Additive Fertigungstechnik. Eigenschaften, Ablauf und Gegenüberstellung zur konventionellen Fertigung

Inhaltsverzeichnis

I. Abbildungsverzeichnis

II. Tabellenverzeichnis

III. Abkürzungsverzeichnis

IV. Inhaltsverzeichnis

1. Einleitung
1.1 Relevanz

2. Definition “Additive Fertigung”
2.1 Grundprinzip und Definition von additiver Fertigung
2.2 Abgrenzung zu konventionellen Fertigungstechniken

3. Ausprägungsarten
3.1 Systematik additiver Fertigungsverfahren
3.2 Verwendbare Werkstoffe
3.3 Genauigkeit der Verfahren

4. Herstellprozess eines generativ hergestellten Werkstücks

5. Vor- und Nachteile additiv gefertigter Werkstücke
5.1 Konstruktion und Herstellung
5.2 Anwendung und Nutzung

6. Anwendungsbereiche

7. Bewertung der Lebensdauer gegenüber konventionell gefertigter Werkstücke

8. Zusammenfassung

9. Ausblick und Abschlussbetrachtung

10. Anhang

V. Literaturverzeichnis

I. Abbildungsverzeichnis

Abb. 1: Systematik der additiven Fertigungsverfahren, (Eigene Darstellung, in Anlehnung an Sulzer AG)

Abb. 2: Systematik der additiven Verfahrensarten, gruppiert nach Grundprinzip

Abb. 3: Übersicht über ISO-Toleranzklassen verschiedener Fertigungstechnologien (Lieneke et al. 2016)

Abb. 4: Darstellung des "surface stair effect", (Umaras und Tsuzuki 2017)

Abb. 5: Übersicht über Schichtdicken (oben) und laterale Auflösung (unten)

Abb. 6: Generischer Prozess zur Erzeugung eines AM-Werkstücks, in Anlehnung an Gibson et al. 2015

Abb. 7: Bereiche der additiven Fertigung (eigene Darstellung, angelehnt an Gebhardt 2012)

Abb. 8: Unterschiedliche Wöhlerkurven von Ti-6Al-4V-Werkstoffen mit herstellungsbedingt unterschiedlichen Oberflächenrauheiten (Richard et al. 2017, S. 262)

Abb. 9: Schwingversuch eines Bauteils aus Aluminium, (Richard et al. 2017, S. 16)

Abb. 10: Spannungs-Dehnungs-Kurven für Ti-6Al-4V, aus (Richard et al. 2017, S. 245)

Abb. 11: Vergleich von Risswachstumseigenschaften von SLM- und konventionell gefertigten Inconel 718, aus (Richard et al. 2017, S. 256)

II. Tabellenverzeichnis

Tabelle 1: Schichtdicken verschiedener Verfahren nach Moritz

Tabelle 2: Mögliche Anwendungsbereiche von Rapid Manufacturing

Tabelle 3: AM-Verfahren

III. Abkürzungsverzeichnis

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

1. Einleitung

Dieses Assignment entstand im Rahmen des Moduls „Interdisziplinäre Kompetenz“ und befasst sich mit konventioneller und additiver Fertigungstechnik. Hierbei wird das additive Verfahren beschrieben und derzeit verfügbare Umsetzungen aufgezeigt. Ebenso werden die additiven Verfahren den konventionellen Verfahren gegenübergestellt und bewertet.

1.1 Relevanz

Die frühsten Patente auf additive Fertigungsverfahren entstanden bereits in den 80er Jahren des vergangenen Jahrhunderts(Gibson et al. 2015, S. 37). Zu dieser Zeit waren die Verfahren jedoch aufgrund der fehlenden informationstechnischen Kapazitäten noch sehr eingeschränkt. Als sich gegen Ende des Jahrhunderts die Informations- und auch die Lasertechnik deutlich weiterentwickelte, wurden die additiven Fertigungsverfahren ebenfalls stark weiterentwickelt und neue Verfahren erschaffen. Gleichzeitig kam es zu ersten Einsatzbereichen, insbesondere im Automobil- und Luftfahrtbereich. Heute, 30 Jahre später, ist additive Fertigung ein weit bekanntes jedoch nur selten genutztes Fertigungsverfahren. In der vorliegenden Arbeit werden daher die Systematik und Eigenschaften sowie der grundsätzliche Ablauf von additiver Fertigung aufgezeigt. Weiter wird auf die Unterschiede, also auf die Vor- und Nachteile, gegenüber konventioneller Fertigung eingegangen, (potenzielle) Anwendungsbereiche aufgezeigt und die Lebensdauer der Werkstücke betrachtet. Die Arbeit schließt mit einer Rekapitulation und einem Ausblick. Dadurch soll ein umfassender, ausreichend detaillierter Überblick über die additive Fertigung und deren Potenzial gegeben werden, wodurch sich der Autor, und andere, diese Technologie näherbringen und sie als mögliche Lösung für künftige fertigungstechnische Herausforderungen wahrnehmen soll.

2. Definition “Additive Fertigung”

Im folgenden Abschnitt wird eine allgemeine Definition des Begriffs der additiven Fertigung entwickelt und anschließend den konventionellen, subtraktiven Fertigungstechniken gegenübergestellt und abgegrenzt.

2.1 Grundprinzip und Definition von additiver Fertigung

Ausgehend von der Definition des Beuth-Verlags, angelehnt an die Normen VDI 3405 und DIN EN ISO/ASTM 52900, werden als additive Fertigungsverfahren, auch additive manufacturing (AM) genannt, Herstellungsprozesse bezeichnet, bei denen auf Grundlage von dreidimensionalen Modellen schichtweise Bauteile hergestellt werden. Weitere gebräuchliche Begriffe sind generative Fertigung, Schichtbauweise oder auch Schichtbauprinzip (vgl. Beuth Verlag GmbH). Insbesondere die beiden letzten Begriffe betonen die Herstellung eines Bauteils durch schichtweises Materialauftragen.

An dieser Stelle soll auch betont werden, dass der umgangssprachliche 3D-Druck nur für eine Art der additiven Fertigung steht.

Bei den generativen Fertigungstechniken wird abhängig vom Einsatzbereich des erzeugten Bauteils nochmals differenziert. So wird der Begriff additive manufacturing nur für die Herstellung von Serienprodukten verwendet(Fritz 2018, S. 116). Weitere Anwendungsbereiche sind nachFritz: Rapid Prototyping, Rapid Tooling und Rapid Manufacturing. Die Differenzierung zwischen Rapid Manufacturing und AM erfolgt lediglich über die Stückzahl bzw. Losgröße des hergestellten Bauteils. Eine konkrete Grenzstückzahl wird nicht genannt.

Die bereits genannten Definitionen decken sich mit den in der Literatur häufig genannten. Daher wird für die vorliegende Arbeit folgende Definition getroffen und genutzt; Additive manufacturing, kurz: AM oder auch additive Fertigung, bezeichnet die schichtweise, werkzeuglose Herstellung von Bauteilen in (Groß-)Serien. Die Erzeugung der Bauteile erfolgt doch Materialzugabe und basiert auf einem dreidimensionalen, digitalen Modell. Sämtliche Fertigungsverfahren von AM gehören zur Gruppe der Urformverfahren gemäß DIN 8580.

2.2 Abgrenzung zu konventionellen Fertigungstechniken

Die Abgrenzung von additiven Fertigungsverfahren zu konventionellen, subtraktiven Fertigungstechniken erfolgt hauptsächlich über die, oben bereits genannte, Eingruppierung der Fertigungsverfahren nach DIN 8580. So gehören konventionelle Fertigungsverfahren zur Herstellung von Bauteilen zumeist der Gruppe „Trennen“ an. Die Verfahren der Gruppe „Trennen“ zeichnen sich durch die Formgebung mittels Materialabtrag aus und beinhaltet daher immer eine örtliche Aufhebung des Materialzusammenhalts, bspw. Fräsen(vgl. DIN 8580). Als weitere Verfahrensgruppe für die konventionelle Formgebung von Bauteilen können die Verfahren der Gruppe „Umformen“ genannt werden. Bei den Verfahren der Gruppe „Umformen“ wird aus einem bestehenden Halbzeug über Formänderung das herzustellende Bauteil geformt (z. B. Tiefziehen). Während des Umformens wird weder Material hinzugefügt noch entfernt. Die meisten umgeformten Bauteile werden anschließend nochmals durch ein Verfahren der Gruppe „Trennen“ bearbeitet. Durch diesen nachgelagerten Schritt unterscheiden sich die umgeformten Bauteile von den Bauteilen, die mittels AM hergestellt wurden und je nach Einsatzgebiet ohne Nacharbeit nutzbar sind. Die Norm DIN EN ISO/ASTM 52900 grenzt die AM-Verfahren ebenfalls gegenüber den Umformverfahren ab.

Üblicherweise durchlaufen konventionell hergestellte Bauteile die drei Schritte Urformen, Umformen und Trennen. Die generativ hergestellten Bauteile hingegen entstehen bereits im Prozessschritt Urformen. Beide Bauteile können anschließend für die Prozesse Fügen und Beschichten eingesetzt werden. Die werkstoffabhängigen Einschränkungen für die Verfahrensgruppe „Materialeigenschaften ändern“ betrifft die Bauteile gleichermaßen.

3. Ausprägungsarten

Im folgenden Abschnitt werden die additiven Fertigungsverfahren systematisiert, die derzeit nutzbaren Werkstoffgruppen genannt und die Grenzen hinsichtlich der Genauigkeit beleuchtet.

3.1 Systematik additiver Fertigungsverfahren

Teilt man die AM-Verfahren gemäß der DIN EN ISO/ASTM52900 ein, können die einzelnen Verfahrensarten in die folgenden Gruppen eingeteilt werden:

- Freistrahl-Bindemittelauftrag
- Materialauftrag mit gerichteter Energieeinbringung
- Materialextrusion
- Freistrahl-Materialauftrag
- pulverbettbasiertes Schmelzen
- Schichtlaminierung
- badbasierte Fotopolymerisation

Diese Einteilung deckt sich weitestgehend mit der Einteilung nach VDI 3405. In der Literatur finden sich noch zusätzliche Verfahren wie fused deposition modelling (FDM), poly jet modelling (PJM), multi jet printing (MJP), etc. Eine umfangreiche Übersicht über die verfügbaren Technologien und deren Einteilung ist inAbb. 1dargestellt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb.1: Systematik der additiven Fertigungsverfahren,(Eigene Darstellung, in Anlehnung an Sulzer AG)

Eine Kurzerklärung der einzelnen Verfahren findet sich unterTabelle 3im Anhang.

Die einzelnen Verfahren und Verfahrensarten inAbb. 1können durch ihr Grundprinzip nochmals gruppiert werden. Hierzu wird zwischen der ersten und zweiten Ebene noch eine weitere Ebene eingefügt und die einzelnen Verfahrensarten zugeordnet.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb.2: Systematik der additiven Verfahrensarten, gruppiert nach Grundprinzip

Dementsprechend lassen sich die diversen Fertigungsverfahren auf lediglich drei Grundprinzipien zurückführen. Manche Autoren führen statt drei auch vier Kategorien, wobei die Schichtlaminierung als eine extra Klasse solide Schichten (engl. „solid sheets“) aufgeführt wird(Gibson et al. 2015, S. 30).

3.2 Verwendbare Werkstoffe

Die Palette der verwendbaren Werkstoffe für additive Fertigungsverfahren ist, ähnlich wie die Anzahl der verfügbaren Verfahren, in den letzten Jahren gewachsen. So wurden zunehmend Verfahren etabliert, die auch Werkstoffe aus Metallen herstellen können. Die derzeit gängigen, und in einem wirtschaftlichen Rahmen verfügbaren, Werkstoffe sind(vgl. Müller 2020):

- Papier,
- Polymere und thermoplastische Kunststoffe,
- Metalle wie Aluminium, Stähle und Titan,
- Keramik wie bioaktive Keramiken, Carbide, Oxide und Silikate.

Von diesen Werkstoffen ist Papier der mit Abstand am einfachsten und am günstigsten zu verarbeitende. Jedoch sind die Verwendungszwecke eines Werkstücks aus Papier stark begrenzt.

Polymere und thermoplastische Kunststoffe werden als Strangmaterial, bspw. von einer Rolle, für FDM und APF genutzt. Fotopolymere, d. h. durch Licht aushärtende Polymere, werden in der Stereolithografie eingesetzt. Ein weiterer Einsatzbereich ist Lasersintern (SLS), wo meist Polyamide und Metalle genutzt werden. Solche Polymerwerkstoffe, die für hoch entwickelte, anspruchsvolle additive Fertigungsverfahren geeignet sind, sind jedoch schwierig herzustellen, wodurch sich eine Werkstoffknappheit ergibt, die die Werkstoffkosten steigen lässt.

Als metallische Werkstoffe für generative Fertigungsverfahren kommen Edel- und Werkzeugstähle, Aluminium, Titan, Kobalt-Chrom und Nickel-Basis-Legierungen infrage.

Die Werkstoffgruppe der Keramiken weist durch die Untergruppe der bioaktiven Keramiken ein erhebliches Potenzial auf. So können Werkstücke aus Hydroxylapatit¹ im BJ-Verfahren hergestellt und dabei die Porosität des natürlichen Materials im menschlichen Körper nachgeahmt werden. Weitere Calciumphosphate sind ebenfalls mittels BJ-Verfahren verwendbar. Siliciumcarbide kommen dagegen beim SLS-Verfahren zum Einsatz, müssen jedoch anschließend, wie die Calciumphosphate, ebenfalls thermisch behandelt werden, um ihre endgültige Festigkeit zu erreichen.

Es wird derzeit auch an organischen Werkstoffen, bspw. zur Modellierung von Organen, geforscht.

3.3 Genauigkeit der Verfahren

In diesem Abschnitt wird die Genauigkeit der in Abschnitt3.1beschriebenen Verfahren dargestellt und mit den üblichen Genauigkeiten von konventionellen, subtraktiven Herstellverfahren vergleichen. Unter Genauigkeit wird hier insbesondere die Maßhaltigkeit aber auch die Oberflächenrauheit verstanden.

Im Gegensatz zu konventionellen Fertigungsverfahren können bei additiven Fertigungstechnologien keine typischen Toleranzen respektive Toleranzfelder angegeben werden. So forscht ein Team der Universität Paderborn seit einiger Zeit zwar daran möglichst konkrete Toleranzen anzugeben, jedoch sind diese, wie bei den verschiedenen konventionellen Technologien auch, von den verschiedenen Verfahren abhängig. Dennoch hat die Forschungsgruppe umLieneke et al.im Jahr 2016 eine Toleranztabelle erstellt, die die erreichbaren Toleranzklassen von FDM darstellt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb.3: Übersicht über ISO-Toleranzklassen verschiedener Fertigungstechnologien(Lieneke et al. 2016)

Die Toleranzklassen für FDM setzen sich hierbei auf den einzelnen Toleranzklassen der jeweiligen Achsenrichtungen zusammen. Diese Achsenrichtungen sind unmittelbar bestimmend für die erreichbare Toleranzklasse. Die Hochachse (Richtung in die das Bauteil angehoben oder abgesenkt wird) wird maßgeblich durch die Schichtdicke bestimmt. Die Schichtdicke ist hingegen wieder abhängig vom verwendeten Werkstoff und dem Verfahren. Um so feiner die Schichtdicke, desto geringer fällt der „surface stair effect“ (wörtlich: Oberflächentreppenstufeneffekt) aus. Bei großer Schichtstärke wird eine nicht senkrecht verlaufende Oberfläche eine Art Treppenstufenform erhalten, wie inAbb. 4dargestellt. Diese muss nach der Fertigung geglättet werden.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb.4: Darstellung des "surface stair effect",(Umaras und Tsuzuki 2017)

Tabelle1: Schichtdicken verschiedener Verfahren nachMoritz

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Wie inTabelle 1jedoch erkennbar ist, ist die laterale Auflösung meist höher als die Schichtdicke. Das bedeutet, dass die Verstelleinheit der Produktionsmaschine an ihre Grenzen stößt und dadurch zum limitierenden Element wird. Demnach ist neben dem Werkstoff und dem Verfahren auch die Maschine bestimmend für die Qualität, Formtreue und Oberflächengenauigkeit des Werkstücks. Das wiederum bedeutet, dass sich generelle, maschinenunabhängige Werte nur bedingt ermitteln lassen.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb.5: Übersicht über Schichtdicken (oben) und laterale Auflösung (unten)

Werden nun die konventionellen Fertigungsverfahren betrachtet, wird auch hierbei festgestellt, dass die Bearbeitungsgenauigkeit von der Maschine und (insbesondere bei trennenden Verfahren) vom Werkzeug abhängt. AusAbb. 3wird für die Toleranzklassen für Fräsen, Bohren, Schneiden und Drehen ersichtlich, dass lediglich Drehen einen besseren Toleranzgrad (gegenüber FDM) erreichen kann. Da FDM allerdings im Vergleich zu anderen AM-Verfahren eine höhere Schichtdicke und einen größeren Wert für die laterale Auflösung aufweist, ist anzunehmen, dass andere Verfahren ähnliche Toleranzgrade erreichen können wie die drehende Bearbeitung.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Bearbeitungs- bzw. Herstellgenauigkeit sowohl vom Werkzeug (Fräser, Bohrer, etc.) bzw. dem Verfahren (Laserdurchmesser, etc.) als auch insbesondere von der Genauigkeit der Maschine, hier der Positionierungsgenauigkeit des Werkzeugs bzw. des Werkstücks, abhängt. Diese Aussage wird durchGibson et al. 2015, S. 12, bestätigt.

Bei dieser Einschätzung wird jedoch zugrunde gelegt, dass die Maschinen für die additive Fertigung als prozessstabil anzunehmen sind. Dass dies nicht zwingend angenommen werden kann, hatMendrickymit seinen Untersuchungen an einer FDM-Maschine 2016 gezeigt. Während der Studie wichen die gefertigten Abmessungen deutlich von den angegebenen Toleranzwerten der Maschine ab. Er begründet diese Abweichungen in erster Linie durch die Herstellungsgeschwindigkeit und durch Schrumpfungs- und thermische Prozesse. Es ist daher anzunehmen, dass die Maschinenkennwerte nur unter idealen Voraussetzungen (Materialausbringungsrate, Geschwindigkeit, Geometrie, ausreichende Stützstruktur, etc.) auftreten.

4. Herstellprozess eines generativ hergestellten Werkstücks

Dieser Abschnitt des vorliegenden Assignments behandelt den Herstellprozess eines generativ hergestellten Werkstücks. Hierbei soll der vollständige Prozess, beginnend beim Computer-aided-Design (CAD) und endend beim realen Einsatz, abgebildet werden. Da sich die grundsätzlichen Abläufe und Prozessschritte bei der Konstruktion und Fertigung eines additiv gefertigten Werkstücks ähneln, wird hier der generische Ablauf beschrieben(vgl. Gibson et al. 2015, 4ff.; Niu et al. 2019)und beispielhaft anhand des SLS-Verfahrens(vgl. Schmid 2016)dargestellt.

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¹ Hauptbestandteil von Zahnschmelz, Zahnbein und ein großer Bestandteil von Knochen.