Der schnelle Weg zu Prototypen und Produkten

Additive Fertigungsverfahren

Additive Fertigung wird häufig als 3-D-Drucken bezeichnet. Dabei ist dies nach der VDI 3405 nur eines von vielen additiven Herstellungsverfahren.

Bild: Stefano Tinti / Shutterstock.comRichtlinie-VDI-3405-Additiv-gefertigte-Bauteile-T1_702x363

Ersatzteile für die Modellbahn, Spielzeug oder die Designerstatue – wer etwas benötigt, was nur schwer zu bekommen oder sehr teuer ist, der macht es sich ganz einfach selbst. Mit einem 3-D-Drucker wird die Eigenproduktion zum Kinderspiel und der Fantasie sind keine Grenzen gesetzt. Neu ist die Möglichkeit des dreidimensionalen Druckens nicht, denn es gibt sie schon seit über zwei Jahrzehnten. Doch erst die Entwicklung von kostengünstigen Einsteigergeräten macht dieses Fertigungsverfahren auch für Privatpersonen und kleine Unternehmen interessant. Sowohl einfache Bausätze als auch fertig montierte 3-D-Drucker sind bereits ab etwa 500 Euro erhältlich. Professionellere Geräte mit einem großen Druckraum oder der Möglichkeit zum mehrfarbigen Druck sind für 1000 Euro und mehr verfügbar. Für echte Profigeräte dürfen gerne auch ein oder zwei Nullen hinten drangehängt werden.
Im Prinzip ähnelt das Druckverfahren dem eines Tintenstrahldruckers: Anstatt der Tinte wird bei der am weitesten verbreiteten Drucktechnik, dem FDM-Verfahren (Fused Deposition Modelling), ein Plastikdraht in einem Extruder geschmolzen und durch eine Düse ausgegeben. Dabei arbeiten alle 3-D-Drucker in einem Schichtverfahren. Als Druckmaterial eignen sich PLA (Polylactidacid) und ABS (Acrylnitril-Butadien-Styrol). Hat man sich nun für ein Druckermodell entschieden, kann es auch schon losgehen: Entweder man nutzt den Download druckfertiger 3-D-Modelle, macht einen eigenen 3-D-Scan oder modelliert mit einer CAD-Designsoftware. Nach Anpassung und Optimierung der Vorlage werden noch die passenden Druckparameter ausgewählt und schon können Sie zusehen, wie Ihr Bauteil Schicht für Schicht entsteht.

Geeignet für Prototypen, Werkzeuge und Serienprodukte
Die Industrie nutzt additive Fertigungsverfahren schon lange, sowohl für den Bau von Prototypen als auch für Produkte. Auch für Kleinserien aus Kunststoff haben diese Verfahren den zeitlichen und preislichen Vorteil, dass nicht erst eine Form für den Spritzguss hergestellt werden muss. Bewährt haben sich diese Herstellungsverfahren in der Serienproduktion speziell bei geometrisch komplexen Bauformen, die aufgrund dessen sonst nicht oder nur schwer herzustellen wären. Auch ist für den rein additiven Aufbau des Werkstücks die Anfertigung von Werkzeugen nicht erforderlich. Im Grunde ist die Prozesskette in der industriellen Anwendung jener im Privatgebrauch gleich: Datenvorbereitung, die eigentliche Fertigung und Nachbearbeitung. Worauf es dabei aber in der Industrie ankommt, welche Materialien sich für die additive Fertigung eignen und mit welchen Verfahren diese sich jeweils verarbeiten lassen, das beschreibt die Richtlinie VDI 3405.
In ihr sind alle kommerziell etablierten additiven Fertigungsverfahren genau erläutert. Darunter eben auch das 3-D-Drucken (3DP), welches nicht mit der umgangssprachlichen Bezeichnung 3-D-Drucken nach dem FDM-Verfahren für den Privatgebrauch verwechselt werden darf, und die Stereolithografie (SL), die einen Laser nutzt, um verflüssigtes Harz auszuhärten. Wie diese beiden eignen sich auch noch weitere Verfahren für die Verarbeitung von Kunststoff: Laser-Sintern (LS), Fused Layer Modelling (FLM, identisch zu FDM), Multi-Jet Modelling (MJM), Poly-Jet Modelling (PJM), Layer Laminated Manufacturing (LLM), Digital Light Processing (DLP) und Thermotransfer-Sintern (TTS). Während sich einige dieser additiven Fertigungsverfahren auch für die Verarbeitung von Papier, Formsand, Keramik und Metall eignen, lassen sich das Laser-Strahlschmelzen (LBM) und das Elektronen-Strahlschmelzen (EBM) nur bei Metallen anwenden. Je nach Verfahren ist der Bindungsprozess des Ausgangsmaterials entweder physikalisch oder chemisch. Das Ausgangsmaterial liegt ebenfalls in unterschiedlichen Formen, flüssig bis pastös, strang- oder pulverförmig, vor. Die Aktivierungsenergie und der eigentliche Bauprozess sind auch verfahrensspezifisch.

Verfahren beeinflusst die Bauteileigenschaften
Jedes Verfahren hat bereits Einfluss auf die späteren Bauteileigenschaften. So verleiht zum Beispiel das Laser-Sintern dem additiv gefertigten Kfz-Kabelstecker aus PA 12 eine hohe Dauerbelastbarkeit, dem Gepäckträger für ein Motorrad die notwendige Steifigkeit für Geometrie-, Design- und Funktionsabsicherung. Eine hohe Konturgenauigkeit, wie es bei Im-Ohr-Hörgeräten aus Acrylat gewünscht ist, erzielt die Stereolithografie. Und sollen diese beiden Eigenschaften auch noch bei einem Werkstück aus Metall wie einem Knie-Implantat aus CoCr vereint werden, so greift man auf das Laser-Strahlschmelzen zurück. Um jedoch zum Beispiel eine bestimmte Oberflächengüte zu erzielen, dem Bauteil spezielle mechanische Eigenschaften zu verleihen oder dessen Haptik zu verbessern, sind besondere nachgelagerte Prozesse notwendig. Bei Kunststoffbauteilen sind dies unter anderem diverse Schleifverfahren um Oberflächengüte und Geometrie zu beeinflussen, Infiltrationsverfahren um physikalische Eigenschaften zu erzeugen, oder Beschichtungsverfahren wie Metallisieren oder Lackieren. Bei additiv gefertigten Bauteilen aus Metall kommt es häufig auf die Verbesserung von Dichtigkeit, Gefüge und Härte an. Fräsen, Schleifen, Polieren oder Erodieren, Beschichten oder materialspezifische Wärmebehandlungen zählen deshalb zu den üblichen Nachbearbeitungsprozessen.
Der große Unterschied zwischen additiver Fertigung in der Industrie und dem heimischen 3-D-Druck liegt also darin, dass die Anforderungskriterien an das Bauteil über die nutzbaren additiven Technologien bestimmen und entscheiden. Die Richtlinie VDI 3405 gibt eine Hilfestellung bei der Auswahl von additiven Fertigungsverfahren nach ihrer Eignung für bestimmte Produktanforderungen. Dabei wird die Wirtschaftlichkeit weniger durch das Verfahren als durch die Anwendung bestimmt, denn die Kosten sind neben einer eventuell erforderlichen Nachbearbeitung volumen- und materialabhängig. Daher gilt: die spezifischen Anforderungen müssen klar definiert sein, da es ansonsten zu erheblichem Mehraufwand (Kosten, Lieferzeit) und/oder zu mangelhafter Qualität führen kann. Da die Anforderungen auch innerhalb eines Bauteils variieren können, sollte eine verbindliche Prozessbeurteilung nur an einem konkreten Bauteil vorgenommen werden. Welche Größen das Ergebnis hinsichtlich Bauteilqualität, Produktivität der Fertigungsanlage und Prozesssicherheit beeinflussen können, wird auch in der Richtlinie VDI 3405 dargestellt. Hierbei wird deutlich, dass die additive Fertigung doch weitaus mehr ist, als der im Volksmund bekannte 3-D-Druck.

3-D-Druck für Einsteiger
Wer als Bastler erste Erfahrungen mit dem schichtweisen Materialaufbau sammeln und dabei noch jede Menge Spaß haben möchte, der braucht nicht gleich mehrere hundert Euro für einen 3-D-Drucker ausgeben: Den Eiffelturm zum Beispiel können Sie auch malen! Und zwar mit dem 3Doodler, dem ersten 3-D-Druck-Stift der Welt:

Iris_LindnerAutorin: Iris Lindner
Die Diplom-Ingenieurin (FH) ist für uns in Sachen Berichterstattung rund um die VDI-Richtlinien in den sozialen Netzwerken unterwegs.

 

 

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