Additive Fertigung
Begriffe wie Generative Verfahren und Rapid Prototyping hinterlassen in deinem Kopf eine gähnende Leere? Nach diesem Video weißt du bestens darüber Bescheid!
Inhaltsübersicht
Herstellung von Bauteilen ohne Formwerkzeug
Generative oder auch Additive Fertigung ist eine Bezeichnung für Fertigungsverfahren, die ein Bauteil direkt ohne Formwerkzeug oder Modell herstellen können. Dabei werden die benötigten Informationen über CAD- Daten bezogen. Sicher hattest du schon einmal den Fall, dass dir ein kleines Teil eines Haushaltsgeräts kaputt gegangen ist, das du nicht nachkaufen kannst. Auch die Werkstatt in deinem Keller bietet keine Möglichkeit große Industriemaschinen zu beherbergen, die es dir anfertigen könnten. Genau für so einen Fall hast du als Privatperson die Möglichkeit auf ein Verfahren wie den 3D-Druck zurückzugreifen und es dir bequem zuhause zu programmieren und anfertigen zu lassen.
Weil in der Industrie viel Zeit in der Produktentwicklung auf die Fertigung von Prototypen und Modellen entfällt, sind durch diese direkt anfertigenden Verfahren drei große Anwendungsfelder entstanden. Das Rapid Prototyping, also das Fertigen von Modellen und Prototypen, das Rapid- Tooling – die Herstellung von Werkzeugen und Formeinsätzen mit durchaus komplexen Geometrien sowie das Rapid Manufacturing. Dieses Feld beschreibt das Generieren fertiger Bauteile, die vor allem im Leichtbau eingesetzt werden.
Datenerstellung zur Fertigung
Vor der eigentlichen Fertigung läuft das so ab: Jemand erstellt ein CAD- Modell auf Basis dreidimensionaler Daten. Die Schnittstelle zum gewünschten Fertigungsverfahren bildet die Programmiersprache STL, in die die Daten jetzt umgewandelt werden. Dabei wird die Bauteiloberfläche durch kleine Dreiecke angenähert. Deshalb nennt man diesen Schritt auch Triangulation. Jetzt wird eine Stützkonstruktion um das Bauteil erstellt, die sich danach wieder abtrennen lässt. Diese entsteht durch die Support- Daten. Zusammen mit dem eigentlichen Bauteil werden diese virtuell in Schichten geschnitten. Das nennt man Slicing.
Welches Verfahren zur Herstellung des Werkstücks ausgewählt wird, hängt davon ab, aus welchem Material es besteht. Mittlerweile lassen sich Keramiken, Metalle und Kunststoffe als Folien, Pulver oder Feststoffe in generativen Fertigungstechniken verarbeiten.
Die Stereolithographie
Hast du zum Beispiel ein flüssiges Photopolymerharz, so benötigst du ein Verfahren, das mit Licht arbeitet, um es auszuhärten. An dieser Stelle sehen wir uns die Stereolithographie an. Dabei befindet sich die Bauplattform in einem Behälter gefüllt mit dem Photopolymerharz. Ein Laserpuls, der über einen Scanspiegel geleitet wird, härtet das Harz dort aus, wo das Bauteil entsteht. Der Prozess wiederholt sich für alle Schichten so oft, bis das Werkstück seine endgültige Form erreicht hat. Durch dieses Verfahren lassen sich sehr komplexe Bauteile mit einer Genauigkeit von rund 0,05 Millimetern anfertigen.
Das Lasergenerieren
Eine weitere Möglichkeit, mit Laser zu arbeiten, ist das Lasergenerieren. Über eine Zufuhrdüse wird der Werkstoff in Pulverform direkt im Laserstrahl schichtweise aufgetragen. Das Pulver wird beim Auftragen sofort aufgeschmolzen und verbindet sich mit der darunterliegenden Schicht. Das ist zwar sehr materialsparend, führt aber dazu, dass die Bauteiloberfläche noch etwas nachbearbeitet werden muss.
Controlled Metal Build Up
Zur präzisen Verarbeitung von Stahl, eignet sich Controlled Metal Build Up. Hier werden die Verfahren Laserauftragsschweißen und Fräsen mit einander kombiniert. Die Anlage verfügt über ein Diodenlaser- Modul und eine Vorrichtung, die den Metalldraht zum Schweißen zuführt. Der Laserstrahl schmilzt den Draht auf und trägt eine Schicht des Metalls auf. Im Wechsel dazu kommt die Fräse zum Einsatz, die wiederum einiges davon herunterfräst, um Fehler der Schweißschicht zu entfernen. Dadurch wird für die darauffolgende Metallschicht eine möglichst ebenmäßige Grundlage erzeugt. Der Aufschmelzprozess durch den Laser erfolgt dabei in einer Schutzgasatmosphäre. CMB eignet sich durch dieses sich selbst korrigierende Arbeiten nicht nur zur Herstellung, sondern auch zur Reparatur von Bauteilen.
Dreidimensionaler Druck
Zum Schluss kommen wir zum dreidimensionalen Druck, dem wohl bekanntesten aller generativen Fertigungsverfahren. Der Werkstoff für diesen Prozess ist meistens ein Cellulosepulver, das als hauchdünne Schicht durch eine Rolle aufgetragen wird. Danach wird ein Binder aufgetragen, der die Pulverschichten miteinander verbindet. Der Druckkopf bewegt sich während des Druckens entlang der x- und y-Achse, während die Bauteilplattform mit zunehmenden Schichten nach unten in Richtung der z-Achse wandert. Da das fertige Produkt meist sehr empfindlich ist, wird es im Anschluss noch mit einem sogenannten Infiltrat behandelt. Das führt dazu, dass das Werkstück seine mechanischen Eigenschaften und eine eher raue Oberfläche erhält.
Mit Hobbydruckern lassen sich kleine bis mittelgroße Werkstücke anfertigen. In der Industrie werden mit dieser Technik meist Modelle von Bauteilen schnell und kostengünstig hergestellt. Mittlerweile kann man neben Kunststoffen, auch mit Metallen und Keramiken arbeiten. Falls du also Spaß am Programmieren hast und dir einen 3D-Drucker zulegst, dann kannst du kleinere Ersatzteile für den Privatgebrauch zuhause herstellen.
Trotz der abschreckenden Wörter, waren diese Verfahren doch eigentlich gar nicht so abwegig oder? Jetzt bist Du auch in Sachen Additiver Fertigung bestens informiert!