge erforderlich, die die jeweilige Geometrie des Werkstückes gespeichert haben (zum Beispiel Gussformen). Den Stand der Technik von 2014 vermittelt der VDI Statusreport AM 2014.

Einteilung der generativen Verfahren[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Die unterschiedlichen Verfahren sind z. B. Pulverbettverfahren, Freiraumverfahren, Flüssigmaterialverfahren und andere Schichtbauverfahren, die teilweise dem 3D-Druck ähneln. Zu unterscheiden sind die Verfahren auch nach dem Material - d.h. Kunststoff, Metall und Keramik. Oft werden im Laufe eines Produktionsprozesses verschiedene Verfahren angewandt. Außerdem werden Verfahren in Hybridmaschinen eingesetzt, die generative Verfahren beispielsweise mit spanabhebenden Verfahren kombinieren. Dazu gehören Maschinen der Firmen DMG Mori[1] und Hermle[2], welche Laserauftragschweißen bzw. das Metall-Pulver-Auftragverfahren mit Fräsverfahren verbinden und die Bearbeitung eines Werkstückes in einer Aufspannung ermöglichen. Die Bearbeitung "in einer Aufspannung" bedeutet, dass das Werkstück nur einmal in der Maschine eingespannt/befestigt werden muss, obwohl es mit mehreren Werkzeugen bearbeitet wird. Jede Übergabe an ein anderes Spannwerkzeug kann mit dem Risiko verbunden sein, dass die geforderte Genauigkeit bzw. die zulässigen Toleranzen nicht mehr eingehalten werden.

In Anlehnung an die DIN 8580 kann folgende Einteilung vorgenommen werden:

  • Fertigung aus dem flüssigen Zustand (z.B. Stereolithografie)
  • Fertigung aus dem plastischen Zustand (z.B. Fused Deposition Modeling, 3D-Druck)
  • Fertigung aus dem körnigen oder pulverförmigen Zustand

Zu den Pulverbettverfahren können gezählt werden:

Zu den Freiraumverfahren können gezählt werden:

Zu den Flüssigmaterialverfahren können gezählt werden:

Andere Schichtbauverfahren:

Besonderheiten der generativen Verfahren[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Der Einsatz dieser Verfahren erfolgt bei der parallelen Fertigung sehr kleiner Bauteile in größeren Stückzahlen, für Unikate bei Schmuck oder in der Medizin- und Dentaltechnik, sowie der Kleinserienfertigung oder Einzelfertigung von Teilen mit einer hohen geometrischen Komplexität, auch mit zusätzlicher Funktionsintegration.

Im Gegensatz zu Urformen, Umformen oder subtraktiven Fertigungsverfahren (Trennen) erhöht sich bei generativen Fertigungsverfahren die Wirtschaftlichkeit mit steigender Komplexität der Bauteilgeometrie.

In den letzten Jahren wurden die Anwendungsgebiete für diese Fertigungsverfahren, die sich am Anfang auf das Herstellen von Modellen und Prototypen – daher der Begriff Rapid Prototyping – konzentrierten, auf weitere Felder ausgedehnt. Dazu zählen:

In Verbindung mit weiteren modernen Technologien wie zum Beispiel dem Reverse Engineering (Digitalisieren), dem CAD, sowie heutigen Verfahren des Werkzeugbaues wird die Verfahrenskette innerhalb der Produktentwicklung auch als Rapid Product Development bezeichnet. Weiterhin wird durch die digitale Schnittstelle generativer Fertigungsmaschinen und deren automatisierter Fertigungsprozess eine dezentrale Produktion ermöglicht (Cloud Producing).[6]

Kombinierte Verfahren ermöglichen die werkzeuglose Produktion von Mikrobauteilen, Fluidik und Mikrosystemen. Über Fotopolymerisation werden auf Kunststoffen basierte Mikrobauteile hergestellt. Metallische und andere funktionelle Schichten werden direkt strukturiert und schichtübergreifend integriert. Elektronische Bauelemente, wie Prozessoren, Speicherelemente, Sensoren, passive Bauteile und Energiespeicher werden im Stack oder lateral eingebaut und parallel kontaktiert.[7]

Ein Statusbericht der VDI-Gesellschaft Produktion und Logistik (GPL) vom September 2014 zu 3D-Druck bzw. den additiven Fertigungsverfahren bietet eine allgemeine Orientierung.[8]

Aufbaugeschwindigkeiten und Losgrößenbetrachtung[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Die Faktoren Aufbaugeschwindigkeiten und Losgrößen definieren die Betrachtung der Wirtschaftlichkeit einer generativen Fertigung. Diese Faktoren verändern sich kontinuierlich durch den Stand der Technik.

Die jüngste Entwicklung zur Verbesserung der Aufbaugeschwindigkeiten ist die Multilaser-Technik, bei der 2, 4 oder mehr Laserquellen die Belichtung ausführen. Wesentlich für die Güte des Bauteils ist jedoch nicht nur der rein quantitative Ansatz, sondern auch die Fehlerrate bei der Produktion. Hier spielen verschiedene Faktoren eine Rolle.[9]

Bei Losgrößen gelten folgende Faustregeln:

  • Stückzahl 1 bis ca. 1.000 pro Jahr: Die additiven Fertigungsverfahren sind typischerweise die wirtschaftlichste Option.
  • Stückzahl 1.000 bis 100.000 pro Jahr: Die Herstellung in einer Form aus Metall sollte durch additive Verfahren als eine mögliche Variante bei der Wirtschaftlichkeitsbetrachtung berücksichtigt werden.
  • Stückzahl größer 100.000 pro Jahr: Eine besonders langlebige, aus Vollmaterial klassisch gefertigte Geometrie ist voraussichtlich am sinnvollsten.

Die Aufbaugeschwindigkeiten z. B. des selektiven Laserschmelzens entwickeln sich stetig nach oben. Gründe sind: Höhere Laserleistungen (wie z. B. 1-kW-Laserquellen oder den Einsatz multipler Laserquellen – Stichwort Multilaser-Technologie).

Zur Veranschaulichung ein Vergleich der Aufbauraten, so wie sie die Unternehmensberatung Roland Berger[10] erwartet:

  • Jahr 2013 – 10 cm³/h
  • Jahr 2018 – 40 cm³/h
  • Jahr 2023 – 80 cm³/h

Dies würde in zehn Jahren eine Steigerung um den Faktor 8 oder 800 % bedeuten.

Besonderheiten einer 3D-Konstruktion[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Die Konstruktionsmöglichkeiten hinsichtlich Geometriefreiheit und Leistungsfähigkeit der Bauteile (z.B. mechanische Belastbarkeit), wahlweise auch erweitert um einen Leichtbauansatz oder eine Funktionsintegration, machen es wenig sinnvoll, eine konventionelle Konstruktion 1:1 additiv aufzubauen. Hier hat sich der Begriff „verfahrensgerechtes Konstruieren“ durchgesetzt.

Verfahrensgerechtes Konstruieren zielt auf drei Kernfelder ab:

  • digitale Geometrien mit Leichtbaupotential, Funktionsintegration und höherwertigen Leistungsmerkmalen.
  • digitale Strukturen (bionische Konstruktionen, selektive Dichten, Waben, Knoten, Gitter etc.).
  • digitale Materialien (neue Legierungen und Additive führen zu verbesserten Materialeigenschaften).

Ausgangsbasis ist eine CAD/CAX-Konstruktion, als Teil einer digitalen Prozesskette.

Ebenso sind hybride Ansätze aktuell Themen der Konstruktion. Beispiele sind Bauteile, die eine konventionell gefertigte Komponente aufweisen (als Gussteil oder als Zerspanungsteil), auf die eine additive Komponente aufgebracht wird. Die konventionelle Komponente wird unter Zeit- und Kostenaspekten für eine einfache Geometrie gewählt. Die additive Komponente ist dann die komplexere Geometrie (z.B. mit integrierten Kühlmittelkanälen). Beispiel: Schneidplattenbohrer QTD-Serie von Mapal (Schneidplattenboher QTD).

Ein anderer Ansatz ist die hybride Kombination von geformten Profilen und additiv hergestellten Knoten, wie beispielsweise bei der topologisch optimierten Rahmenstruktur (Spaceframe)des "EDAG Light Cocoon" Autokonzepts (siehe: Bionisch optimiertes und hybrid gefertigtes Spaceframe-Konzept).

Das Ergebnis verfahrensgerechter Konstruktionen überrascht nicht nur optisch. Bionisch ausgelegte Leichtbauteile können durchschnittlich 20-30 % leichter ausgelegt werden als gefräste oder gegossene Bauteile. In einigen Fällen erreicht die potenzielle Gewichtsreduktion auch 60 bis 80 %, wenn rechtwinklige Metallblöcke zu reinen Verbindungskörpern werden.

Wichtig ist auch, die Bauteilanforderungen hinsichtlich thermischer und mechanischer Eigenschaften zu erfassen und mit einer, gezielt auf das Verfahren abgestimmten Konstruktion, diese zu erschließen. Konkret bedeutet dies, dass die Teile nicht nur mehr können, sie sind auch leichter und weisen eine andere Geometrie auf.

Durch selektive Dichten können Bauteile gewünschte Elastizitäten (auch partiell) aufweisen (Beeinflussung des E-Moduls). Die Kraftableitung im Bauteil kann wesentlich intelligenter und anwendungsbezogen ausgelegt werden. Insgesamt sind solche 3D-Bauteile leistungsfähiger.

Potenziale einer generativen Fertigung[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Generell birgt jede additive Lösung drei Potenziale:

  • ein Leichtbaupotenzial,
  • ein funktionelles Potenzial und
  • ein Produktionspotenzial.

Optionen der generativen Fertigung[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

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Die Möglichkeiten und Potenziale der additiven 3D-Fertigung kann man an folgenden Themen und Beispielen aufzeigen:

  • Substitution: Klassische Fertigungsstrategien werden um generative Fertigungsverfahren ergänzt - bestimmende Faktoren der Entscheidung lauten: Losgrößen, Kosten, Zeit und Qualitätsanforderungen oder Komplexität der Bauteile und Funktionsintegration.
  • Ergänzung: Klassische und generative Strategien können verknüpft werden, siehe Hybridbauweise.
  • Prototypenbau: In der Luft- und Raumfahrt mit den branchentypischen kleinen Stückzahlen, aber hoher Entwicklungstätigkeit hat ein generativer Ansatz zahlreiche Vorteile: Versuchsträger, Triebwerke oder metallische Baugruppen entstehen werkzeuglos und schnell. Die Entwicklungsgeschwindigkeit nimmt zu.
  • Steigerung der Wirtschaftlichkeit: Im Gegensatz zu Urformen, Umformen oder subtraktiven Fertigungsverfahren, also Trennen, erhöht sich bei generativen Fertigungsverfahren die Wirtschaftlichkeit mit steigender Komplexität der Bauteilgeometrie.
  • Paradigmenwechsel: In bestimmten Branchen ist der Paradigmenwechsel bereits vollzogen. Bei Entwicklungen in der amerikanischen Raumfahrt wird aus Zeit- und Kostenüberlegungen eine generative Fertigung als Standard praktiziert.
  • Lebenszykluskosten und Produktionskosten: Die Kosten für einen Produkt-Lebenszyklus können bei einer generativen Strategie tendenziell niedriger ausfallen; bei den Produktionskosten kommt es auf die Losgröße an, welche Technologie vorzuziehen wäre
  • bedarfsnahe Fertigung (dezentral oder zeitlich): Die dezentrale Fertigung (Cloud Producing) und die Fertigung „on demand“ bieten zahlreiche Vorzüge in Bezug auf Kosten und CO₂-Emission. Speziell für die Luftfahrt ist es zukünftig möglich, Ersatzteile „on demand“ zu fertigen ohne Werkzeugvorhaltungen. Das revolutioniert die Logistikkonzepte der Luftfahrtbranche und reduziert die Revisionszeiten von Flugzeugen
  • die gesamte Prozesskette wird digital: Der Zahnarzt scannt das Gebiss mit einem Interoral-Scanner. Daraus entstehen CAD-Rohdaten, die in einem Dentallabor in Dentalimplantate umgesetzt werden.
  • Varitäten- und Unikat-Option: Individuelle Produktlösungen (Unikate), Production-on-demand und größere Losgrößen sind keine Widersprüche. Production-on-demand verändert die Logistikkonzepte und Ersatzteilbevorratungen.
  • Prozessrisiko sinkt tendenziell: Der Anwender einer Laserschmelzanlage hat eine vergleichsweise prozessstabile, dokumentationsfähige und validierte Anlage, die durch den digitalen Ansatz ein geringeres Fehlerrisiko gegenüber konventionellen Verfahren erwarten lässt.
  • Bionik und die Veränderungen von Konstruktionsstrategien: Die Geometriefreiheit sorgt für neue Produktideen. Leichtbauansätze und bionische Strukturen werden möglich.

Ausblick[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

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Die generativen Fertigungsverfahren zählen zu den Eckpfeilern des Ansatzes der Industrie 4.0.

Es ergeben sich, bedingt durch den technischen Fortschritt, ansteigende Losgrößen, die wirtschaftlich gefertigt werden können. Höhere Losgrößen werden durch die Option individueller Produkte in einem Schuss (one shot) ergänzt. Die Lebenszykluskosten (z.B. für Werkzeugbereitstellung und -pflege) können durch eine generative Fertigung sinken. Die generative Fertigung unterstützt Hersteller bei der Verwirklichung ihrer Nachhaltigkeitsziele.

Digitale Produkte treten in einen Wettbewerb mit analogen Produkten. Aber nur wenn das digitale, generativ aufgebaute Bauteil besser, leistungsfähiger, schneller verfügbar, leichter oder/und kostengünstiger ist, kann sich die additive Fertigungsoption am Markt durchsetzen.

Ergänzende Verfahren[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  • Beschichtung durch Galvanisierung[11]
  • Hybridisierung mit anderen Materialien (z.B Kohlefaser) oder anderen Halbzeugen (Rohren, Platten, ...)

Normen und Richtlinien[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Zu den additiven Fertigungsverfahren erstellt der VDI eine ganze Richtlinienfamilie (VDI 3405). Einige der Richtlinien wurden bereits von der VDI-Gesellschaft Produktion und Logistik (GPL) veröffentlicht[12], wie VDI 3405 Blatt 1.1 zur Qualifizierung von Pulvern für das Lasersintern von Kunststoffbauteilen (Polyamid 12/PA12), VDI 3405 Blatt 2.2 Materialkenndatenblatt für das Laserstrahlschmelzen von Bauteilen aus Nickellegierung (Inconel 718) oder VDI 3405 Blatt 2.3 zu Vorgehensweisen, Methoden und relevanten Kenngrößen zur Charakterisierung von Metallpulver. Zahlreiche andere Richtlinien befinden sich im Entwicklungsstadium oder es werden noch Projekte dazu durchgeführt.[13]

Siehe auch[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Literatur[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  • Andreas Gebhardt: Generative Fertigungsverfahren - Additive Manufacturing und 3D Drucken für Prototyping - Tooling - Produktion. 4., neu bearbeitete und erweiterte Auflage. Hanser, München 2013, ISBN 978-3-446-43651-0.
  • Berger, Hartmann, Schmid: Additive Fertigungsverfahren - Rapid Prototyping, Rapid Tooling, Rapid Manufacturing. 1. Auflage. Verlag Europa-Lehrmittel, Haan-Gruiten 2013, ISBN 978-3-8085-5033-5.

Einzelnachweise[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  1. http://www.konstruktionspraxis.vogel.de/laserschmelzen-und-fraesen-kombinieren-a-473929/
  2. http://www.maschinenmarkt.vogel.de/themenkanaele/produktion/spanendefertigung/maschinen/articles/479561/
  3. https://www.additively.com/de/lernen/binder-jetting
  4. https://www.hermle.de/cms/de/info_center/presse/fachpresse/getPrm/selection/130/
  5. http://am.vdma.org/article/-/articleview/5975632
  6. Felix Bopp: Rapid Manufacturing: Zukünftige Wertschöpfungsmodelle durch generative Fertigungsverfahren.. Verlag, 2010, ISBN 3836685086 (Zugriff am 4. Juli 2014).
  7. RMPD Fotopolymerisationsverfahren
  8. VDI-Statusbericht Additive Fertigungsverfahren (September 2014)
  9. https://www.elektronikpraxis.vogel.de/ein-leitfaden-zum-perfekten-3d-druck-mit-pla-a-491611/index2.html
  10. [Additive manufacturing - A game changer for the manufacturing industry? - Vortrag München (November 2013)]
  11. Simone Käfer: Fit eröffnet Zentrum für Beschichtung 3D-gedruckter Teile. Vogel Maschinemmarkt. 1. August 2017. Abgerufen am 4. August 2017.
  12. Simone Käfer: VDI veröffentlicht neue Richtlinien für Additive Fertigung. Vogel Maschinemmarkt. 2. August 2017. Abgerufen am 4. August 2017.
  13. https://www.vdi.de/3405