Grundlagenwissen Additive Fertigung mit Metall - Die Grundlagen

Additive Fertigung verbreitet sich schnell in den verschiedenen Zweigen der Industrie. Doch wie funktioniert die Additive Fertigung mit Metall?

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Was ist überhaupt die Additive Fertigung?

Während bei den abtragenden Fertigungsverfahren die Werkstücke aus einem Rohstoff herausgearbeitet werden, geht die Additive Fertigung einen gänzlich anderen Weg. Bei der Additiven Fertigung wird das Bauteil in mehreren Schritten Schicht für Schicht aufgebaut. Diese Art der Fertigung erlaubt eine sehr hohe Flexibilität in der Planung und im Aufbau der unterschiedlichen Bauteile. Je nach gewähltem Verfahren werden die Materialien als Pulver in Position gebracht und anschließend verhärtet. Auf dieser Schicht werden nun die weiteren Schichten Schritt für Schritt aufgebracht und mit der darunter liegenden Schicht verbunden. So entstehen durch die Additive Fertigung umfassende neue Bauteile mit hoher Stabilität und Funktionalität. Im Volksmund wird die Additive Fertigung auch als 3D-Druck bezeichnet.

Die Additive Fertigung mit Metall

Die Additive Fertigung mit Metall funktioniert ähnlich wie di normalen Additiven Fertigung, wobei hier statt der häufig verwendeten Kunststoffe verschiedene Metallpulver eingesetzt werden, um metallische Bauteile zu formen. Die hierbei eingesetzten Metallpulver werden aus den verschiedenen Werkstoffen hergestellt und können in der entsprechenden Legierung passend zum gewünschten Werkstück und zum Einsatzgebiet gewählt werden. Somit kann die Additive Fertigung problemlos auf weitere Branchen übertragen werden, da die Werkstücke aus Metall deutlich höheren Beanspruchungen standhalten können.

Benötigte Werkstoffe für die Additive Fertigung

Die Additive Fertigung nutzt im Regelfall pulverförmige Werkstoffe, welche exakt aufgetragen und anschließend verhärtet werden. Die Additive Fertigung aus Metall bildet hier keine Ausnahme. Allerdings werden in diesem Verfahren unterschiedliche Metallpulver verwendet, welche in unterschiedlichen Legierungen von den Herstellern bereitgestellt werden. Metallwerke produzieren die unterschiedlichen Metallpulver auf Eisen-, Nickel oder Kobaltbasis in den unterschiedlichen Legierungen direkt für ihre Kunden und liefern diese in den gewünschten Gebinde Größen. Da die Additive Fertigung mit Metall sich immer stärker verbreitet und in immer mehr Branchen eingesetzt wird, hat sich das Angebot auf dem Markt seit einigen Jahren deutlich vergrößert.

Das Metallpulver für die Additive Fertigung wird in speziellen Verfahren hergestellt, um die gewünschte Reinheit und die homogene Größe der einzelnen Pulver-Elemente zu erreichen. Die einzelnen, mikroskopisch kleinen Metallkugeln mit einer Größe zwischen 15 und 45 Mikrometern müssen für ein optimales Ergebnis absolut homogen und gleichmäßig sein, sodass der Auftrag in der Additiven Fertigung mit Metall gleichmäßig vonstattengehen kann.

Aus diesem Grund haben sich am Markt aktuell nur wenige Hersteller etabliert, welche diese Metallpulver in der höchsten Reinheit und in der gewünschten Qualität liefern können. Diese fertigen das Metallpulver nach Bestellung an und können in Zusammenarbeit mit ihren Kunden die unterschiedlichen Legierungen und Zusammensetzungen anbieten.

Fertigungsverfahren der Additiven Fertigung mit Metall

Die Additive Fertigung wird in unterschiedlichen Fertigungsverfahren genutzt. Die Additive Fertigung mit Metall greift dabei auf drei verschiedene Verfahren zurück. Die Fertigungsverfahren sind:

• Das selektive Laserschmelzen (SLM)

• Das selektive Lasersintern (SLS)

• Das Binderjetting

Das selektive Laserschmelzen (SLM)

Die Additive Fertigung per selektivem Laserschmelzen findet in einer geschlossenen Laser-Anlage statt. Die Additive Fertigung nimmt hierbei in mikrometer-feinen Schichten Gestalt an. In der Anlage wird Schicht für Schicht das Metallpulver entsprechend der Vorgabe aufgetragen und auf Basis eines CAD-Modells per Laser eingeschmolzen. Das lose und überschüssige Metallpulver wird am Ende des Fertigungsvorgangs entfernt, sodass nur die exakte, vom Laser eingeschmolzene Struktur erhalten bleibt. So können komplexe, dreidimensionale Bauteile aus Metall durch die Additive Fertigung problemlos erstellt werden. So lassen sich unter anderem geometrische Figuren realisieren, welche beispielsweise durch die zerspanende Bearbeitung nicht hergestellt oder erreicht werden könnten.

Fertigung durch selektives Laserschmelzen:

Das selektive Lasersintern (SLS)

Die Additive Fertigung durch selektives Lasersintern bedient sich eines ähnlichen Verfahrens, auch wenn hier die Metalle nicht vollständig verschmolzen, sondern gesintert werden. Auch hier wird das Werkstück Schicht für Schicht aufgebaut. Der Unterschied zwischen beiden Verfahren ist vor allem in der Art der verwendeten Laser und in deren Puls zu finden. Zudem unterscheidet sich der Prozess häufig durch die eingesetzten Werkzeuge.

Das Binderjetting

Die Additive Fertigung mit Metall setzt zudem das Verfahren des Binderjettings ein. Als Additive Fertigung kommt dieses Verfahren dem gewöhnlichen 3D-Druck am nächsten, da bei diesem Verfahren Binder, also Verbindungsstoffe genutzt werden, um die einzelnen Schichten in der Fertigung miteinander zu verbinden. Schicht für Schicht wird Pulver aufgebracht, welches von einem Druckkopf an den vorgesehenen Stellen mit einem Binder versehen wird. So entstehen ebenfalls komplexe Gebilde, welche nach Ende der Fertigung aus dem umgebenden Metallpulver herausgelöst werden können. Diese Additive Fertigung ist allerdings im Metall-Bereich weniger weit verbreitet, da die Stabilität der Werkstücke mit den anderen Verfahren deutlich höher ausfällt.

Ablauf und Dauer der Produktion

Die Dauer des Produktionsprozesses hängt von vielen verschiedenen Faktoren ab. Neben der Größe des Werkstücks muss auch die Komplexität des Bauteils berücksichtigt werden. Je komplexer die gewünschten Formen sind, umso mehr Aufwand wird bei der Fertigung betrieben. Zudem spielt auch die gewünschte Genauigkeit der Fertigung eine wichtige Rolle. So kann die Produktion einzelner Werkstücke in wenigen Stunden, aber auch erst nach Tagen abgeschlossen sein. Da die Additive Fertigung mit Metall allerdings die Konstruktion von Bauteilen ermöglicht, welche in herkömmlichen Verfahren nicht anzufertigen sind, werden diese Laufzeiten und Produktionszeiten von vielen Unternehmen problemlos in Kauf genommen.

Möglichkeiten und Einsatzbereiche der Additiven Fertigung mit Metall

Die Additive Fertigung hat sich in vielen Industriezweigen sehr schnell verbreitet. Vor allem in der Automobilindustrie, in der Luftfahrt und in der Medizintechnik profitieren die Unternehmen und somit auch die Kunden von diesem Fertigungsverfahren. Denn die Additive Fertigung erlaubt es neue Produkte und neue Konstruktionen zu fertigen, welche unter anderem das Gewicht von Fahrzeugen oder Flugzeugen verringern oder die Stabilität erhöhen. Die Additive Fertigung mit Metall bietet dank der verschiedenen Legierungen und Zusammensetzungen eine besonders hohe Stabilität und Beständigkeit, sodass sich ganz neue Produkte in diesen Verfahren entwickeln lassen. Insgesamt ist die Additive Fertigung eine flexible Möglichkeit, bisher tradierte Fertigungsverfahren gezielt zu ersetzen und somit neue Produkte und Werkstücke zu realisieren.

Chancen und Risiken durch die Additive Fertigung

Die Additive Fertigung bringt viele Chancen mit sich, weshalb sie sich in den letzten Jahren enorm verbreitet hat und unter anderem mit dem Schlagwort der Industrie 4.0 sehr stark verknüpft ist. Das liegt unter anderem daran, dass die Additive Fertigung in vielen Unternehmen ausgelagert werden kann, da nur die Produktionsdaten notwendig sind, um die Werkstücke exakt nach Maß und nach Wunsch der Auftraggeber zu fertigen. Zudem wird die Additive Fertigung mit Metall immer häufiger im Bereich des Rapid Prototyping eingesetzt, sodass die Prototypen bereits im laufenden Entwicklungsprozess getestet und begutachtet werden können.

Doch die Additive Fertigung bietet auch Risiken für die Unternehmen. Denn die Güte der eingesetzten Grundstoffe spielt für die Haltbarkeit und Stabilität der verschiedenen Produkte eine enorm große Rolle. Da der Metallstaub beispielsweise eine exakte und homogene Größe aufweisen muss, die mit bloßem Auge nicht zu kontrollieren ist, kann es hier zu Fehlproduktionen und somit zu fehlerhaften Produkten mit geringerer Haltbarkeit kommen. Die Additive Fertigung aus Metall ist somit auf zuverlässige Grundstoffe angewiesen, damit die produzierten Bauteile den gewünschten Spezifikationen entsprechen. Eine Kontrolle der Werkstoffe ist allerdings sehr aufwändig und in einer laufenden Produktion nur schwer zu bewerkstelligen.

Additive Fertigung und die Nachbearbeitung der Produkte

Die im Additiven Fertigungsverfahren entstandenen Produkte können direkt im Anschluss selbstverständlich noch nachgearbeitet werden. Neben der Färbung der Oberflächen durch Farben und Lacke kommt bei den Werkstücken auch eine umfassende Oberflächenbehandlung in Frage. So kann die Struktur der entstandenen Oberfläche an die Wünsche des Nutzers angepasst und optimiert werden. Dies ist unter anderem dann wichtig, wenn die Additive Fertigung im Prototyping Anwendung findet und diese Prototypen so nah wie nur möglich an den Produkten der Serienfertigung liegen sollen. So lassen sich die in den typischen Fertigungsverfahren entstehenden Oberflächen nachträglich auch auf die additiv gefertigten Werkstücke übertragen. Dies ermöglicht eine vollständige optische und haptische Kontrolle der Prototypen und eine exakte Bewertung.

Die Additive Fertigung mit Metall und ihre Anwendungsbereiche

Die Additive Fertigung wird aktuell in vielen unterschiedlichen Branchen eingesetzt und verbreitet sich immer stärker. Waren vor wenigen Jahren nur einzelne Betriebe mit dem Prinzip der Additiven Fertigung vertraut, verbreitet sich mittlerweile die Technologie über die verschiedenen Branchen. Die immer besser werdenden Fertigungstechniken sorgen unter anderem dafür, dass die Additive Fertigung mit Metall unter anderem in der Serienproduktion eingesetzt werden kann. Genutzt wird die Additive Fertigung unter anderem in folgenden Branchen und Einsatzbereichen:

• Automobilindustrie

• Luftfahrt

• Industrie

• Prototypen

Automobilindustrie & Luftfahrt:

Sowohl die Automobilindustrie als auch die Luftfahrt sind mittlerweile dazu übergegangen, die Additive Fertigung mit Metall in der Serienproduktion einzusetzen. So werden vieleBauteile nicht nur schneller, sondern vor allem kostengünstiger realisierbar, was die Gewinne und Gewinnmargen deutlich steigert. Vor allem kleine und bisher kompliziert zu fertigende Bauteile können in der Serienproduktion durch Additive Fertigung bereitgestellt werden.

Herstellung von Teilen für Triebwerke durch Additive Fertigung mit Metall:

Industrie:

In der produzierenden Industrie wird ebenfalls die Additive Fertigung in vielen Bereichen in der Serienproduktion eingesetzt. Je nach Bauteil und dessen Belastung setzt die Industrie dabei sowohl auf die Additive Fertigung mit Metall als auch mit allen anderen verfügbaren Werkstoffen. Somit lassen sich die Anforderungen an die verschiedenen Werkstücke hervorragend und ohne Schwierigkeiten abdecken.

Prototypen:

Das Prototyping ist nochmals ein eigener Bereich der Additiven Fertigung. Vor allem beim sogenannten Rapid Prototyping konnte die Additive Fertigung über viele Jahre überzeugen und tut es bis heute. Dank der schnellen Fertigungsverfahren können Prototypen in den unterschiedlichen Stadien der Entwicklung und Konzeptionierung problemlos erstellt und begutachtet werden. Die Additive Fertigung mit unterschiedlichen Werkstoffen erlaubt dabei sowohl eine Kontrolle der Funktionalität als auch der Belastbarkeit und der Haptik. Die Additive Fertigung mit Metall erlaubt beim Prototyping die Prototypen in exakt der Ausführung zu generieren, wie sie im späteren Produktionsverfahren entstehen würden. Somit sind eine exakte Kontrolle und Planung während des gesamten Entwicklungsprozesses möglich. Fehler in der Planung und Ausführung können durch die Additive Fertigung bereits frühzeitig erkannt und eliminiert werden. Somit erleichtert und verschlankt die Additive Fertigung viele Produktionsprozesse deutlich.

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