Welche Unterschiede gibt es bei den verschiedenen Fertigungsverfahren?

Veröffentlicht von Tamara Tüchelmann am 08. Februar, 2018.

Welche Unterschiede gibt es bei den verschiedenen Fertigungsverfahren?

Anders als die bisherigen Blogposts befasst sich dieser Blogpost fast nur mit der Theorie der verschiedenen Fertigungsverfahren. Dabei ist es vor allem von Bedeutung die Unterschiede zwischen den verschiedenen Verfahren klar ersichtlich zu machen – wer kennt schon den Unterschied zwischen dem Selective Laser Meltering und dem Selective Laser Sintering.

So gibt es hauptsächlich drei Fertigungskategorien – die additive und die subtraktive Fertigung, sowie Gussverfahren. Doch wie unterscheiden sich diese Verfahren voneinander?

Zuerst einmal lassen wir das Gussverfahren außen vor und wir konzentrieren uns auf die additiven und subtraktiven Verfahren. Alleine vom Namen her kann man ahnen, 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 Schicht für Schicht Material aufgetragen wird (Schichtbauprinzip). Das Fertigungsteil wird direkt aus 3D-CAD-Daten erstellt. Es sind keine Bearbeitungswerkzeuge nötig. Dadurch lassen sich sehr komplexe Strukturen realisieren und es gibt kaum Designbeschränkungen. So können zu geringen Stückkosten und in angemessener Zeit sehr individuelle Prototypen und Kleinserien 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. Hierbei sind alle CNC (Computer-Numerical-Control) Verfahren zu nennen.

Gussverfahren stellen hier die Ausnahme dar. Denn bei allen Gussverfahren, egal ob Injection Molding oder Stahlguss, wird 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 unter einen gewissen Mindeststückzahl nicht wirtschaftlich sind, da für das Gießen die Formen speziell angefertigt werden müssen. Jedoch bietet der Guss auch vielerlei Vorteile. So sind die Bauteile 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.

So bieten alle Fertigungsverfahren Vor- und Nachteile, die vom speziellen Anwendungsbereich des Bauteils abhängig sind.

Vor allem aber bei der additiven Fertigung gibt es unter den verschiedenen Prozessen noch enorme Unterschiede. Hier gibt es hauptsächlich drei weitere Oberkategorien, die die Prozesse beschreiben. Darunter gehören die:

Pulverbettverfahren

  • Selektives Laserschmelzen, SLM

  • Selektives Lasersintern, SLS

  • Selective Heat Sintering, SHS

  • Binder Jetting (Verfestigen von Pulvermaterial mittels Binder)

  • Elektronenstrahlschmelzen (Electron Beam Melting = EBM)

Freiraumverfahren

  • 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)

Flüssigmaterialverfahren

  • Stereolithografie (SLA) + Mikro-SLA

  • Verfahren, welche Digital Light Processing (DLP) zur Belichtung nutzen

  • Liquid Composite Moulding (LCM)

Wirklich relevant für den großflächigen Gebrauch sind jedoch nur das SLM, SLS, FDM und SLA Verfahren. Weshalb wir hier noch kurz auf die genaueren Unterschiede eingehen.

Beim selektiven Laserschmelzen wird das zu bearbeitende Material in Pulverform in einer dünnen Schicht auf einer Grundplatte aufgebracht. Das pulverförmige Material wird lokal mittels Laserstrahlung lokal 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 funktionert vom theoretischen Konzept 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, ist SLM arbeitet das SLM Verfahren mit Metallpulvern.

Beim FDM Verfahren 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 Softwarepaket gesteuert wird und das Bauteil wird von unten nach oben, eine Schicht nach der anderen, aufgebaut.

Bei der Stereolithografie wird ein UV-Laser verwendet, um eine vorprogrammierte Gestaltung oder Form auf die Oberfläche des Fotopolymerbehälters zu zeichnen. Photopolymere sind empfindlich gegenüber ultraviolettem Licht, so dass 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.

Jedes der in diesem Artikel beschriebenen Fertigungsverfahren hat seine ganz spezifischen Vor- und Nachteile. So muss man vor der Produktion eines Bauteil sorgfältig überlegen, welche Eigenschaften das Bauteil aufweisen soll. Basierend auf diesen Eigenschaften gilt es dann den richtigen Prozess samt Material auszuwählen.

Tamara Tüchelmann
Tamara TüchelmannMarketing & Communications bei KREATIZE® GmbH.

By |2018-04-26T09:11:01+00:00Februar 8th, 2018|Fertigungsverfahren, On-Demand Manufacturing, Werkstoffe|