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Welche Unterschiede gibt es bei den verschiedenen Fertigungsverfahren?

 

In diesem Blogpost stellen wir die verschiedenen Fertigungsverfahren und deren Unterschiede vor. Wir beginnen mit den drei Fertigungskategorien, gehen danach auf drei Prozesse der additiven Fertigung ein und stellen Ihnen am Ende die daraus am häufigsten genannten Verfahren und deren Verwendung vor.  

1. Die additive und die subtraktive Fertigung sowie das Gussverfahren

Die Fertigung wird hauptsächlich in drei Kategorien aufgeteilt: die additive und die subtraktive Fertigung, sowie Gussverfahren. 

Wie unterscheiden Sie diese? 

Wir beginnen mit den additiven und subtraktiven Verfahren. Bereits der Name lässt erahnen, was sich dahinter verbirgt. Bei der additiven Fertigung wird Material während des Prozesses aufgetragen, während bei subtraktiven Verfahren Material zur Erstellung des Bauteils von einem anfänglichen Objekt abgetragen wird.

Bei der additiven Fertigung entsteht das Werkstück, indem das Material Schicht für Schicht aufgetragen wird (Schichtbauprinzip). Das Fertigungsteil wird direkt aus 3D-CAD-Daten erstellt und es sind keine Bearbeitungswerkzeuge nötig. Dadurch lassen sich sehr komplexe Strukturen realisieren und es gibt kaum Designbeschränkungen. Sehr individuelle Prototypen und Kleinserien können auf diese Weise zu geringen Stückkosten und in angemessener Zeit gefertigt werden. Aufgrund der schnellen Realisierbarkeit mit dem additiven Verfahren wird die Fertigung von Prototypen häufig als „Rapid Prototyping“, die Fertigung von Werkzeugen als „Rapid Tooling“ und die Fertigung von Endprodukten als „Rapid Manufacturing“ bezeichnet. Beispiele hierfür sind das Laserschmelzen und das Lasersintern, wo entweder durch das Schmelzen oder durch das Sintern einzelne Schichten miteinander verbunden werden.

Bei der subtraktiven Fertigung wird das Werkstück durch das Abtragen von Material gefertigt, die Fertigung wird aufgrund der abgetragenen Späne auch „Zerspanen“ genannt. Es wird also aus einem größeren Materialblock durch beispielsweise Fräsen, Bohren oder Drehen ein kleineres Werkstück erstellt. Ein großer Vorteil der subtraktiven Fertigung ist die hohe Genauigkeit, besonders bei der Arbeit mit geringen Toleranzen. Außerdem ist das Zerspanen bei großer Stückzahl sehr schnell. Unter die subtraktive Fertigung fallen alle  CNC- (Computer-Numerical-Control) Verfahren. 

Gussverfahren stellen hier die Ausnahme dar: Denn bei Injection Molding oder Stahlguss wird immer eine anfängliche Form benötigt, in die geschmolzenes Material gegossen oder gespritzt wird. Nach dem Erkalten und Entfernen der Gussform erhält man das fertige Bauteil. Bei Gussverfahren ist zu beachten, dass sie erst ab einer gewissen Mindeststückzahl wirtschaftlich sind, da die Formen für das Gießen speziell angefertigt werden müssen. Jedoch bietet der Guss auch vielerlei Vorteile: Die Bauteile sind endkonturnah und benötigen kaum Nachbearbeitung. Außerdem gibt es eine enorme Werkstoffvielfalt, da praktisch jeder technisch bedeutenden Werkstoff gießbar ist: Blei, Zinn, Kupfer, Gold, Aluminium, Magnesium, Eisen und Stahl – aber nicht alle Werkstoffe sind umformbar.

Alle drei genannten Fertigungskategorien bieten also Vor- und Nachteile, die vom speziellen Anwendungsbereich des Bauteils abhängig sind.

2. Die drei Prozesse der additiven Fertigung 

Bei der additiven Fertigung bestehen bei den verschiedenen Prozessen enorme Unterschiede, auf die es sich lohnt, an dieser Stelle kurz einzugehen. Auch hier unterscheiden wir drei Oberkategorien: das Pulverbettverfahren, das Freiraumverfahren sowie das Flüssigmaterialverfahren. 

Unter das Pulverbettverfahren fallen 

  • Selektives Laserschmelzen, SLM
  • Selektives Lasersintern, SLS
  • Selective Heat Sintering, SHS
  • Binder Jetting (Verfestigen von Pulvermaterial mittels Binder)
  • Elektronenstrahlschmelzen (Electron Beam Melting = EBM)

Das Freiraumverfahren umfasst

  • Fused Deposition Modeling (FDM oder auch Fused Filament Fabrication (FFF))
  • Auftragschweißen bzw. Cladding
  • Wax Deposition Modeling (WDM)
  • Contour Crafting
  • Metall-Pulver-Auftragsverfahren (MPA)
  • Kaltgasspritzen
  • Elektronenstrahlschmelzen (Electron Beam Welding = EBW)

und das Flüssigmaterialverfahren überschreibt

  • Stereolithografie (SLA) + Mikro-SLA
  • Verfahren, welche Digital Light Processing (DLP) zur Belichtung nutzen
  • Liquid Composite Moulding (LCM)

Wirklich relevant für den großflächigen Gebrauch sind vor allem die SLM-, SLS-, FDM- und SLA-Verfahren. 

Unterschiede von SLM-, SLS-, FDM- und SLA

Beim selektiven Laserschmelzen (SLM) wird das zu bearbeitende Material in Pulverform in einer dünnen Schicht auf einer Grundplatte aufgebracht. Das pulverförmige Material wird mittels Laserstrahlung geschmolzen und bildet nach der Erstarrung eine feste Materialschicht. Anschließend wird die Grundplatte um eine Schichtdicke abgesenkt und es wird erneut das pulverisierte Material aufgetragen. Dieser Zyklus wird wiederholt, bis alle Schichten zum fertigen Bauteil geschmolzen sind. Das fertige Bauteil wird dann von überschüssigem Pulver gereinigt und nach Bedarf aufbereitet oder sofort verwendet.

Das selektive Lasersintern (SLS) funktioniert ähnlich wie das SLM-Verfahren. Ein Material wird in Pulverform auf eine Plattform aufgetragen und mittels eines Lasers geschmolzen. Die Plattform wird abgesenkt und der Prozess wiederholt, bis das fertige Bauteil gefertigt wurde. Einziger Unterschied zwischen den Verfahren sind die verwendeten Materialien: Während SLS mit Plastiken und Bindemitteln agiert, arbeitet man beim  SLM-Verfahren mit Metallpulvern.

Beim Fused Deposition Modeling (FDM) wird ein Kunststofffaden von einer Spule abgewickelt und einer Extrusionsdüse zugeführt, die die Materialzufuhr an- und abschalten kann. Der Extruder wird erhitzt, um das Material zu schmelzen. Die Thermoplaste werden weit über ihre Glasübergangstemperatur hinaus erhitzt und dann durch den Extrusionskopf abgeschieden. Die Düse kann sowohl in horizontaler als auch in vertikaler Richtung durch einen numerisch gesteuerten Mechanismus bewegt werden. Der Extruder folgt einem Werkzeugweg, der durch ein Softwarepaket gesteuert wird und das Bauteil wird von unten nach oben, Schicht für Schicht, aufgebaut.

Bei der Stereolithografie (SLA) wird ein UV-Laser verwendet, um eine vorprogrammierte Gestaltung oder Form auf die Oberfläche des Fotopolymer-Behälters zu zeichnen. Photopolymere sind empfindlich gegenüber ultraviolettem Licht, sodass das Harz photochemisch erstarrt und eine einzige Schicht des gewünschten 3D-Objekts bildet. Dann senkt die Bauplattform eine Schicht und eine Schaufel überzieht die Oberseite des Tanks mit Harz. Dieser Prozess wird für jede Schicht des Designs wiederholt, bis das 3D-Objekt vollständig ist. Fertige Teile müssen mit einem Lösungsmittel gewaschen werden, um nasses Harz von ihren Oberflächen zu entfernen.

Wie die Unterschiede sowie Vor- und Nachteile der beschriebenen Verfahren zeigen, lohnt es sich also vor der Wahl des Verfahrens und des Materials festzulegen, welche Eigenschaften das fertige Bauteil aufweisen soll. Basierend darauf ergibt sich danach der geeignete Prozess samt Material.

Eine Übersicht aller von uns verwendeter Fertigungsverfahren und Materialien finden Sie unter unseren Verfahren und Materialien.

2020-08-21T09:21:33+00:00Februar 8th, 2018|Fertigungsverfahren, On-Demand Manufacturing, Werkstoffe|