Fertigungsverfahren 3D-Druck – universell, disruptiv oder einfach nur Hype?

Der 3D-Druck ist ein universelles Fertigungsverfahren, welches sich durch seine hohe Flexibilität auszeichnet. Aufgrund der erreichbaren Genauigkeiten und eingeschränkten Verfahrensgeschwindigkeiten zeigt sich das disruptive Potenzial bei kleinen Losgrössen.

Fertigungsverfahren wie Drehen, Fräsen und Bohren gehören auch heute noch zu den etablierten Produktionsmethoden. Jedoch hat der industrielle 3D-Druck Auswirkungen auf diese als subtraktive Verfahren beschriebenen Fertigungsmöglichkeiten. Ebenso sind auch formative Fertigungsverfahren, wie z.B. Giessen, von diesen Auswirkungen insofern betroffen, dass bei entsprechend geringer Stückzahl oder vorhandener Komplexität des Bauteiles, die Vorteile des 3D-Druckes als Fertigungsverfahren überwiegen können.  

Was bedeutet es 3D zu drucken?

3D-Druck wird auch als additives Verfahren bezeichnet. Das zu fertigende Werkstück wird als digitales 3D-Modell in parallele Schichten zerlegt. Durch das aufeinanderfolgende Drucken dieser Materialschichten entsteht das physische Abbild des 3D-Modells. Im Wesentlichen lassen sich die Druckprozesse, also das Herstellen der Schichten, auf drei Technologien reduzieren: Verkleben, Schmelzen und als Synthesereaktion die Polymerisation.

Verkleben: Auf einer ebenen Pulverschicht wird punktuell über einen Druckkopf ein Bindermaterial aufgebracht, welches den Zusammenhalt des Pulvers bewirkt. Durch das Aushärten und wiederholte Aufbringen einer dünnen Pulverschicht, die erneut gebunden wird, entsteht so – Schicht für Schicht – das dreidimensionale Werkstück. Da das Werkstück im Pulverbett aufgebaut wird, kann dieses erst mit Abschluss des Druckprozesses begutachtet werden. Ein instabiler Prozess, möglicher Ausschuss, ist daher ohne zusätzliche Prozessüberwachung erst nach Abschluss des Druckprozesses erkennbar, sobald das nicht verarbeitete überschüssige Pulver entfernt wird. Das Entpulvern, d.h. das Herauslösen des Werkstücks aus dem mit Pulver gefülltem Arbeitsraum, ist derzeit ein noch häufig manuell auszuführender Arbeitsschritt. Erste Automatisierungslösungen sind aber bereits erhältlich.

Das umgebende Pulver dient während des Druckprozesses zur Abstützung des Werkstückes und vermeidet somit ungewollte Deformationen. Überhängende Strukturen können somit ohne zu konstruierende Stützstrukturen gefertigt werden, die andernfalls im Rahmen eines nachfolgenden Prozessschrittes wieder manuell entfernt werden müssten. Durch die abstützende Funktion des Pulvers kann der gesamte Bauraum des Druckers genutzt werden, d.h. Werkstücke auch übereinander platziert werden, ohne sich untereinander zu beeinflussen.

Die mögliche Fertigungsgenauigkeit des Bauteils ist von der Korngrösse des Pulvers abhängig. Durch das als Binder Jetting bezeichnete Verfahren können nahezu beliebige Werkstoffe für den Druck eingesetzt werden, sofern Sie im pulverförmigen Zustand vorliegen und sich durch einen Binder fügen lassen. Damit lassen sich über Kunststoffe und Metalle hinaus z.B. auch Keramik, Sand oder Glas drucken. Die Vielseitigkeit der möglichen Materialverwendung ist bei dieser Drucktechnologie am umfangreichsten. Durch gezielte Variation der Zusammensetzung der Bindermatrix lassen darüber hinaus z.B. beim Hartmetalldruck Biegebruchfestigkeit, -zähigkeit und Härte einstellen. Die Vergleichbarkeit zu Metall zerspanenden Verfahren wird aber erst möglich, wenn das Bauteil in diesem sogenannten Grünzustand, gesintert wird, d.h. wenn konkret durch hohe Wärmeeinwirkung die zusammenliegenden Pulverpartikel auf- und damit zusammenschmelzen, d.h. das Material seine volle Dichte erhält. Eine mögliche Alternative zur Festigkeitssteigerung bietet auch das Ansintern und Infiltrieren mit einem niedrigerschmelzenden Werkstoff.

Die erzeugbaren Werkstückoberflächen sind eher rau und z.T. durch einzeln anhaftende, nicht vollständig aufgeschmolzene Pulverkörner charakterisiert (vgl. Abb.1).

Schmelzen: Bei den additiven Fertigungsverfahren, die der Schmelztechnologie zuzuordnen sind, ist zu unterscheiden, ob das Druckmaterial in Pulver- oder Drahtform vorliegt. Bei pulverförmigen Ausgangsmaterial ähneln die als Lasersintern bezeichneten Druckverfahren dem Binder Jetting, mit dem Unterschied, dass kein Binder als fügende Komponente eingebracht wird, sondern ein Laser das Pulver punktuell aufschmilzt. Materialabhängig sind unterschiedliche Laserleistungen gefordert. Durch das Erkalten verfestigt sich das Material und eine neue Pulverschicht kann aufgebracht werden. Eine andere Möglichkeit ist das sogenannte Auftragsschweissen, bei dem das aufzuschmelzende Pulver unmittelbar über eine Düse zugeführt wird.

Wird hingegen die Drahtform als Ausgangsmaterial verwendet, auch Stangenmaterial ist grundsätzlich möglich, muss dieses unmittelbar an der Wirkstelle aufgeschmolzen werden. Hier ist der Vorteil, dass während der Fertigung das Werkstück in Augenschein genommen werden kann und somit bei Beobachten eines möglichen Fertigungsfehlers der Prozess abgebrochen werden kann. Materialabhängig sind unterschiedliche Wärmequellen erforderlich. Kunststoffe können über eine beheizte Düse geschmolzen werden. Der geschmolzene Kunststoff wird über eine Düse zugeführt. Dieses als Fused Filament Fabrication bezeichnete Verfahren ist das etablierte Verfahren für Heimanwender-Drucker, aber auch professionelle Geräte basieren auf dieser Technologie. Weniger verbreitet sind Drucker die Metalle vom Draht abschmelzen. Diese beruhen auf einem Metallschutzgasschweissprozess, bei dem der durch den Schweissbrenner zugeführte Draht abgeschmolzen wird, um schichtweise zu drucken.

Da Metalle deutlich höhere Schmelztemperaturen als Kunststoffe haben und die Wärme nicht schnell genug abgeführt wird, ist bei den Schmelztechnologien unter Verwendung von Metallen als Druckmaterial der Einsatz von Stützstrukturen erforderlich, deren Entfernung in einer Nacharbeit des Werkstückes resultiert.

Pulver- oder Drahtdurchmesser bzw. bei Kunststofffilamenten der Durchmesser der Düsenöffnung bestimmen die minimal zu druckende Schichtdicke.

Polymerisation: Erste 3D-Druck-Verfahren beruhten auf der Stereolithographie. Dieses Verfahren baut auf der Technologie der Polymerisation auf, bei der die Bauteilschichten aus einem UV-empfindlichen Photopolymer heraus generiert werden. Ähnlich zum Binder Jetting entsteht das Bauteil in einem geschlossenem Bauraum, der hier jedoch nicht mit Pulver, sondern eben mit Photopolymer gefüllt ist. Dessen transparente Eigenschaft ermöglicht die Beobachtung der Werkstückentstehung. Das Material wird punktuell durch UV-Licht ausgehärtet.

Durch das flüssige Photopolymer sind dünne Schichten zu generieren. Entsprechend hoch ist die Genauigkeit dieser Technologie. Die einzelnen Schichten sind im Druckbild deutlich weniger erkennbar, als z.B. bei der Fused Filamanet Fabrication (vgl. Abb.1). Der ausschliessliche Einsatz von Photopolymer bei dieser Technologie schränkt die Materialvielfalt erheblich ein. Auch sind die Bauteile mechanisch nur eingeschränkt belastbar.

Abb.1: Werkstückoberfläche a) eines gedruckten Bauteils mittels Binder Jetting, b) mittels Fused Filament Fabrication und c) Stereolithographie.

Abgrenzung zu formativen und additiven Fertigungsverfahren

Der Vorteil des 3D-Druckes zeigt sich in der nahezu werkzeuglosen Fertigung. Es werden keine Werkzeugschneiden, Matrizen oder Formen benötigt. Entsprechend können Prozesskräfte und damit einhergehende Verformungen von Werkzeugen und Maschinen vernachlässigt werden. Reibung und Verschleiss sind ebenso nicht von Bedeutung – tribologische Effekte, die einen subtraktiven oder formativen Prozess wesentlich beeinflussen können, sind nicht weiter relevant.

Zudem können komplexe Strukturen, auch im inneren eines Bauteiles, sowie Hinterschnitte ohne Aufwand erzeugt werden. Dies bietet ein hohes Potenzial der einfachen Umsetzung fortschrittlicher strukturbionischer Elemente, z.B. der Sandwichbauweise mit Wabenkern, um Leichtbaustrukturen zu realisieren, die eine hohe Stabilität aufweisen und zugleich eine Gewichtsreduzierung ermöglichen. Strukturbionische Elemente haben dabei die Eigenschaft, dass diese meist nicht wirtschaftlich aus einem Halbzeug heraus gefertigt werden können, da bei einem subtraktiven Verfahren z.B. mehr Späne erzeugt werden, als schlussendlich an Material bestehen bleibt. Noch anschaulicher wird dies bei der Übertragung der verzweigten Wuchsformen von Bäumen oder Knochen auf strukturoptimierte Bauteile. In der subtraktiven Fertigung sind zur Fertigung derartiger Strukturen  neben einer Vielzahl von Werkzeugen eine Bearbeitungsmaschine mit mindestens  fünf Achsen erforderlich, um das Bauteil in einer Aufspannung von allen Seiten bearbeiten zu können.

Die additive Fertigung ermöglicht durch den schichtweisen Werkstückaufbau auch die Integration funktionaler Strukturen, so dass z.B. ein Planetengetriebe mit den ineinandergreifenden Zahnrädern in einem Druckvorgang vollständig gedruckt und nach der Entnahme aus dem Drucker, nach ggf. erforderlicher Nacharbeit, verwendet werden kann, ohne dass Montageschritte erforderlich werden. Somit übt die additive Fertigung nicht nur Einfluss auf die Fertigung aus, sondern beeinflusst auch Montageprozesse und damit die gesamte Produktion.

Herausforderungen des 3D-Druckes

3D-Druck erweist sich damit trotz seiner in der Regel deutlich längeren Fertigungszeiten als effizientes Verfahren, insbesondere für die wirtschaftliche Fertigung in geringer Stückzahl.

Je mehr Schichten für das Bauteil gedruckt werden, desto genauer werden zwar die Konturen, da der Stufeneffekt hierdurch verringert wird, jedoch verlängern sich auch hierdurch entsprechend die Druckzeiten. Entsprechend ist der 3D-Druck derzeit noch ein zeitaufwändigeres Verfahren. Die Druckgeschwindigkeit zu erhöhen und zugleich die Prozessstabilität zu gewährleisten liegt im Fokus aktueller Entwicklungstätigkeiten. Potenzial zur schnelleren Bearbeitung zeigt sich im Einsatz von z.B. der Bearbeitung mit mehreren Lasern – diese erhöhen jedoch Kosten für den Drucker erheblich.

Grundsätzlich ist die Betrachtung der Druckgeschwindigkeit aber auch zu relativieren, wenn man die gesamte Fertigungskette betrachtet. Die subtraktive Fertigung setzt die Verwendung eines Vormaterials voraus, d.h. Material, welches grundlegend in einer geometrischen Form vorliegt. Dies kann durch formative Verfahren, z.B. Giessen in eine Form oder Strangguss, erreicht werden, wobei Stränge letztendlich noch abgelängt werden müssten. Additiv kann direkt aus dem Pulver, Granulat oder Filament gedruckt werden, so dass hier ein zeitaufwändiger Fertigungsschritt entfällt. Demgegenüber steht jedoch die deutlich geringere zu erreichende Oberflächenqualität des 3D-Druckes. Somit ist, je nach Bauteilanforderung, eine Nachbearbeitung erforderlich – diese erfolgt u.a. wieder mit subtraktiven Fertigungsverfahren und erhöht die Fertigungszeit.

Wie bei anderen Fertigungsverfahren auch, ist die Bauteilkonstruktion an den Druckprozess auszulegen. So ist es grundlegend unterschiedlich, ob mit einer schmelzenden Technologie im Pulverbett gefertigt wird oder ein Filament abgeschmolzen wird, wenn es z.B. um das Erstellen eines geschlossenen Hohlkörpers geht. Im Pulverbett aufgebaut, muss das eingeschlossene Pulver nach dem Druckprozess entfernt werden, d.h. eine Öffnung ist zu berücksichtigen, die hingegen bei der Fertigung durch ein abschmelzendes Filament nicht erforderlich ist. Sind bei diesem Beispiel die Sachverhalte trivial, so bestehen weitere komplexerer Zusammenhänge, die zu berücksichtigen sind und bei denen Erfahrungswerte zum relevanten Entscheidungskriterium werden.

Fazit:

Das Fertigungsverfahren 3D-Druck ist durch die schichtweise und werkzeuglose Werkstückfertigung universell einsetzbar. Bei kleinen Losgrößen zeigt 3D-Druck sein disruptives Potenzial: Aufgrund des möglichen Verzichts aufwändiger Werkzeug- und Vorrichtungskosten kann gegenüber konventionellen Fertigungsverfahren wirtschaftlicher gefertigt werden. Die Technologie des 3D-Druckes fasziniert. Nicht unbegründet finden zahlreiche und vielseitige Forschungs- und Entwicklungsprojekte in diesem Tätigkeitsfeld statt, um das dahinter steckende Leistungsvermögen zu heben.

Autor: Prof. Dr. Tim A. Jansen ist Dozent für Advanced Manufacturing im MAS Industrie 4.0 an der Fernfachhochschule Schweiz (FFHS) und leitet das Steinbeis-Transferzentrum Industrielle Digitalisierung, welches Unternehmen im Kontext der digitalen Transformation in Produktion und Logistik unterstützt. Er lehrt und forscht im Maschinenbau, Bereich Produktionstechnik, am technischen Campus Horb der Dualen Hochschule Baden-Württemberg (DHBW) Stuttgart zu Prozessen in Entwicklung und Produktion, zu Produktionsmethoden, -optimierung und Industrie 4.0.