Additive Fertigung verstehen: Technologie und Anwendungsfälle

Die additive Fertigung (AM), auch bekannt als 3D-Druck, verändert die Art und Weise, wie Produkte hergestellt werden. Anstatt das Material wie bei herkömmlichen Verfahren zu schneiden oder zu formen, werden bei der additiven Fertigung Objekte anhand digitaler 3D-Modelle Schicht für Schicht aufgebaut. 

Von der Luft- und Raumfahrt über das Gesundheitswesen bis hin zur Automobil- und Konsumgüterindustrie helfen 3D-Druck und additive Fertigung den Herstellern, die Art und Weise, wie sie Produkte entwerfen, herstellen und liefern, zu überdenken. In diesem Artikel werfen wir einen genaueren Blick auf die additive Fertigung, ihre realen Anwendungen und die wachsende Rolle der Computer Vision bei der Förderung der additiven Fertigung. Fangen wir an!

Was ist additive Fertigung?

Die additive Fertigung ist ein digitales Herstellungsverfahren, bei dem physische Objekte durch schichtweises Auftragen von Material nach den Anweisungen eines 3D-Modells hergestellt werden. Ausgehend von einer CAD-Datei (Computer Aided Design) wird das Modell in dünne Querschnitte zerlegt. Anhand dieser Schnitte oder Schichten trägt eine Maschine, z. B. ein 3D-Drucker, Materialien wie Kunststoff, Harz oder Metall auf, bis das Objekt fertig ist.

Mit additiven Fertigungstechnologien ist es einfacher, komplexe Geometrien, leichte Strukturen und kundenspezifische Teile ohne Spezialwerkzeuge zu erstellen. Außerdem unterstützt sie das Rapid Prototyping, so dass Teams ihre Entwürfe schneller testen und verfeinern können, und ermöglicht eine Produktion auf Abruf.

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Additive vs. subtraktive Fertigung

Bevor wir darauf eingehen, warum der additive 3D-Druck einen Unterschied macht, sollten wir ihn kurz mit der traditionellen subtraktiven Fertigung vergleichen. 

Bei der subtraktiven Fertigung werden Teile durch Abtragen von Material aus einem massiven Block mit Werkzeugen wie Bohrern, Dreh- oder Fräsmaschinen hergestellt. Diese Methode wird häufig in Branchen angewandt, die hohe Präzision und große Produktionsmengen erfordern.

Die additive Fertigung verfolgt den umgekehrten Ansatz. Sie baut Teile Schicht für Schicht aus einem digitalen Entwurf auf und fügt nur dort Material hinzu, wo es benötigt wird. Das macht das Verfahren effizienter, reduziert den Abfall und ermöglicht komplexe und individuelle Designs, die mit herkömmlichen Methoden nur schwer zu realisieren sind.

Warum AM die Fertigung verändert

Einer der Hauptgründe für die rasche Akzeptanz der additiven Fertigung ist ihre Fähigkeit, die Produktentwicklung zu beschleunigen und den Ausschuss zu verringern. Durch die Herstellung von Teilen direkt aus digitalen Entwürfen können die Hersteller schnell vom Konzept zum Prototyp übergehen.

Außerdem ist AM effizient im Umgang mit Materialien und reduziert den Abfall um bis zu 90 % im Vergleich zu herkömmlichen Herstellungsverfahren. Darüber hinaus ermöglicht es die Massenanpassung und erleichtert die Herstellung von Einzelstücken oder Unikaten ohne die Kosten oder Verzögerungen von Umrüstungen.

Diese Vorteile führen zu einer Verlagerung der Art und Weise, wie und wo Produkte hergestellt werden. Das additive Fertigungsverfahren ermöglicht die Lokalisierung der Produktion und verringert die Abhängigkeit von zentralen Fabriken und langen Lieferketten. Dies ist vor allem in Branchen wie der Luft- und Raumfahrt, der Medizintechnik und der Automobilindustrie von Bedeutung, in denen schnelle Lieferzeiten, Präzision und Anpassungsfähigkeit entscheidend sind.

Wichtige additive Fertigungsverfahren

Additive Fertigung umfasst mehr als ein Verfahren. Es ist ein allgemeiner Begriff für eine Gruppe von Technologien im Zusammenhang mit dem 3D-Druck. Jede spezifische Art verwendet unterschiedliche Materialien und Methoden.

Hier sind einige gängige Beispiele für verschiedene additive Fertigungstechnologien:

• Fused Deposition Modeling (FDM): FDM ist eine der gängigsten additiven 3d-Druckmethoden. Es funktioniert durch Erhitzen von Kunststoff-Filament und dessen schichtweises Auftragen, um ein Teil zu formen. Es ist erschwinglich und einfach in der Anwendung und daher ideal für schnelle Prototypen, obwohl es nicht die beste Wahl für detailreiche oder hochfeste Anwendungen ist.
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• Selektives Laser-Sintern (SLS): SLS verwendet einen Laser, um pulverförmige Materialien, in der Regel Nylon, zu festen Teilen zu verschmelzen. Es eignet sich hervorragend für die Herstellung starker, funktionaler Komponenten mit komplexen Formen und erfordert keine Stützstrukturen. Die Oberfläche kann etwas rau sein, daher ist oft eine Nachbearbeitung erforderlich.
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• Stereolithografie (SLA): SLA nutzt einen ultravioletten (UV) Laser, um Schichten aus flüssigem Harz zu hochdetaillierten Teilen zu härten. Das Verfahren ist bekannt für seine Genauigkeit und glatte Oberflächen, weshalb es in der Medizin-, Dental- und Designbranche beliebt ist. Allerdings sind die Materialien oft spröde und eignen sich besser für Ausstellungsstücke oder Gegenstände, die nur leicht benutzt werden.
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• Binder-Jetting: Beim Binder Jetting wird eine Bindemittelflüssigkeit Schicht für Schicht auf ein Pulverbett gesprüht, um ein Teil zu formen. Es ist ein schnelles und skalierbares Verfahren, das häufig für die Herstellung von Gussformen oder dekorativen Objekten verwendet wird.
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• Materialstrahlverfahren: Bei diesem Verfahren werden Tröpfchen aus flüssigem Material auf eine Oberfläche gespritzt und mit UV-Licht gehärtet. Dabei entstehen hochdetaillierte, vollfarbige Teile mit glatten Oberflächen, aber die Materialien sind nicht stark genug für den funktionalen Einsatz. Es eignet sich am besten für Ausstellungsmodelle oder medizinische Anleitungen.
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• Gerichtete Energieabscheidung (DED): Bei der gezielten Energieabscheidung wird Metalldraht oder -pulver einer fokussierten Energiequelle (z. B. einem Laser) zugeführt, die das Material beim Aufbringen schmilzt. Es wird häufig zur Reparatur oder zum Hinzufügen von Merkmalen zu großen Metallteilen verwendet, insbesondere in der Luft- und Raumfahrt und der Schwerindustrie. Es ist weniger präzise als andere Metalldruckverfahren, eignet sich aber hervorragend für großflächige Arbeiten.

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Hochwirksame Anwendungsfälle von AM nach Branchen

Nachdem wir nun ein besseres Verständnis für die Funktionsweise der additiven Fertigung haben, wollen wir nun einige Beispiele dafür untersuchen, wie sie in verschiedenen Branchen zur Förderung von Innovation und Effizienz eingesetzt wird. 

In der Luft- und Raumfahrtindustrie beispielsweise werden additive Fertigungsverfahren zur Herstellung leichter Strukturkomponenten eingesetzt, die den Treibstoffverbrauch senken und gleichzeitig stabil und sicher sind. Auch im Gesundheitswesen ermöglicht die additive Fertigung die Herstellung von maßgeschneiderten Implantaten, Prothesen und chirurgischen Führungen, die auf den einzelnen Patienten zugeschnitten sind und sowohl die Ergebnisse als auch den Komfort verbessern. 

Ein weiterer Bereich, der durch den 3D-Druck aufgewertet wird, ist die Automobilindustrie, wo die Hersteller additive Fertigungstechnologien für das Rapid Prototyping, Funktionstests und die Kleinserienproduktion von Werkzeugen und Ersatzteilen einsetzen. In der Konsumgüterindustrie nutzen verschiedene Marken den additiven 3D-Druck, um personalisierte Produkte und Artikel in limitierter Auflage anzubieten, ohne dass dafür herkömmliche Formen benötigt werden.

Bisher haben wir nur kleinere Beispiele besprochen, aber die additive Fertigung macht auch vor großen Anwendungen wie Bauwesen und Architektur nicht halt. In diesem Bereich werden industrielle additive Fertigungsmaschinen eingesetzt, um strukturelle Komponenten und sogar ganze Häuser Schicht für Schicht aus Materialien wie Beton herzustellen. Diese Verfahren können die Bauzeit erheblich verkürzen, den Materialabfall reduzieren und die Arbeitskosten senken. 

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Innovation und Zukunftstrends der additiven Fertigung

Mit der Weiterentwicklung der additiven Fertigungstechnologien verschieben neue Trends die Grenzen des Machbaren. 

Ein interessantes Beispiel ist der Einsatz von KI-gestütztem generativem Design, das optimierte Teilegeometrien erzeugt. Auch hybride Fertigungsverfahren, die additive und traditionelle Methoden kombinieren, gewinnen an Zugkraft, da sie die Präzision der maschinellen Bearbeitung mit der kreativen Freiheit des 3D-Drucks vereinen. Ein weiterer Schwerpunkt ist die Nachhaltigkeit, wobei neue Materialien und Verfahren darauf abzielen, den Energieverbrauch zu senken und den Abfall zu minimieren. 

Zugleich wird die additive Fertigung immer intelligenter. Durch die Integration von additiven Fertigungstechnologien mit digitalen Zwillingen, dem Internet der Dinge (IoT) und intelligenten Fabriken werden diese immer vernetzter und intelligenter. Tatsächlich gilt die additive Fertigung als wichtiger Wegbereiter für die Industrie 4.0, da sie anpassungsfähigere, datengesteuerte und effiziente Fertigungssysteme unterstützt.

Vorteile der additiven Fertigung

Hier ein kurzer Überblick über die wichtigsten Vorteile des additiven 3d-Drucks in verschiedenen Branchen:

• Weniger Abfall und Energieverbrauch: Da bei der additiven Fertigung nur dort Material hinzugefügt wird, wo es benötigt wird, fällt deutlich weniger Ausschuss an und es wird oft weniger Energie verbraucht als bei herkömmlichen Verfahren.
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• Leichtbaupotenzial: Der 3D-Druck ermöglicht komplexe, interne Strukturen, die das Gewicht der Teile reduzieren, ohne dass die Festigkeit darunter leidet.
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• Konsolidierung von Teilen: Komplexe Baugruppen können als ein einziges Teil gedruckt werden, wodurch der Bedarf an mehreren Komponenten, Befestigungselementen und Montagezeit reduziert wird.

Herausforderungen in der additiven Fertigung

Der 3D-Druck bietet zwar viele Vorteile, aber es gibt auch ein paar Einschränkungen zu beachten. Hier sind einige der wichtigsten Herausforderungen der additiven Fertigung:

• Begrenzte Materialverfügbarkeit: Nicht alle Materialien funktionieren mit jedem 3D-Druckverfahren, was bestimmte Anwendungen einschränken kann.
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• Abwägung zwischen Geschwindigkeit und Umfang: Der 3D-Druck eignet sich hervorragend für Prototypen und Kleinserien, kann aber für die Massenproduktion langsam und kostspielig sein.
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• Nachbearbeitungsanforderungen: Viele Teile erfordern zusätzliche Schritte wie Reinigung, Aushärtung oder Endbearbeitung, die Zeit, Arbeit und Kosten verursachen.

Verbesserung der additiven Fertigung mit Computer Vision

Spitzentechnologien wie Computer Vision, ein Zweig der KI, der es Maschinen ermöglicht, Bilder zu verstehen und zu analysieren, helfen dabei, einige der Herausforderungen des 3D-Drucks zu lösen. KI ermöglicht es Herstellern, Drucke in Echtzeit zu überwachen, Fehler frühzeitig zu erkennen und die Gesamtgenauigkeit zu verbessern. 

In Kombination mit KI in der Fertigung unterstützt die Computer Vision auch die vorausschauende Wartung und Prozessautomatisierung. So kann beispielsweise ein Druckauftrag automatisch angehalten werden, wenn ein Defekt oder eine Materialinkonsistenz erkannt wird. Dadurch wird der Ausschuss reduziert und Fehlproduktionen werden vermieden.

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Die wichtigsten Erkenntnisse

Industrien auf der ganzen Welt setzen auf additive Fertigungstechnologien, um komplexe Teile schneller, mit weniger Abfall und größerer Designfreiheit herzustellen. Im Vergleich zur konventionellen Fertigung bieten diese additiven Fertigungsverfahren intelligentere, nachhaltigere Lösungen. Da immer mehr Hersteller die Möglichkeiten des 3D-Drucks und der additiven Fertigung erkunden, wird die Zukunft der Produktion flexibler, effizienter und innovativer.

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