Additive Fertigung
Technologie-Check
Definition und Wirk-/Funktionsprinzip
Die Additive Fertigung umfasst eine Reihe von Urformverfahren, die auf dem Konzept basieren, dass ein digitales Modell einer dreidimensionalen Form in Schichten geschnitten und anschließend Schicht für Schicht durch Hinzufügen von Material hergestellt werden kann. Das erste additive Fertigungsverfahren, die Stereolithografie (SLA), wurde 1984 von Charles W. Hull erfunden. Ursprünglich als Rapid-Prototyping-Verfahren gedacht, umfasst der heutige Markt für Additive Fertigung Rapid Prototyping/Rapid Tooling sowie Rapid Manufacturing von Einzelstücken bis hin zur Großserienfertigung (z. B. in der Automobilindustrie).
Stand heute wurden eine Vielzahl von Einzelverfahren entwickelt, die verschiedenste Prozesse nutzen und jeweils Vor- und Nachteile aufweisen. Alle diese Verfahren werden durch die Norm ISO/ASTM 52900:2017 in sieben Gruppen eingeteilt:
- badbasierte Photopolymerisation (Prozesse, bei denen flüssiges Photopolymer in einem Bad gezielt durch lichtaktivierte Polymerisation ausgehärtet wird)
- Freistrahl-Bindemittelauftrag (Prozesse, bei denen ein flüssiges Bindemittel gezielt auf Pulvermaterialien aufgebracht wird, damit diese sich verbinden)
- Freistrahl-Materialauftrag (Prozesse, bei denen Tropfen des Ausgangsmaterials gezielt aufgetragen werden)
- Materialextrusion (Prozesse, bei denen flüssige Werkstoffe gezielt durch eine Düse oder Öffnung aufgetragen werden)
- Pulverbettbasiertes Schmelzen (Prozesse, bei denen Wärmeenergie gezielt Bereiche eines Pulverbetts schmelzen)
- Schichtlaminierung (Prozesse, bei denen Materialfolien verbunden werden, um ein Bauteil zu formen)
- Materialauftrag mit gerichteter Energieeinbringung (Prozesse, bei denen fokussierte Energie verwendet wird, um Materialien während des Auftragens durch Schmelzen zu vereinigen)
Hinweis: Aufgrund der Vielfältigkeit der Verfahren lassen sich für die SWOT-Analyse nur wenige generelle Aussagen treffen. Die Verfahren sind im Einzelnen genauer zu betrachten, um spezifische Vor- und Nachteile gegenüberstellen zu können.
SWOT-Analyse
Stärken
- Ressourceneffizienz: In der Regel eine Reduzierung des Materialverbrauchs im Vergleich zu traditionellen Fertigungsverfahren
- Hoher Geometriefreiheitsgrad, Funktionsintegration und Designoptimierung: Neue Möglichkeiten für komplexe und optimierte Designs, Umsetzung von Ökodesign erlaubt die Optimierung des Material- und Energieeinsatzes
- Dezentrale Produktion: ermöglicht eine dezentrale Produktion > weniger Transportbedarf und reduzierter CO2-Ausstoß
- Flexibilität: Durch datengetriebene Herstellungsverfahren und geometrieunabhängige Ausgangsmaterialien können Bauteile nach Bedarf hergestellt werden
- Durch fehlende Werkzeuge geringe Kosten bei kleinen Stückzahlen
Schwächen
- Begrenzte Materialauswahl: Nicht alle Materialien für additive Fertigungsverfahren sind vorhanden/geeignet
- Höhere Kosten: Insbesondere höhere Investitionskosten
- Langsamere Produktionsgeschwindigkeit: Insbesondere bei einfachen und großformatigen Objekten
- Geringere Skaleneffekte
- Vielfach keine isotropen Eigenschaften – entlang der Schicht gegenüber quer zur Schicht
Chancen
- Klimaneutrale Produktion: CO2-Emissionen in der Produktion zu reduzieren
- Individualisierung und Lokalisierung: Kostenoptimierte Herstellung individueller Produkte und die dezentrale Produktion vor Ort
- Leichtbau und Materialeffizienz: Durch komplexe Designs und den Einsatz leichter Materialien können additiv gefertigte Produkte einen geringeren Energieverbrauch im Betrieb aufweisen
- Kreislaufwirtschaft: Unterstützt Wiederverwendung und Recycling von Materialien
- Häufig eine Reduktion von Produktionsabfällen möglich
- Reduktion von Lagerhaltung bei Ausgangsmaterialien (keine Halbzeuge) und Produkten
- Qualitätssicherung: Durch die schichtweise Fertigung kann eine optische Inspektion des Bauteilinneren während der Fertigung stattfinden
Risiken
- Begrenzte Skalierbarkeit: Noch nicht für die Massenproduktion geeignet
- Regulatorik: Je nach Branche ist eine Zertifizierung/Zulassung noch herausfordernd
- Initialer Widerstand und Akzeptanz: Wandel in der Denkweise, sowohl bei den Entwicklern, den Herstellern als auch bei den Verbrauchern
Praxistipp
Der Einsatz der additiven Fertigung ist sehr individuell. Bevor man startet, sollte man sich mit Experten austauschen. Dies ist über verschiedene Wege möglich - wie den Expertenatlas BW, über technologieunabhängige Beratung (z. B. 3D-Werk Black Forest GmbH) oder über den Besuch einer Fachmesse (z. B. FormNext in Frankfurt).
