Additive Fertigungsverfahren

Additive Fertigungsverfahren
CEDIFA Arbeitsbericht 1
21.05.2013
Christian Pickert, Marco Wirth
Zusammenfassung
Additive Fertigungsverfahren, in der Praxis auch 3D-Druck genannt,
ermöglichen die Herstellung von plastischen Gegenständen, welche zuvor am
PC in Form von CAD-Daten entworfen wurden. Der vorliegende Bericht gibt
einen Überblick über die wichtigsten additiven Fertigungsverfahren am Markt.
Nach der Einleitung erfolgt zunächst eine Bestimmung des Begriffs „Additive
Fertigung“. Anschließend werden die Grundlagen der verschiedenen
Fertigungsverfahren präsentiert. Hierbei wird auf den genauen Prozess von
einer CAD-Datei bis hin zu einem fertigen physischen Objekt eingegangen.
Anschließend wird das Verfahren mit Hilfe der Ausgangsmaterialien
klassifiziert und es werden Beispiele für die unterschiedlichen Verfahren
genannt. In Abschnitt drei werden die bedeutendsten additiven
Fertigungsverfahren näher beschrieben. Dabei wird auf die Prozesse der
einzelnen Verfahren näher eingegangen und die Funktionsweise mit Hilfe von
Abbildungen verdeutlicht. Zudem werden verfügbare Materialien für die
jeweilige Technologie erwähnt und die wichtigsten Eigenschaften sowie Vorund Nachteile diskutiert. Abschließend wird dargestellt, wie sich die additive
Fertigung in naher Zukunft entwickeln könnte und welche Trends bereits heute
erkennbar sind.
Inhaltsverzeichnis
1
Einleitung ............................................................................................................................. 3
2
Additive Fertigung ................................................................................................................ 4
3
2.1
Einordnung des Begriffs ............................................................................................... 4
2.2
Grundlagen................................................................................................................... 4
Additive Fertigungsverfahren .............................................................................................. 8
3.1
3D-Druck mit Pulver ..................................................................................................... 8
3.2
Selektives Lasersintern (SLS) ........................................................................................ 9
3.3
Selektives Laserschmelzen (SLM)............................................................................... 10
3.4
Elektronenstrahlschmelzen (EBM, Electron Beam Melting) .................................... 11
3.5
Schmelzschichtung (FDM, Fused Deposition Modeling) ........................................... 12
3.6
Laserauftragschweißen .............................................................................................. 13
3.7
Multi-Jet Modeling (MJM) ......................................................................................... 14
3.8
Stereolithographie (SL) .............................................................................................. 15
3.9
PolyJet ........................................................................................................................ 16
3.10 Laminated Object Modeling (LOM) bzw. Folienlaminier-3D-Druck .......................... 17
3.11 Contour Crafting (CC) ................................................................................................. 18
3.12 Film Transfer Imaging (FTI) ........................................................................................ 19
3.13 Digital Light Processing (DLP) ..................................................................................... 20
4
Schlussfolgerung ................................................................................................................ 21
Literaturverzeichnis .................................................................................................................. 23
Über die Autoren...................................................................................................................... 25
Kontakt ..................................................................................................................................... 26
Additive Fertigungsverfahren
2
1 Einleitung
Additive Fertigungsverfahren ermöglichen die Herstellung von plastischen Gegenständen,
welche zuvor am Personal Computer (PC) in Form von Computer-Aided-Design-Daten (CADDaten) entworfen wurden. Dieser Prozess wird auch als „Additive Manufacturing“, „Digital
Fabrication“ und in der Praxis aus Vermarktungsgründen gerne als „Dreidimensionaler (3D)Druck“ bezeichnet. Schon seit Jahrzehnten wird dieses Verfahren in industriellen
Entwicklungsprozessen zur Herstellung von Prototypen verwendet (Rapid Prototyping). Vor
einigen Jahren wurde durch den technologischen Fortschritt der Systeme jedoch auch mit der
Fertigung von Teilen begonnen, welche den Qualitätsansprüchen eines Endprodukts gerecht
werden (Rapid Manufacturing) (Gebhardt, 2007, S. 2-8).
Die additive Fertigungsindustrie zählt laut dem weltgrößten unabhängigen
Marktforschungsunternehmen für den US-Markt IBISWorld, zu den zehn am schnellsten
wachsenden Industrien (Setar & MacFarland, 2012, S. 2). Der „Economist“ widmete dem
Thema in einer aktuellen Ausgabe die Titelseite mit der Überschrift: „The third industrial
revolution“ (The Economist, 2012, S. 1) und das „Atlantic Council“ stellte sogar die Frage „ob
diese Innovation die Welt verändern könne“ (Campell, Wiliams, Banning, & Ivanova, 2011, S.
1). Im Jahr 2012 wurde die Technologie zudem als eine „emerging technology“ im
prominenten „Gartner Hype-Cycle“ aufgeführt. Hier wurde „3D-Druck“ mit Hinblick auf die
kommenden zehn Jahre das größte Entwicklungspotential unter allen „Emerging
Technologies“ prognostiziert (Fenn & LeHong, 2012). Ziel dieses Artikels ist es, einen Überblick
über die verfügbaren additiven Fertigungsverfahren am Markt zu erstellen und diese zu
charakterisieren.
Nach der Einleitung folgt in Abschnitt zwei zunächst eine Begriffsbestimmung für „Additive
Fertigung“. Anschließend werden die Grundlagen der verschiedenen Fertigungsverfahren
dargestellt. Hierbei wird auf die genauen Prozessschritte von einer CAD-Datei bis hin zu einem
fertigen physischen Objekt eingegangen. Daraufhin werden die Verfahren mit Hilfe der
Ausgangsmaterialien klassifiziert und Beispiele für die unterschiedlichen Verfahren genannt.
In Abschnitt drei werden die bedeutendsten additiven Fertigungsverfahren näher
beschrieben. Dabei wird auf die Prozesse der einzelnen Verfahren näher eingegangen und die
Funktionsweise mit Hilfe von Abbildungen verdeutlicht. Zudem werden verfügbare
Materialien für die jeweilige Technologie erwähnt und die wichtigsten Eigenschaften sowie
Vor- und Nachteile diskutiert.
Abschließend wird in der Schlussfolgerung dargestellt, wie sich die additive Fertigung in naher
Zukunft entwickeln könnte und welche Trends bereits erkennbar sind.
Additive Fertigungsverfahren
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2 Additive Fertigung
2.1 Einordnung des Begriffs
Die Gesamtheit der Fertigungsverfahren kann in drei Klassen eingeteilt werden. Danach kann
der Fertigungsprozess subtraktiv, formativ oder additiv erfolgen. Während bei subtraktiven
Verfahren Objekte durch Abtragen von Material, zum Beispiel (z.B.) durch Fräsen oder bei der
formativen Fertigung z.B. durch Schmieden, geschaffen werden, wird bei den additiven
Fertigungsverfahren der Baukörper im Schichtbauverfahren erzeugt. In der Praxis wird der
Begriff „additive Fertigung“ auch oft durch „generative Fertigung“ oder „Rapid Technology“
ersetzt. Zudem unterscheidet sich die Terminologie oft zusätzlich durch das Ziel des
Verfahrens. Für die Fertigung von Werkzeugen spricht man von „Rapid Tooling“, für die
Anfertigung von Prototypen von „Rapid Prototyping“. Für die Fertigung von Endprodukten
haben sich neben „Additive Manufacturing“ zahlreiche andere Begriffe etabliert, wie z.B.
„Rapid Manufacturing“, „Digital Fabrication“, „e-Manufacturing“, „Digital Manufacturing“
oder „Direct Manufacturing“.
Die wichtigsten Eigenschaften der additiven Fertigung sind (Gebhardt, 2007, S. 2-8):
•
Bauvorgang der einzelnen Schichten erfolgt direkt aus dem CAD-Modell
•
Einsatz von Werkzeugen entfällt
•
Mechanisch-technologische Eigenschaften werden während des Vorgangs generiert
•
Datensätze können in allen erdenklichen Orientierungen gebaut werden
•
SurfaceTesselationLanguage (STL) als Standarddatenformat für alle Maschinen
2.2 Grundlagen
Folgend werden die grundlegenden Produktionsschritte von einem CAD-Modell bis hin zu dem
physischen Objekte mit Hilfe von Abbildung 1 erläutert.
Additive Fertigungsverfahren
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Abbildung 1: Grundlagen des additiven Fertigungsprozesses in Anlehnung an (Fastermann, 2012, S. 15-17)
Zunächst wird das gewünschte Bauteil in einer CAD-Software (z.B. AutoCAD oder Blender)
generiert und im STL-Format abgespeichert (1). Anschließend muss das virtuelle Modell mit
einer weiteren Software (z.B. Slic3r oder Repsnapper) in die einzelnen Schichten unterteilt
werden (2). Als Ergebnis dieses Vorgangs erhält man ein CAD-Modell, welches in die einzelnen
„Druckschichten geschnitten“ wurde (3). Diese können sowohl alle die gleiche Dicke besitzen,
als auch unterschiedlich starke Schichten. Daraufhin beginnt der eigentliche Bauvorgang – die
physische Fertigung des Objekts. Dabei werden die einzelnen Schichten des Modells
nacheinander aufgebaut (4). Hierbei wird zusätzlich zu dem gewünschten Baukörper (a) auch
zeitgleich das Stützmaterial (b) generiert, um abstehende oder überhängende Teile zu
stabilisieren. Nach dem Bauvorgang ist das physische Modell identisch mit dem virtuellen und
das Stützmaterial kann mechanisch entfernt werden (Fastermann, 2012, S. 13-17) (Gebhardt,
2007, S. 11-15).
Die verwendbaren Materialien und Verarbeitungsgrundlagen sind in Abbildung 2 dargestellt.
Additive Fertigungsverfahren
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Abbildung 2: Materialien und Verarbeitungsgrundlagen in Anlehnung an (Gebhardt, 2007, S. 68-72)
Zunächst können die Materialien in Form ihres Aggregatszustandes in die Gruppen Draht,
Pulver, Folie, Paste und Flüssigkeit klassifiziert werden.
•
•
•
Bei drahtförmigen Ausgangsmaterialien ist die Werkstoffauswahl theoretisch nur durch
die Temperatur begrenzt. Zu beachten ist, dass die Düse des Gerätes nicht schmilzt oder
sich das Material zersetzt. Folglich sind für diese Prozess z.B. Kunststoffe, Lebensmittel
wie Schokolade oder Metalle verfügbar. Die Materialien werden geschmolzen, durch
eine Düse aufgetragen und erstarren anschließend. Fertigungsverfahren sind z.B. Fused
Deposition Modeling (FDM) oder Cladding.
Pulverbasierte Verfahren bieten die größtmögliche Materialbandbreite. Für das Sintern
und Schmelzen, bei denen das Pulver aufgeschmolzen wird und anschließend erstarrt,
besteht die einzige Begrenzung darin, dass die Materialien thermoplastisch reagieren
müssen. Beispiele für Verfahren hierfür sind z.B. Selective Lasersintering (SLS) oder
Selective Lasermelting (SLM). Für das Verkleben des Pulvers mit einem Bindemittel,
welches beim 3D-Druck eingesetzt wird, sind alle denkbaren Pulver-Binder-Mischungen
möglich. Bei beiden Verfahren kommen somit sowohl Kunststoffe, Metalle, Keramiken
und viele weitere Werkstoffe zum Einsatz.
Bei Folien als Ausgangmaterial sind die Materialoptionen prinzipiell nicht limitiert, da
grundsätzlich alle Materialien auf Folien transportiert und von einem Laser geschnitten
werden können. Auch hier werden z.B. Kunststoffe, Metalle oder Keramiken eingesetzt.
Bei dem Laminat-Schicht-Verfahren werden einzelne Folien aufeinander geklebt und mit
einem Laser entlang der Konturen geschnitten. Beispiele hierfür sind Laminated Object
Modeling (LOM) oder Film Transfer Imaging (FTI).
Additive Fertigungsverfahren
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•
•
Auch Materialien in Form von Pasten oder Schäumen können additiv verarbeitet werden.
Diese können aufgetragen und getrocknet werden, wie z.B. bei Contour Crafting mit
Polymer-Beton.
Photosensible Pasten oder auch Flüssigkeiten können durch Polymerisation verhärtet
werden. Hier ist das Verfahren auf Kunststoffe beschränkt, welche ein Photopolymer
enthalten. Jedoch können auch gefüllte Werkstoffe verwendet werden. Ist dies der Fall,
dient das Polymer nur noch als Trägermedium und wird anschließend in einem Ofen
ausgerieben. Dann verbleibt der Füllwerkstoff als fertiges Objekt. Somit können mit Hilfe
von Füllstoffen eine Vielzahl von Materialien verwendet werden. Beispiele für das
Verfahren sind z.B. Stereolithographie (SL), Multi-Jet Modeling (MJM) oder PolyJet
(Gebhardt, 2007, S. 68-72).
Additive Fertigungsverfahren
7
3 Additive Fertigungsverfahren
3.1 3D-Druck mit Pulver
Abbildung 3: 3D-Druck mit Pulver (CustomPartNet, 2009)
Bei dem Pulver-Bindeverfahren werden durch Einspritzen eines flüssigen Bindemittels in ein
Pulverbett, die einzelnen Schichten eines Modells selektiv verhärtet (Gebhardt 2004, S. 11).
Ähnlich wie bei einem Tintenstrahldrucker besitzen die Fertigungsgeräte meist mehrere
Druckköpfe, welche das Bindemittel in kleinen Dosen auftragen. Durch diesen Vorgang
kristallisieren die Pulverkörner und die Schichten des Werkstücks werden verklebt. Es besteht
zudem die Möglichkeit das Bindemittel einzufärben, um die Herstellung von mehrfarbigen 3DModellen zu ermöglichen. Nach Abschluss des Bauvorgangs, welcher in Abbildung 3
dargestellt ist, muss das Modell aus dem Pulverbett herausgenommen werden und kann mit
Epoxydharz veredelt werden (Infiltration). Das restliche, nicht verhärtete Pulver wird zurück
in die Kartusche gefüllt und für neue „Druckvorgänge“ verwendet (Fastermann, 2012, S. 117118). Als Werkstoff können neben Kunststoffen auch weitere pulverförmige Materialien wie
z.B. Metalle und Keramiken verwendet werden (Gebhard, 2004, S. 11).
Mit dem 3D-Druckverfahren mit Gipspulver lassen sich Modelle im Vergleich zu anderen
Technologien sehr preiswert und in hoher Geschwindigkeit herstellen. Zudem besteht die
Möglichkeit, vollfarbige Werkstücke anzufertigen. Da der Prozess ohne Hitze erfolgt, werden
somit sowohl Energiekosten als auch Unfallgefahren reduziert. Darüber hinaus sollte erwähnt
werden, dass diese Technologie es ermöglicht, formfeste Teile zu erstellen (Fastermann, 2012,
S. 117-118); (Gebhard, 2004, S. 11-12). Jedoch ist eine Nachbearbeitung der Werkstücke
Additive Fertigungsverfahren
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erforderlich. Um Sprödigkeit vorzubeugen, werden die Teile nach dem Druckvorgang gereinigt
und mit Epoxydharz veredelt. Defizite weist die Technologie in den Bereichen Belastbarkeit
und Detailgrad auf (Fastermann, 2012, S. 117-118); (Gebhard, 2004, S. 11-12).
Hersteller von Geräten mit oben beschriebener Technologie ist z.B. die Z-Corporation. Mit der
ZPrinter Baureihe können vollfarbige Modelle bei einem Materialpreis ab ca. 20 US-Cent pro
Kubikzentimeter hergestellt werden. Die ZPrinter sind ab einem Preis von ca. 19.000 Euro
erhältlich.
3.2 Selektives Lasersintern (SLS)
Abbildung 4: Selektives Lasersintern (CustomPartNet, 2008)
Beim selektiven Lasersintern werden die einzelnen Schichten eines Baukörpers versintert, was
bedeutet, dass ein Laser die einzelnen Materialpartikel an der Oberfläche miteinander
verschmilzt. Als Werkstoffe werden verschiedene Materialpulver, wie z.B. Thermoplaste,
Metalle, Keramiken oder Sande verwendet. Bei dem Prozess werden, wie in Abbildung 4
dargestellt, die einzelnen Pulverelemente mittels des Lasers nahe ihrer Schmelztemperatur
gebracht (Fastermann, 2012, S. 118). Nach Abschluss einer Schicht wird die Bauplattform um
die Dicke der jeweiligen Schicht abgesenkt, aus dem Materialbehälter eine neue Pulverschicht
verteilt und der Vorgang für die nächsten Schichten wiederholt (Fastermann, 2012, S. 118);
(Gebhard, 2004, S. 5).
Da das Werkstück in einem Pulverbett hergestellt wird, ist bei diesem Verfahren kein
Stützmaterial nötig. Dadurch, dass im Gegensatz zu der in 3.8 beschriebenen Technologie
Pulver als Basismaterial dient, ist der Detailgrad auf die Größe der einzelnen Materialkörner
Additive Fertigungsverfahren
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beschränkt. Zudem sollten die durch die Abkühlung auftretenden Materialveränderungen
vorher von der Maschine berechnet werden, um z.B. Schrumpfungsprozesse auszugleichen.
Abhängig von der Größe der Pulverpartikel weisen die Bauteile eine raue Oberfläche auf. Um
dieser Eigenschaft entgegenzuwirken, werden die Teile nach dem Bauvorgang in flüssigem
Kupfer oder Harz getränkt oder durch Perlstrahlen geglättet. Vorteilig sind die breite
Materialauswahl bei SLS und die hohe thermische, sowie mechanische Belastbarkeit, weshalb
sich dieses Verfahren auch über das Bauen von Prototypen hinaus zur Produktion von
Endprodukten eignet (Fastermann, 2012, S. 118-119); (Gebhard, 2004, S. 6).
SLS-Maschinen sind z.B. von 3D Systems erhältlich. Die Geräte der „sPro“-Reihe kosten
zwischen ca. 180.000 US$ - 600.000 US$ (Phillips Corporation - Federal Division, S. 3).
3.3 Selektives Laserschmelzen (SLM)
Im Gegensatz zu dem ähnlichen SLS-Prozess, wird das Baumaterial bei Selective Laser Melting
(SLM) nicht gesintert sondern am Bearbeitungspunkt des Werkstücks vollständig geschmolzen
und aufgetragen. Die Verhärtung des Materials erfolgt mit dem Abkühlprozess. Auch hier wird
das Bauobjekt, durch das Absenken der Plattform, schichtweise aufgebaut.
Durch die Möglichkeit mittels SLM eine riss- und porenfreie Struktur aufzubauen, ist es
theoretisch möglich, eine 100-prozentige Dichte des Baukörpers zu erreichen. Wie bei dem
SLS-Verfahren müssen auch hier die Schrumpfungsprozesse, welche durch das Abkühlen
entstehen können, durch Berechnungen der Maschine ausgebessert werden.
Als Werkstoffe können Metalle, wie z.B. Werkzeug- oder Edelstahl, Aluminium, Titan oder
sowohl Kunststoffe als auch Keramiken verwendet werden.
Auch bei SLM sind wie bei SLS keine Stützkonstruktionen während der Produktion
erforderlich. Zudem ist der Detailgrad durch die Größe der einzelnen Pulverkristalle limitiert,
wodurch die Endfestigkeit beeinflusst werden kann. Durch die hohe erreichbare Dichte
können Objekte erstellt werden, welche qualitativ mit den herkömmlich gegossenen Teilen
vergleichbar sind (Fastermann, 2012, S. 119).
SLM-Maschinen sind ebenfalls z.B. von 3D Systems erhältlich. Die Geräte der „sPro“-Reihe
kosten zwischen 280.000 US$ - 530.000 US$ (Phillips Corporation - Federal Division, S. 3).
Additive Fertigungsverfahren
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3.4 Elektronenstrahlschmelzen (EBM, Electron Beam Melting)
Abbildung 5: Elektronenstrahlschmelzen (Mechanical Engineering, 2012)
Bei dem Prozess des Electron Beam Meltings wird Metallpulver mittels eines Elektronenstrahls
schichtweise in einer Vakuumkammer versintert, um den Baukörper zu erstellen
(Fastermann, 2012, S. 119); (Gebhardt, 2007, S. 156). In Abbildung 5 ist der beispielhafte
Aufbau eines EBM-Gerätes beschrieben.
Das seit 2001 kommerzialisierte Verfahren ist eine Alternative zu SLS. Bei EMB wird anstatt
eines Lasers ein Elektronenstrahl verwendet, welcher eine hohe Flexibilität bietet und eine
exakte Steuerung der Temperatur des Bauraumes sicherstellt. Durch ca. 1000 Grad Celsius ist
die Schmelzgeschwindigkeit höher als bei lasergestützten Verfahren (Fastermann, 2012, S.
120); (Gebhardt, 2007, S. 156).
Führend produziert das schwedische Unternehmen Arcam Geräte mit dieser Technologie. Als
Beispiel sind der Arcam A1 & A2 zu nennen, welche ca. 1,3 Millionen US$ kosten (Morris
Technologies Inc, 2012).
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3.5 Schmelzschichtung (FDM, Fused Deposition Modeling)
Abbildung 6: Fused Deposition Modeling (CustomPartNet 2009)
Das von der Firma Stratasys eingeführte Schmelzschichtverfahren baut die zu produzierenden
Teile ebenfalls schichtweise auf. Im Gegensatz zu den lasergestützten Technologien wird, wie
in Abbildung 6 verdeutlicht, das Material ohne Laser oder Elektronenstrahlen geschmolzen.
Als Materialgrundlage dienen Kunststoffe und Harze, welche drahtförmig auf eine Spule
aufgewickelt sind. Diese werden durch eine beheizte Düse verflüssigt und schichtweise direkt
auf einer Bauplattform aufgetragen. Der Druckkopf kann sich sowohl entlang der horizontalen
als auch der vertikalen Maße exakt nach den Bauvorgaben des Objekts in dem Bauraum
bewegen. Nach dem Auftragen des Kunststoffes verhärtet dieser sofort durch die Abkühlung
des Materials, d.h. die Kunststoffe werden nur bis knapp unter den Schmelzpunkt erhitzt.
Nach Fertigstellung einer Schicht wird die Bauplattform um die Schichtdicke gesenkt und die
nächste Ebene aufgeschmolzen (Fastermann, 2012, S. 120); (Gebhardt, 2007, S. 196).
Da als Werkstoff lediglich Kunststoffe und Harze verwendet werden können und die Stabilität
geringer ist als bei Spritzgussbauteilen, eignet sich Fused Deposition Modeling eher für die
Erstellung von Prototypen und Modellen. Das FDM-Verfahren gehört zu den
kostengünstigsten Technologien, jedoch sind z.B. die einzelnen Schichten bei den Produkten
meist deutlich sichtbar (Fastermann, 2012, S. 120).
Bei überstehenden Teilen müssen trotz des schnellen Verfestigens des Materials
Stützkonstruktionen verwendet werden. Diese generiert das System jedoch vollautomatisch.
Da die Stützen aus einem spröderen Material gefertigt werden, lassen sich diese leicht von
dem Bauobjekt entfernen ohne Schäden an diesem zu verursachen (Gebhardt, 2007, S. 196).
Additive Fertigungsverfahren
12
Preislich gibt es große Unterschiede für Maschinen die FDM-Technologie verwenden. Geräte
für Bastler sind ab 1.200 US$ erhältlich, wohingegen Anlagen für den industriellen Gebrauch,
wie z.B. der Fortus 900mc der Firma Stratasys, bis zu 400.000 US$ kosten (3Druck.com, 2013);
(Yahoo! Inc, 2013).
3.6 Laserauftragschweißen
Abbildung 7: Laserauftragschweißen (Mechanical Engineering, 2012)
Das auch als „Cladding“ bezeichnete Verfahren des Laßerauftragschweißens, schmilzt und
trägt das Material direkt, lokal und schichtweise am Werkstück auf. Wie in Abbildung 7
dargestellt, ist bei diesem Prozess im Gegensatz zum „Sintern“ kein Pulverbett vorhanden,
sondern das Material wird aus einem Behälter zugeführt. Die Verflüssigung des Materials
erfolgt mittels eines Lasers. Da die technische Grundlage bei mehreren ähnlichen Verfahren
zum Einsatz kommt, beschreibt das „Cladding“ eine Gruppe verschiedener Technologien, wie
z.B. Direct Metal Deposition (DMD), Laser Engineered Net Shape (LENS) oder Laser Metal
Forming (LMF).
Die Werkstoffauswahl reicht von verschiedenen Metallen bis hin zu Keramiken. Das zu
verwendende Material ist anfangs entweder pulverförmig oder drahtförmig.
Durch eine gute Mikrostruktur wird mit „Cladding“ eine hohe Dichte in den Bauteilen erreicht.
Zudem weisen die Werkstücke gute mechanische Eigenschaften und eine hohe Belastbarkeit
auf. Des Weiteren kann die Technologie zur Reparatur von Metallwerkzeugen verwendet
werden, wobei Metallschichten auf die bestehenden Werkzeuge aufgetragen werden
(Fastermann, 2012, S. 120-121); (Gebhardt, 2007, S. 163-171).
Beispielgeräte, welche „Cladding“ als Technologie verwenden, sind die Modelle 44R, 66R und
IC106 der Firma POM (Wohlers Associates, 2012, S. 107).
Additive Fertigungsverfahren
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3.7 Multi-Jet Modeling (MJM)
Abbildung 8: Multi-Jet Modeling (CustomPartNet, 2009)
Bei Multi-Jet Modeling werden photosensible Werkstoffe in flüssiger Form aus einem Behälter
schichtweise aufgetragen und durch eine Ultraviolettlampe (UV-Lampe) verhärtet. Wie in
Abbildung 8 zu sehen ist, wird das Material mittels eines Druckkopfes, welcher mit dem eines
Tintenstrahldruckers vergleichbar ist, auf die Baufläche aufgetragen. Anschließend wird die
aktuelle Schicht mit einer Rolle glattgestrichen und mit UV-Licht bestrahlt. Daraufhin wird die
Bauplattform abgesenkt und der Vorgang für die nächsten Schichten wiederholt.
Als Baumaterial wird Acryl-Photopolymer verwendet. Die für überhängende Teile
notwendigen Stützkonstruktionen werden parallel mittels einer zweiten Druckdüse aus
Thermoplast gefertigt. Aufgrund der wachsähnlichen Eigenschaft des Stützmaterials kann
dieses nach Abschluss des Bauvorgangs problemlos durch Erhitzen verflüssigt und entfernt
werden.
Die Auflösung der Maschinen ist vergleichsweise hoch und produziert detaillierte Modelle mit
einer sehr guten Oberflächenbeschaffenheit. Dieser Detailgrad ist durch die geringe Größe der
einzelnen Materialtropfen möglich. Nachteilig ist allerdings die Geschwindigkeit, welche mit
6,5 mm/h in vertikaler Richtung vergleichsweise gering ist (Fastermann, 2012, S. 121);
(Gebhardt, 2007, S. 113-115).
Das Unternehmen 3D Systems produziert MJM-Maschinen. Aktuell befindet sich die PROJET
3500 Serie auf dem Markt, deren Geräte preislich bei ca. 60.000 – 90.000 US$ liegen
(Engineering.com, 2013).
Additive Fertigungsverfahren
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3.8 Stereolithographie (SL)
Abbildung 9: Stereolithographie (CustomPartNet, 2009)
Bei Stereolithographie werden die einzelnen Querschnitte des Baukörpers mit Hilfe eines
Laserstrahls aus einem Bad des flüssigen Baumaterials verhärtet. Anschließend wird, wie in
Abbildung 9 zu erkennen ist, die Bauplattform um die jeweilige Schichtdicke abgesenkt und
das flüssige Material aus dem Bad mit einem Wischer wieder auf der verhärteten Schicht
verteilt. Der Laser wird mittels mehrerer beweglicher Spiegel auf die zu verhärtenden Stellen
gelenkt (Fastermann, 2012, S. 121-122).
Die Umsetzung des Prozesses der Verhärtung von flüssigen Werkstoffen durch Polymerisation
beschreibt das Grundprinzip der Stereolithographie und zählt zu den ältesten RapidPrototyping-Verfahren. Verschiedene Unternehmen verwenden unter-schiedliche Methoden
zur Polymerisation. So nutzen einige Firmen Lampen, die anderen Laser als Lichtquelle und
ließen sich verschiedene Begrifflichkeiten für den Prozess patentieren. Deshalb wird die
Technologie der Stereolithographie z.B. oft auch als Stereographie bezeichnet oder durch SLA
abgekürzt (Gebhardt, 2007, S. 80).
Um das Bauteil vor einem „Wegschwimmen“ im Polymerbad zu schützen, werden die
Werkstücke mittels Stützkonstruktionen befestigt. Diese müssen nach dem Bauvorgang
manuell entfernt werden. Die Belastbarkeit der Teile ist im Vergleich zu anderen Verfahren
eher gering. Die Materialkosten sind ebenfalls hoch, jedoch können durch dieses Verfahren
äußerst glatte und detailgetreue Oberflächen erzeugt werden. Da die Technologie bereits seit
mehreren Jahrzenten verwendet wird, kann auf ein sehr umfangreiches Know-How für dieses
Verfahren zurückgegriffen werden (Fastermann, 2012, S. 122).
Additive Fertigungsverfahren
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Das deutsche Unternehmen EOS ist Weltmarktführer für Stereolithographie-Anlagen. Geräte
können hier ab einem Grundpreis von ca. 150.000 € bis hin zu ca. 900.000 € erworben werden
(Wohlers Associates, 2012, S. 274).
3.9 PolyJet
Abbildung 10: PolyJet (CustomPartNet, 2009)
Das PolyJet-Verfahren der Firma Objet ist dem in Kapitel 3.7 dargestellten Multi-Jet- Modeling
sehr ähnlich. Auch dabei wird das mittels Druckköpfen aufgespritzte Material durch eine UVLampe verhärtet. Wie Abbildung 10 zeigt, wird im Gegensatz zu dem Multi-Jet Modeling bei
dem PolyJet-Verfahren die Lampe direkt mit den Druckköpfen mitgeführt und polymerisiert
das Baumaterial unmittelbar nach dem Auftragen auf den Baukörper. Die Geräte verfügen
über zwei oder mehr Druckköpfe. Einer wird für das Supportmaterial verwendet, die weiteren
für verschiedene Materialien. Das PolyJet-Verfahren bietet die Möglichkeit Bauteile
gleichzeitig aus verschiedenen Werkstoffen zu fertigen (Fastermann, 2012, S. 123-124);
(Gebhardt, 2007, S. 110-113).
Auch die Materialauswahl unterscheidet die beiden erwähnten Verfahren. Das PolyJetVerfahren bietet neben dem in verschiedenen Farben erhältlichen Photopolymer auch die
Möglichkeit, mit einem flexiblen, gummiartigen Werkstoff namens „Tango“ zu arbeiten
(Gebhardt, 2007, S. 112).
Durch das PolyJet-Verfahren lassen sich Materialien kombinieren, insofern sie vorher in der
Software zugeordnet wurden. Zudem bietet die Technologie gute Strukturen und Oberflächen
sowie niedrige Wandstärken. Das Supportmaterial kann unkompliziert mit Wasser entfernt
Additive Fertigungsverfahren
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oder innerhalb von Bauteilen ausgewaschen werden (Fastermann, 2012, S. 123-124);
(Gebhardt, 2007, S. 110-113).
Geräte mit der PolyJet Technologie werden von der israelischen Firma Objet produziert.
Preislich beginnt die Produktpallette bei ca. 20.000 US$ und reicht bis hinzu 240.000 US$
(Wohlers Associates, 2012, S. 272).
3.10 Laminated Object Modeling (LOM) bzw. Folienlaminier3D-Druck
Abbildung 11: Laminated Object Modeling (CustomPartNet, 2009)
Das Verfahren des Laminated Object Modeling arbeitet mit auf Rollen aufgewickelten Folien.
Diese Materialfolien sind mit Klebstoff beschichtet und werden schichtweise auf das
Werkstück laminiert. Das Verkleben der Schichten kann durch die Polymerisation der Folien
oder galvanisch erreicht werden. Anschließend werden die einzelnen Schichten entlang der
gewünschten Konturen beschnitten. Je nach Hersteller erfolgt der Zuschnitt durch ein Messer,
einen heißen Draht oder mit Hilfe eines Lasers. In Abbildung 11 wird die Variante mit einem
Laser dargestellt.
Als Baumaterial können sämtliche Werkstoffe verwendet werden, welche als Folie hergestellt
werden können. Dazu zählen z.B. Papier, Kunststoffe, Aluminium und Keramik (Fastermann,
2012, S. 124); (Gebhardt, 2007, S. 176-180).
Das Verfahren benötigt keine Stützkonstruktionen. Es muss jedoch trotzdem eine
Nachbearbeitung erfolgen, um die überschüssigen Folienreste, welche den Baukörper
Additive Fertigungsverfahren
17
umgeben, zu entfernen. Zudem verursacht LOM Abfall in Form der Reste der Materialbahnen.
Das Verfahren ist das älteste Rapid Prototyping Verfahren und wurde im Jahre 1985 erfunden.
Durch die Möglichkeit z.B. Papier als Material zu verwenden und die vergleichsweise simple
Technik, zählt LOM bis heute zu den preisgünstigsten Möglichkeiten für Rapid Prototyping
(Fastermann, 2012, S. 124); (Gebhardt, 2007, S. 176).
Beispielgeräte für dieses Verfahren sind der LOM 1015plus und der LOM 2030 der Firma
Helisys. Das Unternehmen musste im Jahr 2000 Insolvenz anmelden, wird aber nun von dem
gleichen Gründer unter dem Namen „Cubic Technologies“ weitergeführt (Gebhardt, 2007, S.
176).
3.11 Contour Crafting (CC)
Abbildung 12: Contour Crafting (archiCentral, 2009)
An der University of Southern California in Los Angeles entwickelte Dr. Behrokh Khoshnevis
ein additives Fertigungsverfahren, das Contour Crafting, mit welchem sich vollständige
Gebäude konstruieren lassen. Dabei wird das Haus an einem Computer entworfen und
anschließend von einem Roboter schichtweise aufgebaut. Wie in Abbildung 12 erkennbar ist,
ist ähnlich zu den bisher beschrieben Verfahren ebenfalls ein Materialbehälter vorhanden, aus
welchem das flüssige Material mittels einer Düse auf dem Baukörper verteilt wird. Durch eine
Schichtdicke von nur 5-10 Millimetern trocknet die jeweilige Schicht unmittelbar nach dem
Auftragen und verhärtet.
Als Materialien werden Beton oder Lehm verwendet. Bei den Werkstoffen gilt zu beachten,
dass die Beschaffenheit flüssig ist, um die Fließfähigkeit des Materials zu gewährleisten.
Dieses Verfahren ist nicht mit den übrigen Technologien zu vergleichen, da es in anderen
Dimensionen stattfindet. Es soll die Möglichkeit bestehen, ein gesamtes Gebäude innerhalb
von 24 Stunden zu errichten. Dieser Vorgang geschieht beinahe ohne Lärm und in einer
Geschwindigkeit von ca. 15 qm pro Minute. Neben der enormen Zeitersparnis, erweist sich
diese Methode zusätzlich als sehr effizient und verursacht kaum Bauschutt. Leider ist es im
Moment noch nicht möglich die Ergebnisse des Verfahrens mit traditionell errichteten
Additive Fertigungsverfahren
18
Gebäuden, im Bezug auf Langlebigkeit, Stabilität und weitere Qualitätsmerkmale, zu
vergleichen. Der federführende Forscher sieht die Anwendung zunächst vor allem in
Katastrophen-Situationen oder im Billigsegment der Baubranche. So sollen z.B. mit der
Technologie in naher Zukunft Notunterkünfte oder Ersatzgebäude nach Naturkatastrophen
innerhalb kürzester Zeit gebaut werden. Zudem hat das Forscherteam die Vision, dass die
Technologie bei der Besiedlung anderer Planeten im Weltraum zum Einsatz kommen könnte
(Fastermann, 2012, S. 125-126); (University of Southern California, 2013).
3.12 Film Transfer Imaging (FTI)
Abbildung 13: Film Transfer Imaging in Anlehnung an (Gebhardt, 2007, S. 118)
Das Verfahren des Film Transfer Imaging (FTI) verfestigt das Baumaterial mittels eines
Bildprojektionssystem. Wie Abbildung 13 zeigt, muss bei dem Prozess das Material zunächst
auf einer Trägerfolie vorkonfektioniert werden. Anschließend verhärtet der Materialfilm auf
der Transferfolie durch die Belichtung. Belichtet wird nur der Teil der Folie, welcher die
jeweilige Schicht des Werkstücks darstellt. Das unbelichtete Material, welches außerhalb der
Konturen des zu erstellenden Objekts liegt, und die restliche Folie werden von der Maschine
nach Abschluss des Bauvorgangs entfernt und in die Druckerkartusche zurückbefördert.
Als Material werden auch hier wie bei dem in Abschnitt 3.8 beschriebenen Verfahren der
Stereolithographie auf Licht reagierende Photopolymere verwendet.
Mit der Technologie lassen sich bei einem hohen Detailgrad qualitativ hochwertige
Oberflächen erstellen. Das Stützmaterial, welches ebenfalls durch die Belichtung erstellt wird,
muss nach dem Bau entfernt werden (Fastermann, 2012, S. 122-123); (Gebhardt, 2007, S. 117118).
Maschinen, welche mit der FTI-Technologie ausgestattet sind, werden z.B. von 3D-Systems
produziert. Die Modelle ProJet 1000 und 1500 haben einen Basispreis von ca. 10.000 US$
(Wohlers Associates, 2012, S. 270).
Additive Fertigungsverfahren
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3.13 Digital Light Processing (DLP)
Abbildung 14: Digital Light Processing in Anlehnung an (Gebhardt, 2007, S. 109)
Digital Light Processing (DLP) funktioniert sehr ähnlich wie das in Abschnitt 3.12 beschriebene
Film Transfer Imaging (FTI). Im Gegensatz dazu werden die Objekte anstatt mit Hilfe von Folien
in einem flüssigen Materialbad gebaut. Hier werden die einzelnen Schichten ebenfalls durch
einen Digital Light Processor (DLP)-Projektor, welcher die einzelnen Schichten als Bitmap auf
die Bauplattform projiziert, verhärtet. Die Bauplattform befindet sich bei diesem Verfahren,
wie Abbildung 14 zeigt, über dem Baukörper und bewegt sich nach oben. Auch die
Eigenschaften der Bauteile und die Materialien sind jedoch nahezu identisch (Fastermann,
2012, S. 123); (Gebhardt, 2007, S. 105-109).
Das deutsche Unternehmen Envisiontec stellt Maschinen her, welche die DLP-Technologie
verwenden. Die Preise der Modelle beginnen bei ca. 30.000 €. Die teuersten Geräte kosten
rund 100.000 € (Wohlers Associates, 2012, S. 273-274).
Additive Fertigungsverfahren
20
4 Schlussfolgerung
Nach einer Einführung in die additive Fertigung und der ausführlichen Beschreibung einzelner
Verfahrenstechniken werden abschließend aktuelle Trends und zukünftige Entwicklungen im
Bereich der additiven Fertigungsverfahren diskutiert. Derzeit finden zahlreiche Fortschritte
und Veränderungen, wie z.B. das Auslaufen wichtiger Patente, die Überwindung rechtlicher
Herausforderungen oder die Entwicklung neuer Industriestandards statt. Viele neue Firmen
drängen auf den Markt und experimentieren mit Anwendungen oder Verfahren. Durch das
Angebot von Hobbygeräten im Niedrigpreissegment (ab ca. 800 US$) werden erstmals
Endverbraucher angesprochen und neue Märkte eröffnet. Noch ist nicht exakt abzuschätzen
wohin sich diese Technologie entwickeln wird und wie groß die Branche eines Tages werden
wird. Diese Stimmung erinnert viele Experten an die sechziger Jahre der Halbleiterindustrie,
als noch nicht bekannt war, welche enorme Bedeutung diese wenige Jahrzehnte später
erlangen würde (Wohlers Associates, 2012, S. 250-258).
Ein treibender Faktor für die Weiterentwicklung der verschiedenen Verfahren ist das
Auslaufen verschiedener Basispatente. Neben dem bereits abgelaufenen Patent für das FDMVerfahren laufen in den nächsten Jahren auch Patente für weitere Prozesse aus. Dies
beschleunigt den Wettbewerb und erhöht den Druck auf Produzenten für additive
Fertigungsmaschinen enorm, zu innovieren. So werden in naher Zukunft auch bestehende
Prozesse von anderen Firmen verbessert und verändert werden. Des Weiteren werden vor
allem die Marktführer mit hohen Investitionen in Forschung und Entwicklung versuchen neue
Verfahren zu patentieren um ihre Marktposition zu stärken. Dies führt unausweichlich zu
niedrigeren Preisen, da sich das Angebot durch mehr Marktteilnehmer vergrößern wird
(Wohlers Associates, 2012, S. 253).
Auch das Beschließen von Industriestandards durch einen internationalen Verband für
additive Fertigung, hilft der Branche schneller zu wachsen und sich weiterzuentwickeln. In
diesem Zusammenhang wurden z.B. Normen für Begrifflichkeiten beschlossen, Testverfahren
definiert und ein neues Datenformat, das Additive Manufacturing File Format (AMF),
geschaffen. Dies ist eine wichtige Voraussetzung um neue Verfahren und Materialien
schneller und kostengünstiger zu überprüfen. Zudem wird die Produktionsmethode leichter
von etablierten Produktionsunternehmen adaptiert und akzeptiert (Wohlers Associates, 2012,
S. 250).
Grundlage für den Erfolg der additiven Fertigungsverfahren ist außerdem die
Materialauswahl. Während vor einigen Jahren die Verarbeitung von Metallen noch in den
Kinderschuhen steckte, können heutzutage Bauteile aus Aluminium, Titan, Edelmetallen und
Stahl gefertigt werden. Mit Hilfe von Mathematik konnten zudem die räumlichen Strukturen
in Bauteilen optimiert werden. In Verbindung mit additiven Fertigungsverfahren konnte das
Gewicht von Bauteilen um bis zu 80% reduziert werden. Dies führt z.B. bei Flugzeugen zu
Gewichtsreduktionen, welche zu gravierenden Kosteneinsparungen führen (Wohlers
Associates, 2012, S. 250-251).
Additive Fertigungsverfahren
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Dank dieser rasanten und erfolgreichen Entwicklungen wird die additive Fertigung neuerdings,
über das Bauen von Prototypen oder Funktionsmodellen hinaus, als „richtiges“
Produktionsverfahren wahrgenommen. Aktuell wird die Produktionsmethode z.B. schon von
Flugzeugherstellern oder Dentallaboren zur Herstellung von Zahnkronen verwendet. Durch
das steigende Interesse von Unternehmen werden in naher Zukunft noch bessere Materialien
und Fertigungsprozesse entwickelt werden. Dies wird durch hohe Investitionen in die
Forschung und Entwicklung von Firmen aller Branchen beschleunigt (Wohlers Associates,
2012, S. 250-255).
Dennoch stehen der rasanten Entwicklung zusätzlich noch einige Herausforderungen bevor.
Die wohl größte Unsicherheit besteht in rechtlichen Angelegenheiten rund um die additive
Fertigung. Mittlerweile können komplette Produkte kopiert oder verändert neu produziert
werden. Teilweise fehlen hier noch entsprechende gesetzliche Rahmenbedingungen in
Themenfeldern wie z.B. Produkthaftung oder Designrechte. Des Weiteren werden die
produzierenden Unternehmen vor die Herausforderung gestellt werden, ihre
Produktionsprozesse und internen Abläufe der neuen Technologie anzupassen. So müssen
z.B. die Lieferkette, die Vertriebskanäle oder die IT-Infrastruktur den neuen Prozessen
angepasst werden. Hier ist zu beachten, dass der Produzent mit Hilfe der Technologie viele
individuelle Fabrikate fertigen kann und die benötigte Zeit von einem Design bis zum
Markteintritt eines Produktes dramatisch verkürzt wird (Wohlers Associates, 2012, S. 255).
Additive Fertigungsverfahren
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Additive Fertigungsverfahren
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Über die Autoren
Christian Pickert absolvierte seinen Bachelor in
Wirtschaftswissenschaften an der Julius-MaximilianUniversität Würzburg und an der San Diego State University.
Derzeit studiert er im Masterstudiengang „Business
Management“ an der Universität Würzburg mit den
Schwerpunkten Entrepreneurship, Informationsmanagement und strategisches Marketing-Management. Seit Januar
2013 arbeitet er als wissenschaftlicher Mitarbeiter am Center
for Digital Fabrication (CEDIFA).
Marco Wirth, M.Sc. studierte Informatik mit Nebenfach
Wirtschaftswissenschaften an den Universitäten Paderborn
und Helsinki. Seit 2012 ist er als wissenschaftlicher
Mitarbeiter am Lehrstuhl für Wirtschaftsinformatik und
Systementwicklung der Universität Würzburg tätig. Im
Rahmen seines Engagements im Kompetenzzentrum CEDIFA
beschäftigt er sich mit Fragestellungen rund um das Gebiet
der additiven Fertigung.
Additive Fertigungsverfahren
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