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    Additive Fertigung & Generative Fertigungsverfahren

    Schon seit den 1980er-Jahren spielen generative Fertigungsverfahren eine entscheidende Rolle. Zunächst wurden sie vor allem im Rahmen von Rapid Prototyping angewandt, also bei der Herstellung von Prototypen in der Industrie. Auch wenn dieser Begriff heute immer noch im Gebrauch ist, spielt die additive Fertigung (engl. Additive Manufacturing, kurz AM) heute auch bei der Erzeugung von Werkzeugen, Modellen und Endprodukten eine wichtige Rolle. Der industrielle Sektor ist nach wie vor das größte Feld für generative Fertigungsverfahren, längst hält die additive Fertigung in Form von 3D-Druckern jedoch auch im heimischen Haushalt Einzug.


    Additive Fertigung

    © enmyo | Shutterstock.com



    Die Funktionsweise additiver Fertigung

    Worin unterscheiden sich generative Fertigungsverfahren von subtraktiven Fertigungsverfahren wie Drehen oder Fräsen? Im Gegensatz zu diesen gibt es bei der additiven Fertigung keinen Block, aus dem ein Werkstoff herausgearbeitet wird. Auch das Umformen des Materials oder die Arbeit mit einer Urform (beispielsweise einer Gussform) entfällt bei der additiven Fertigung. Additive bzw. generative Fertigungsverfahren heißen so, weil das Werkstück Schicht um Schicht aufgebaut wird, bis es sein vollständiges Volumen erreicht hat. Da sich das Material erst nach und nach zu einem Ganzen fügt, zeichnen sich additiv hergestellte Werkstücke oft durch ihre treppenförmige Oberfläche aus. Die Grundlage für die additive Fertigung stellen digitale 3D-Kontruktionsdaten dar, also Dateien im CAD-Format (Computer-aided Design). Die Geometriedaten werden durch 3D-Modellierungen am Computer bereitgestellt, die eine extrem genaue Fertigung ermöglichen. Als Standardformat kommt dabei die Surface Tesselation Language (STL) zum Einsatz. Durch generative Fertigungsverfahren können verschiedenste Materialien verarbeitet werden, beispielsweise Metalle, Kunststoffe, Kunstharze und Verbundstoffe.


    Verfahren additiver Fertigung

    Das Prinzip des stufenweisen Aufbaus gilt für alle Werkstoffe, die durch generative Fertigungsverfahren hergestellt werden. Wie dieser Aufbau im Einzelnen zustande kommt, hängt von dem gewählten Verfahren und dieses in hohem Maße von dem verwendeten Material ab. Beim 3D-Druck mit Pulver (3DP) kommen Materialien wie Kunststoff, Gips, Glas oder Keramik zum Einsatz. Ein flüssiger Binder sorgt dafür, dass sich die pulverförmigen Stoffe selektiv verhärten. In kleinen Mengen wird der Binder aufgetragen, wodurch das Pulver kristallisiert und die Schichten (Layer) des Werkstücks verklebt werden.

    Beim selektiven Laserschmelzen (Selective Laser Sintering) erfolgt die Verbindung der Layer nicht durch einen Binder, sondern sie werden durch einen Hochleistungslaser miteinander verschmolzen. Dadurch lassen sich auch Werkstoffe aus Metall schichtweise aufbauen.

    Das gilt auch für das Elektronenstrahlschmelzen (Electron Beam Additive Manufacturing), bei dem pulverförmige Metalle im Vakuum vom einem äußerst genau arbeitenden Elektronenstrahl verschmolzen werden. Der Vorteil ist, dass kein Sauerstoff in das Material gelangt, sodass extrem feste metallische Werkstücke hergestellt werden können.

    Die Schmelzschichtung (Fused Filament Fabrication) ist hingegen ein Verfahren, das sich durch das Drucken mit geschmolzenen Materialien wie Kunststoffen auszeichnet. Dabei kommt ein beheizter Extruder zum Einsatz, der das zugegebene Material schmilzt. Dieser ist Teil des 3D-Druckkopfes, durch dessen Düse das geschmolzene Material auf das Druckbett aufgetragen wird, wo das Werkstück Layer für Layer entsteht.

    Ein stufenweises Entstehen aus flüssigem Material kennzeichnet generative Fertigungsverfahren wie die Stereolithografie. Dabei kommt flüssiges Photopolymer zum Einsatz. Für diesen Kunststoff ist es charakteristisch, nach einer bestimmten Belichtungszeit zu erstarren. Durch einen UV-Laserstrahl lässt er sich exakt aushärten, sodass die gewünschte Form entsteht.


    Besonderheiten generativer Herstellungsverfahren

    Die additive Fertigung ist durch einige Besonderheiten gekennzeichnet, die sie von anderen Fertigungsverfahren unterscheidet. Zunächst eröffnet die additive Fertigung nie geahnte Möglichkeiten, was die Konstruktion betrifft. Extrem komplexe Strukturen können durch die additive Fertigung hergestellt werden, die sich durch hohe Stabilität und Leichtigkeit auszeichnen. In der Autoindustrie, der Elektro- oder der Medizintechnik werden Endprodukte im mikroskopisch kleinen Maßstab hergestellt, die mit anderen Fertigungsverfahren nicht realisierbar wären. Neben der hohen Qualität der Werkstücke überzeugen sie durch ihre Wirtschaftlichkeit. Werkstücke, die zuvor aus unzähligen Einzelteilen zusammengesetzt werden mussten, können nun aus einem Stück gefertigt werden. Damit hilft die additive Fertigung, Produktions- und Montagekosten, aber auch wertvolle Entwicklungszeit zu sparen. Gerade wenn es um die Fertigung in kleiner Stückzahl geht, bietet additive Fertigung große Vorteile. Beispielsweise einen nur in einfacher Ausfertigung benötigten Prototyp im 3D-Druck herzustellen, spart wichtige Ressourcen. Generative Fertigungsverfahren relativieren zudem die Bedeutung des Herstellungsortes. Wo 3D-Drucker in Gebrauch sind, werden keine großen Produktionsorte benötigt; die Benutzung großer Werkzeuge und Maschinen beispielsweise zum Gießen von Formen ist nicht mehr nötig. Da für die additive Fertigung in erster Linie eine digitale Schnittstelle vorhanden sein muss, zeichnet sie sich durch Dezentralität und die geographische Unabhängigkeit der Produktion aus (Cloud Producing).



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