Additive Fertigungsverfahren

Fertigungsverfahren, bei denen Bauteile direkt aus 3D-CAD-Daten durch schichtweisen Materialauftrag entstehen. Es wird Material hinzugefügt, nicht abgetragen.

Additiv: Material wird schichtweise aufgebaut. Subtraktiv: Material wird von einem Rohteil abgetragen, z. B. Fräsen, Bohren oder Drehen.

3D-CAD-Daten als Grundlage, meist keine produktspezifischen Werkzeuge, schichtweiser Aufbau, hohe Geometriefreiheit und einfache Individualisierung.

Weil die Bauteilgeometrie direkt aus digitalen Daten entsteht. Es werden keine speziellen Formen oder Werkzeuge für jede Variante benötigt.

Nach Pulver, Flüssigkeit, Filament/Draht, Folie/Platte oder Paste. Beispiele: SLS/SLM für Pulver, SLA für Flüssigkeit, FDM für Filament.

3D-Druck ist der umgangssprachliche Begriff. Additive Fertigung ist der technische Oberbegriff für schichtweise aufbauende Verfahren.

Generative Fertigung ist ein anderer Begriff für additive Fertigung: Bauteile entstehen schichtweise aus digitalen Daten.

Schnelle Herstellung von Modellen oder Prototypen direkt aus CAD-Daten, um ein Produkt früh zu testen oder zu beurteilen.

Additive Herstellung von Werkzeugen, Werkzeugeinsätzen, Formen oder Lehren, z. B. Spritzgusswerkzeuge mit konturnahen Kühlkanälen.

Direkte Herstellung gebrauchsfähiger Endprodukte mit additiven Verfahren. Das Bauteil ist nicht nur Prototyp, sondern wird eingesetzt.

Reparatur oder Wiederherstellung beschädigter Bauteile mit additiven Verfahren oder additive Fertigung von Ersatzteilen.

Konzeptmodell, Geometrieprototyp und Funktionsprototyp.

Ein frühes Modell zur Beurteilung von Form, Größe und optischem Eindruck. Material und Funktion müssen noch nicht passen.

Ein Prototyp zur Prüfung von Maß, Form und Lage. Funktion und Material sind eher zweitrangig.

Ein Prototyp, der bereits eine oder mehrere Funktionen des späteren Serienbauteils erfüllt.

Man kann früh reale Modelle testen, Fehler früher erkennen und Änderungen günstiger durchführen. Das verkürzt Entwicklungszeit.

3D-CAD/Scan -> STL/STEP -> Slicing -> Orientierung/Parameter/Support -> Maschine vorbereiten -> Drucken -> Nachbearbeitung -> Prüfung.

Das 3D-Modell wird in viele dünne Schichten zerlegt. Daraus erzeugt die Software Fahrwege und Maschinenbefehle.

STL-Erzeugung, Bauteilorientierung, Slicing, Parameterwahl, Supporterzeugung und Datenübertragung an die Maschine.

Support entfernen, Entpulvern, Reinigen, Schleifen, Strahlen, Wärmebehandlung, Nachhärten oder mechanische Nacharbeit.

Weil Konstruktion, Datenaufbereitung, Slicing und Maschinensteuerung direkt auf digitalen Daten beruhen.

Falsche STL-Auflösung, offene Flächen, falsche Skalierung, falsche Orientierung, fehlender Support oder falsche Parameter.

Ein Dateiformat, bei dem die Bauteiloberfläche durch viele kleine Dreiecke beschrieben wird. Exakte Kurven werden nur angenähert.

Eine glatte Oberfläche wird durch viele kleine Dreiecke angenähert. Kleinere Dreiecke ergeben höhere Genauigkeit.

Feine STL: genauer, aber große Datei und mehr Rechenaufwand. Grobe STL: kleiner, aber ungenauer und schlechtere Oberfläche.

Kreise werden nicht mathematisch exakt gespeichert, sondern durch gerade Dreieckskanten angenähert. Bei grober Auflösung wirken sie eckig.

STL beschreibt triangulierte Oberflächen. STEP speichert genauere CAD-Geometrie und eignet sich besser zur Weiterbearbeitung.

Weil Gewinde in CAD oft nur als Feature/Symbol dargestellt werden. Für den Druck muss die echte Gewindegeometrie vorhanden sein.

Durch den schichtweisen Aufbau entstehen an schrägen oder gekrümmten Flächen sichtbare Stufen.

Durch kleinere Schichtdicke, bessere Bauteilorientierung oder Nachbearbeitung.

Kleinere Schichtdicke verbessert meist Oberfläche und Genauigkeit, erhöht aber die Fertigungszeit.

Weil die Eigenschaften in der Schichtebene oft besser sind als zwischen den Schichten. Die Schichtverbindung ist oft die Schwachstelle.

Ablösen oder Reißen zwischen einzelnen Schichten.

Sie bestimmt, wie die Schichten zur Belastung liegen. Belastung senkrecht zu den Schichten ist oft kritisch wegen Delamination.

Durch Treppenstufeneffekt, Durchhänge oder ungünstige Baurichtung. Horizontale Bohrungen sind besonders kritisch.

Wandstärken, Überhänge, Support, Orientierung, Toleranzen, Nacharbeit und ggf. Entpulverung oder Supportentfernung.

FLM = Fused Layer Modeling. FDM = Fused Deposition Modeling, Markenname von Stratasys. FFF = Fused Filament Fabrication. Gemeint ist im Kern dasselbe Extrusionsprinzip.

Thermoplastisches Filament wird in einer beheizten Düse aufgeschmolzen, schichtweise als Strang abgelegt und erstarrt danach.

Kinematik, Druckkopf, Druckplattform, Materialvorrat und Materialförderung.

Kartesisch, kartesisch mit bewegtem Tisch, Delta-System, polares System und freie Kinematik.

Schlechte Haftung führt zu Ablösen, Verzug oder Jobabbruch.

Beheiztes Bett, passende Betttemperatur, saubere Oberfläche, Klebstoff, Brim oder Raft.

Single-Nozzle: eine Düse, einfacher. Multi-Nozzle: mehrere Düsen, ermöglicht mehrere Materialien/Farben oder lösliches Supportmaterial.

Kleine Düse: feinere Details, langsamer. Große Düse: schneller und robuster, aber weniger Detailgenauigkeit.

Die innere Füllstruktur eines Bauteils. Sie beeinflusst Gewicht, Festigkeit, Steifigkeit, Druckzeit und Materialverbrauch.

Das Bauteil wird meist stabiler und steifer, aber schwerer, teurer und langsamer zu drucken.

Die Dicke der äußeren Konturen. Größere Wandstärke erhöht meist Stabilität/Steifigkeit, braucht aber mehr Zeit und Material.

Obere und untere geschlossene Deckschichten. Sie beeinflussen Oberfläche, Dichtigkeit, Stabilität und Druckzeit.

Stützstruktur für Überhänge, damit Material nicht in die Luft gedruckt wird oder absackt.

Überhänge bis ca. 45 Grad sind oft ohne Support druckbar. Steilere Überhänge brauchen meist Stützstrukturen.

Ein flacher Rand um das Bauteil auf der Druckplatte. Verbessert die Haftung und hilft gegen Ablösen/Verzug.

Eine zusätzliche Unterstruktur unter dem gesamten Bauteil. Verbessert Haftung, kostet aber Material und Zeit.

Eine Linie um das Bauteil ohne Verbindung zum Bauteil. Stabilisiert den Materialfluss vor dem eigentlichen Druck.

Orientierung, Schichthöhe, Infill, Wandstärke, Drucktemperatur, Druckgeschwindigkeit, Material und Deckschichten.

Bauteilhöhe, Schichthöhe, Infill, Wandstärke, Supportmenge, Druckgeschwindigkeit und Düsendurchmesser.

Materialverbrauch, Druckzeit, Support, Energie, Ausschuss und Nacharbeit.

Feuchtigkeit verdampft beim Drucken. Es entstehen Blasen, Poren, schlechte Oberfläche, ungleichmäßiger Materialfluss und Druckfehler.

Das Förderrad schleift das Filament ab. Ursachen: zu hoher Widerstand, falsche Vorspannung oder verstopfte Düse.

Flüssiges Photopolymer wird durch UV-Licht oder Laser schichtweise ausgehärtet.

Hohe Genauigkeit, feine Details und gute Oberflächenqualität.

Begrenzte Materialeigenschaften, Supportbedarf, Nachhärtung und Umgang mit flüssigen Harzen.

Pulver wird schichtweise aufgetragen und lokal mit einem Laser gesintert. Ungesintertes Pulver stützt das Bauteil.

Das ungesinterte Pulver stützt das Bauteil im Bauraum.

Metallpulver wird schichtweise aufgetragen und durch einen Laser vollständig aufgeschmolzen. Nach dem Erstarren entsteht ein Metallbauteil.

Metallische Bauteile mit hoher Festigkeit, komplexe Geometrien, Leichtbau und Funktionsintegration.

Teuer, langsam, Support nötig, Eigenspannungen, Verzug und häufig Nacharbeit.

Pulver wird lokal mit flüssigem Binder verklebt. Danach sind oft Sintern, Infiltrieren oder andere Nachbehandlungen nötig.

Flüssige Photopolymere werden tropfenweise aufgetragen und direkt ausgehärtet. Gut für feine Details und teils Multi-Material.

Bei komplexen Geometrien, kleinen bis mittleren Losgrößen, hoher Variantenvielfalt, Individualisierung und hohen Werkzeugkosten.

Additive Verfahren sind meist langsamer. Bei großen Stückzahlen sind konventionelle Verfahren oft schneller und günstiger.

3D-Daten verfügbar, Gewichtsreduzierung, hohe Werkzeugkosten, Variantenvielfalt, kleine Stückzahlen, Individualisierung und hohe Logistikkosten.

Anschaffungskosten, Betriebskosten, Druckgeschwindigkeit, Auflösung, Werkstoffe und mechanische Eigenschaften.

Festigkeit, Steifigkeit, Oberfläche, Temperaturbeständigkeit, elektrische Eigenschaften, Korrosionsbeständigkeit und Verarbeitbarkeit.

Maschinenkosten, Infrastruktur, Wartung, Raumkosten, Klimatisierung und Personal.

Materialkosten, Energiekosten, Betriebskosten, Verbrauchsgüter, Recyclingkosten und Nacharbeit.

Zusätzlich gibt es Nebenzeiten: Vorbereitung, Rüsten, Aufheizen, Inertisieren, Abkühlen, Entnahme, Reinigung, Supportentfernung und Finish.

Eine gute Bauraumnutzung verteilt Maschinenzeit auf mehrere Teile und senkt die Stückkosten.

Mehr Höhe in z-Richtung bedeutet mehr Schichten. Mehr Schichten bedeuten längere Bauzeit.

Schnelle Verfügbarkeit, Know-how-Aufbau, bessere Kontrolle und Vorteile bei guter Maschinenauslastung.

Keine Investition in Maschinen/Personal/Infrastruktur, Zugang zu mehreren Verfahren, moderne Anlagen und feste Preise.

Man muss Verfahren, Material, Qualität und Angebote beurteilen können. Ohne Know-how kann man Dienstleister schlecht bewerten.

Schnelle Produktentwicklung, Leichtbau, Individualisierung, Designfreiheit, Funktionsintegration, weniger Montage und bessere Materialausnutzung.

Langsame Fertigung, begrenzter Bauraum, hohe Kosten, Nacharbeit, Qualitätsprobleme, Reproduzierbarkeit und begrenzte Materialauswahl.

Mehrere Funktionen oder Bauteile werden in einem einzigen additiv gefertigten Bauteil zusammengeführt.

Mehrere Einzelteile werden durch ein einzelnes Bauteil ersetzt. Das reduziert Montage, Gewicht und Fehlerquellen.

1. Neue Wege in der Konstruktion, 2. Individualisierung, 3. kostenoptimale Produktion, 4. Rekonfiguration der Wertschöpfungskette, 5. Instandhaltung/Reparatur.

Produkte werden kundenspezifisch angepasst, z. B. Implantate, Zahnersatz, Schmuck, Schuhe oder Prothesen.

Bauteile werden dezentral und bei Bedarf produziert. Dadurch sinken Lagerhaltung, Transport und Lieferzeiten.

Die beste Materialverteilung innerhalb eines Designraums für vorgegebene Lasten, Randbedingungen und Restriktionen zu finden.

Topologieoptimierte Bauteile sind oft komplex, organisch und bionisch. Solche Geometrien sind konventionell schwer, aber additiv oft gut herstellbar.

Der Bereich, in dem Material grundsätzlich vorhanden sein darf. Die Optimierung entscheidet, wo Material gebraucht wird.

Lagerungen, Einspannungen, Kräfte, Funktionsflächen und Bereiche, die erhalten bleiben müssen.

Der Optimierungsparameter eines Elements. rho = 0 bedeutet kein Material, rho = 1 bedeutet volles Material.

Er wird in viele kleine Elemente unterteilt, damit das Optimierungsproblem rechnerisch lösbar ist.

Sie koppelt die Steifigkeit eines Elements an seine virtuelle Dichte: E_i = rho_i^p * E_0.

Er bestraft Zwischenwerte der Dichte. Das Ergebnis wird klarer: eher Material oder kein Material.

Minimale Nachgiebigkeit. Ziel ist ein möglichst steifes Bauteil.

Man möchte ein möglichst steifes Bauteil, darf aber nur eine begrenzte Materialmenge verwenden.

Man möchte die Masse möglichst klein machen, aber die zulässige Spannung darf nicht überschritten werden.

Designraum, Lasten, Lagerungen, Zielfunktion, Restriktionen, Netzfeinheit, Penalty-Faktor und beizubehaltende Bereiche.

Es ist nur ein Designvorschlag. Es muss konstruktiv überarbeitet, fertigungsgerecht gestaltet und geprüft werden.

Weil es auf bestimmte Lasten und Randbedingungen optimiert wurde. Ändert sich der Lastfall, kann die Struktur ungeeignet sein.

Das Ergebnis kann detaillierter werden, aber Rechenzeit und Anzahl der Variablen steigen.

Material folgt Lastpfaden ähnlich wie in natürlichen Strukturen, z. B. Knochen oder Bäumen.

Ein strukturierter Entwicklungsansatz für komplexe Systeme. Anforderungen, Funktionen, Architektur, Integration, Verifizierung und Validierung werden gemeinsam betrachtet.

Es beschreibt Anforderungen und Design von oben nach unten sowie Integration, Verifizierung und Validierung von unten nach oben.

Validation prüft, ob das richtige Produkt entwickelt wurde. Leitfrage: Erfüllt das Produkt den vorgesehenen Zweck?

Verifizierung prüft, ob das Produkt richtig entwickelt wurde. Leitfrage: Erfüllt es die festgelegten Anforderungen?

Eine gute Anforderung ist eindeutig, vollständig, notwendig, realisierbar und verifizierbar.

Must = zwingend. Shall = Leistungsanforderung. Should = wünschenswert, aber nicht zwingend.

Analyse, Simulation, Inspektion, Demonstration und Test.

SLM ist geeignet: metallische Bauteile mit hoher Festigkeit und komplexer Geometrie. Gut für Leichtbau und Topologieoptimierung.

FDM/FLM ist geeignet: günstig, einfach verfügbar und gut für schnelle Kunststoff-Prototypen. Nachteile: Schichten sichtbar, anisotrope Festigkeit.

SLA oder PolyJet, weil beide sehr feine Details und gute Oberflächen erzeugen können.

Das Teil kann bei Bedarf produziert werden. Lagerkosten und Transportaufwand sinken. Das ist Produktion on demand.

Konventionelle Verfahren sind bei großen Stückzahlen meist schneller und günstiger. AF lohnt eher bei Komplexität, Varianten oder Individualisierung.

Delamination: Schichthaftung ist zu schwach oder die Belastung wirkt ungünstig senkrecht zu den Schichten. Gegenmaßnahmen: bessere Orientierung, höhere Temperatur, anderes Material, angepasste Parameter.

Zu grobe STL-Tessellierung, zu große Schichtdicke, ungünstige Orientierung oder zu großer Düsendurchmesser.

Jedes Bauteil kann patientenspezifisch angepasst werden, ohne neue Werkzeuge. Beispiele: Implantate, Prothesen, Zahnersatz.

Sie verbessern die Kühlung, senken Zykluszeiten und können Bauteilqualität verbessern. AF ermöglicht solche komplexen inneren Kanäle.