Additive Manufacturing

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Additive Manufacturing

Additive Verfahren zur Herstellung von Dingen aus dem „Nichts“ werden seit den 1980-ern zunehmend industriell weiter entwickelt. Als grundsätzlicher Vorteil gilt der Verzicht von Modellen und Formen im Herstellungsprozess von Produkten. So können z.B. Prototypen in Form und Design schnell beim Kunden vorgestellt, sowie gewünschte Änderungen am Muster zuverlässig erkannt werden. Eine erste Einordnung dieser direkten Herstellungsweise auf Vorserienstufen, Werkzeugherstellung und auf das Produkt selbst führte im internationalen Sprachgebrauch nachstehenden Begriffen:

  • Rapid Prototyping
  • Rapid Tooling
  • Rapid Manufacturing

Direkter Prozess

Der Direkt-Prozess verwendet numerische Steuerung und setzt Digitalisierung der Objektdaten voraus. Softwarelösungen wie z.B. CAD, CAE und CAM liefern Strukturdaten für die häufig verwendete STL-Datei (triangulierte Oberflächendefinition). Es liegt also zunächst ein virtueller Objektaufbau vor, der dann schichtweise an die Steuerung übergeben wird. Die beabsichtigte stoffliche Eigenschaft des Endprodukts muss über die Wahl einer passenden Herstellungsmethode berücksichtigt werden. Je nach Eingangsmaterial und Aggregatzustand sind Herstellungsmethoden entwickelt für Sintern, Schmelzen, Kleben, Laminieren, Fotopolymerisation und Spritzen. Der Materialvorrat wird als Pulver, Granulat, Folie, Draht oder Flüssigkeit verfahrensabhängig auf der Maschine eingesetzt.

Verfahrensübersicht

Fused Layer Modeling (FLM)

Thermischer 3D-Druck: Heißes Material wird über Düsen gezielt aufgebracht und härtet aus. Bekannt unter Fused Layer Modeling (FLM) oder Fused Deposit Modeling (FDM)

Stereolithographie (STL)

Stereolithografie/ Digital Light Processing: Schichtweises Aushärten einer Struktur im Flüssigkeitsbad durch UV-Strahlung

Selective Laser Melting (SLM) /Sintering (SLS)

Selektives Sintern bzw. Schmelzen: Pulverschichten werden selektiv durch Energieeintrag (meist Laser) verschmolzen. Nach Aufbau des Bauteils wird loses Material entfernt.

3D-Printing (3DP)

3D-Druck: Bindemittel wird selektiv auf eine Pulverschicht aufgebracht, ungebundenes Material danach entfernt.

Laminated Object Modeling (LOM)

Laminierverfahren: Übereinanderkleben von Bögen der gewünschten Kontur

Polyjet (PJ)

Polyjet: Kunststoffmaterial wird tröpfchenweise aufgebracht und ausgehärtet

Anwendungen in der Metallbearbeitung

Im Werkzeugmaschinenbau werden Kombinationen aus den Schichtbauverfahren des Additive Manufacturing und den spanenden Fertigungsverfahren für die Industrie angeboten.

Metall-Pulver-Auftragsverfahren (MPA)

Das MPA-Verfahren dient dazu, Bauteile zu fertigen, die zerspanend nicht oder nur teilweise herzustellen sind. Metallpulver wird mit einem thermischen Spritzverfahren aufgebracht und erlaubt die Herstellung großvolumiger Bauteile mit nahezu beliebiger Innengeometrie. Für den Materialauftrag werden Pulverpartikel über ein Trägergas auf sehr hohe Geschwindigkeiten beschleunigt und über eine Düse auf das Bauteil aufgebracht. Da diese Auftragseinheit in ein 5-Achs-Bearbeitungszentrum integriert ist, wird zerspanende Fertigung mit einem generativen Fertigungsverfahren kombiniert. Der Materialauftrag erfolgt schichtweise immer so weit, wie die jeweiligen Bauteilkonturen zur Fräsbearbeitung zugänglich sind. Nach der Bearbeitung der Konturen folgt dann wieder ein Wechsel ins Additive. Auf diese Weise wird ein massiver Volumenkörper aus zwei oder mehr Materialien aufgebaut (HERMLE).

Laser-Auftragsschweißen integriert

Das Laserauftragsschweissen kommt in einer 5-Achs-Fräsmaschine zum Einsatz. Das Verfahren ist laut Hersteller 20-fach schneller als herkömmliche Pulverbettverfahren (SLM). Zwischen dem spanabhebenden und dem additiven Fertigungsverfahren ist ein flexibler Wechsel möglich. Dieses Verfahren bietet sich Insbesonders für große Bauteile an, welche bis dato einen sehr hohen Zerspanungsanteil haben, da sie sich mit dieser Technologie kostengünstig herstellen lassen (DMG MORI SEIKI).

Reparatur und Verschleißschutzschichten

Konventionelles Drehen/Fräsen ist mit additivem Materialauftrag mittels Laserschweißen auf engem Raum kombiniert. Auf dieser Werkzeugmaschine lassen sich durch den Auftrag widerstandsfähiger Werkstoffe als Verschleißschutzschichten beispielsweise verschlissene Turbinenschaufeln von Flugzeugtriebwerken reparieren oder hochbelastete, verschleißgefährdete Zonen von Bauteilen wie Zahnrädern gezielt verstärken (HAMUEL).

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