Additive Fertigungsverfahren E-Book

Andreas Gebhardt

• Herausgeber: Hanser, Carl
• Kategorie: Fachliteratur
• Sprache: Deutsch
• Veröffentlichungsjahr: 2017

Seitenzahl: 863

Beschreibung

Die aktualisierte 5. Auflage dieses Standardwerks beschreibt die, noch anhaltende, Entwicklung und Verbreitung der Generativen Fertigungstechnik über alle Branchen und viele Anwendergruppen hinweg. Leistungsfähige Production Printer arbeiten in der Industrie und Fabber, kleine, preiswerte und meist selbst zu bauende 3D-Drucker, erschließen die Generative Fertigung auch für Privatleute und an entlegenen Orten. Seriöse Journale und Tageszeitungen machen mit Druckern Erfolgsgeschichten auf. Drucker sind in aller Munde.
Daneben wird die Technik sukzessive verbessert. Die Prozesse werden stabiler und vor allem reproduzierbar. Eine wirkliche Massenproduktion von Einzelteilen gelingt in einzelnen Branchen und beginnt sich durchzusetzen.

Neu in der 5. Auflage sind:
- Aktualisierungen: Firmen, Maschinen und Material; Anwendungsbeispiele
- Erweiterungen: Fabbertechnologie, Do It Yourself Drucker

EXTRA: E-Book inside

Leseprobe

Andreas Gebhardt

Additive Fertigungsverfahren

Additive Manufacturing und 3D-Drucken für Prototyping – Tooling – Produktion

5., neu bearbeitete und erweiterte Auflage

Die Autoren:

Prof. Dr.-Ing. Andreas Gebhardt, Geschäftsführer der CP – Centrum für Prototypenbau GmbH, Erkelenz/Düsseldorf Professor an der Fachhochschule Aachen Lehrgebiet: Hochleistungsverfahren der Fertigungstechnik und Additive Manufacturing

Alle in diesem Buch enthaltenen Informationen, Verfahren und Darstellungen wurden nach bestem Wissen zusammengestellt und mit Sorgfalt getestet. Dennoch sind Fehler nicht ganz auszuschließen. Aus diesem Grund sind die im vorliegenden Buch enthaltenen Informationen mit keiner Verpflichtung oder Garantie irgendeiner Art verbunden. Autor und Verlag übernehmen infolgedessen keine juristische Verantwortung und werden keine daraus folgende oder sonstige Haftung übernehmen, die auf irgendeine Art aus der Benutzung dieser Informationen – oder Teilen davon – entsteht.

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© 2016 Carl Hanser Verlag Münchenwww.hanser-fachbuch.de

Herstellung: Jörg Strohbach Umschlagdesign: Marc Müller-Bremer, www.rebranding.de, München Umschlagbild: Arup/DavidfotografieUmschlagrealisation: Stephan Rönigk

Print-ISBN 978-3-446-44401-0 E-Book-ISBN 978-3-446-45236-7

Verwendete Schriften: SourceSansPro und SourceCodePro (Lizenz) CSS-Version: 1.0

Inhalt

Titelei

Impressum

Inhalt

Widmung

Vorwort

Über den Autor

Danksagung

1 Einordnung und Begriffsbestimmung

1.1 Systematik der Fertigungsverfahren

1.2 Systematik der Additiven Fertigungsverfahren

1.2.1 Begriffsbestimmungen

1.2.2 Eigenschaften der Additiven Fertigungsverfahren

1.3 Einteilung der Additiven Fertigungsverfahren

1.3.1 Rapid Prototyping

1.3.2 Rapid Manufacturing

1.3.3 Nicht-additive Verfahren ‒ Indirect Prototyping und Indirect Tooling

1.3.4 Rapid Prototyping oder Rapid Manufacturing?

1.3.5 Begriffsvielfalt

1.3.6 Wie schnell ist Rapid?

1.4 Integration der Additiven Fertigungstechnik in den Produktentstehungsprozess

1.4.1 Additive Verfahren in der Produktentwicklung

1.4.2 Additive Verfahren für die stückzahl-unabhängige Produktion

1.4.3 Additive Verfahren für die individualisierte Produktion

1.5 Maschinen für die Additive Fertigung

1.5.1 Fabber, Personal 3D-Drucker/Personal 3D Printer

1.5.2 Professional 3D-Drucker/Professional 3D Printer

1.5.3 Production 3D-Drucker/Production 3D Printer oder Produktionsmaschinen

1.5.4 Industrial 3D-Drucker

1.5.5 Maschinenklassen und Bauteileigenschaften

2 Merkmale der Additiven Fertigungsverfahren

2.1 Verfahrensgrundlagen

2.2 Erzeugung der mathematischen Schichtinformation

2.2.1 Beschreibung der Geometrie durch einen 3D-Datensatz

2.2.2 Erzeugung der geometrischen Schichtinformationen der Einzelschichten

2.3 Physikalische Prinzipien zur Erzeugung der Schicht

2.3.1 Generieren aus der flüssigen Phase

2.3.2 Generieren aus der festen Phase

2.3.3 Generieren aus der Gasphase

2.3.4 Sonstige Verfahren

2.4 Elemente zur Erzeugung der physischen Schicht

2.4.1 Bewegungselemente

2.4.2 Generierende und konturierende Elemente

2.4.3 Schichterzeugendes Element

2.5 Klassifizierung der additiven Fertigungsverfahren

2.6 Zusammenfassende Betrachtung der theoretischen Potenziale der additiven Fertigungsverfahren

2.6.1 Werkstoffe

2.6.2 Bauteileigenschaften

2.6.3 Details

2.6.4 Genauigkeiten

2.6.5 Oberflächengüte

2.6.6 Entwicklungspotenzial

2.6.7 Kontinuierliche 3D-Modellierung

3 Additive Fertigungsanlagen für Rapid Prototyping, Direct Tooling und Direct Manufacturing

3.1 Polymerisation ‒ Stereolithographie (SL)

3.1.1 Maschinenspezifische Grundlagen

3.1.2 Übersicht: Polymerisation ‒ Stereolithographie

3.1.3 Stereo Lithography Apparatus (SLA) ‒ 3D Systems

3.1.4 STEREOS ‒ EOS GmbH

3.1.5 Stereolithographie ‒ Fockele & Schwarze (F&S)

3.1.6 Mikrostereolithographie ‒ microTEC

3.1.7 Solid Ground Curing ‒ Cubital

3.1.8 Digital Light Processing ‒ EnvisionTEC

3.1.9 Polymerdrucken ‒ Stratasys/Objet

3.1.10 Multi-Jet-Modeling (MJM) ‒ ProJet ‒ 3D Systems

3.1.11 Digital Wax

3.1.12 Film Transfer Imaging ‒ 3D Systems

3.1.13 Sonstige Polymerisationsverfahren

3.2 Sintern/Selektives Sintern ‒ Schmelzen im Pulverbett

3.2.1 Maschinenspezifische Grundlagen

3.2.2 Übersicht: Sintern ‒ Schmelzen

3.2.3 Lasersintern ‒ 3D Systems

3.2.4 Lasersintern ‒ EOS GmbH

3.2.5 Laserschmelzen ‒ ReaLizer GmbH

3.2.6 Laserschmelzen ‒ SLM Solutions GmbH

3.2.7 Laserschmelzen ‒ Renishaw LTD.

3.2.8 LaserCusing ‒ ConceptLaser GmbH

3.2.9 Laser Metal Fusion (LMF) ‒ TRUMPF

3.2.10 Elektronenstrahlsintern ‒ ARCAM

3.2.11 Selective Mask Sintering (SMS) ‒ Sintermask

3.2.12 Lasersintern ‒ Phenix

3.3 Beschichten ‒ Schmelzen mit der Pulverdüse

3.3.1 Verfahrensprinzip

3.3.2 Laser Engineered Net Shaping (LENS) ‒ OPTOMEC

3.3.3 Laser Metal Deposition (LMD), TRUMPF

3.4 Schicht-Laminat-Verfahren ‒ Layer Laminate Manufacturing (LLM)

3.4.1 Übersicht: Schicht-Laminat-Verfahren

3.4.2 Maschinenspezifische Grundlagen

3.4.3 Laminated Object Manufacturing (LOM) ‒ Cubic Technologies

3.4.4 Rapid Prototyping System (RPS) ‒ Kinergy

3.4.5 Selective Adhesive and Hot Press Process (SAHP) ‒ Kira

3.4.6 Layer Milling Process (LMP) ‒ Zimmermann

3.4.7 Stratoconception ‒ rp2i

3.4.8 Selective Deposition Lamination (SDL) ‒ Mcor

3.4.9 Plastic Sheet Lamination ‒ Solido

3.4.10 Sonstige Schicht-Laminat-Verfahren

3.5 Extrusionsverfahren ‒ Fused Layer Modeling (FLM)

3.5.1 Übersicht: Extrusionsverfahren

3.5.2 Fused Deposition Modeling (FDM) ‒ Stratasys

3.5.3 Wachsprinter ‒ Solidscape

3.5.4 Multi-Jet-Modeling (MJM) ‒ ThermoJet ‒ 3D Systems

3.5.5 ARBURG Kunststoff-Freiformen (AF) ‒ ARBURG GmbH

3.6 Three Dimensional Printing (3DP)

3.6.1 Übersicht: 3D Printing

3.6.2 3D Printer ‒ 3D Systems/Z-Corporation

3.6.3 Metall und Formsand Printer ‒ ExOne

3.6.4 Direct Shell Production Casting (DSPC) ‒ Soligen

3.6.5 3D-Drucksystem ‒ Voxeljet

3.6.6 Maskless Masoscale Material Deposition (M3D) 30 ‒ OPTOMEC

3.7 Hybridverfahren

3.7.1 Laserauftragsschweißen und Fräsen ‒ Controlled Metal Build Up (CMB) ‒ Röders

3.7.2 Laminieren und Ultraschallschweißen ‒ Ultrasonic Consolidation ‒ Fabrisonic/Solidica

3.7.3 Metallpulverauftragsverfahren (MPA) ‒ Hermle

3.7.4 Hybrid (Additive and Substractive manufacturing) ‒ DGM-MORI

3.7.5 Extrudieren und Fräsen ‒ Big Area Additive Manufacturing (BAAM) ‒ Cincinnati

3.8 Zusammenfassende Betrachtung der Additiven Fertigungsverfahren

3.8.1 Charakteristische Eigenschaften der Additiven Fertigungsverfahren im Vergleich zu konventionellen Fertigungsverfahren

3.8.2 Genauigkeit

3.8.3 Oberflächen

3.8.4 Benchmark-Tests und User-Parts

3.9 Entwicklungsziele

3.10 Folgeprozesse

3.10.1 Zielwerkstoff Kunststoff

3.10.2 Zielwerkstoff Metall

4 Rapid Prototyping

4.1 Einordnung und Begriffsbestimmung

4.1.1 Eigenschaften von Prototypen

4.1.2 Charakteristika des Rapid Prototyping

4.2 Strategische Aspekte beim Einsatz von Prototypen

4.2.1 Produktentwicklungsschritte

4.2.2 Time to market

4.2.3 Frontloading

4.2.4 Digitales Produktmodell

4.2.5 Die Grenzen der physischen Modellierung

4.2.6 Kommunikation und Motivation

4.3 Operative Aspekte beim Einsatz von Prototypen

4.3.1 Rapid Prototyping als Werkzeug zur schnellen Produktentwicklung

4.3.2 Anwendung des Rapid Prototyping in der industriellen Produktentwicklung

4.3.3 Rapid Prototyping Modelle zur Visualisierung von 3D-Daten

4.3.4 Rapid Prototyping in der Medizin

4.3.5 Rapid Prototyping in Design, Kunst und Architektur

4.3.6 Rapid Prototyping zur Überprüfung von Rechenverfahren

4.4 Ausblick

5 Rapid Tooling

5.1 Einordnung und Begriffsbestimmung

5.1.1 Direkte und indirekte Verfahren

5.2 Eigenschaften additiv gefertigter Werkzeuge

5.2.1 Strategische Aspekte beim Einsatz Additiver Werkzeuge

5.2.2 Konstruktive Eigenschaften additiv gefertigter Werkzeuge

5.3 Indirekte Rapid Tooling-Verfahren ‒ Abformverfahren und Folgeprozesse

5.3.1 Eignung Additiver Verfahren zur Herstellung von Urmodellen für Folgeprozesse

5.3.2 Indirekte Verfahren zur Herstellung von Werkzeugen für Kunststoffbauteile

5.3.3 Indirekte Verfahren zur Herstellung von Metallbauteilen

5.4 Direkte Rapid Tooling-Verfahren

5.4.1 Prototype Tooling ‒ Werkzeuge auf der Basis von Kunststoff ‒ 3D-Druckverfahren

5.4.2 Metallwerkzeuge auf der Basis von mehrstufigen additiven Prozessen

5.4.3 Direct Tooling ‒ Werkzeuge auf der Basis von Metall 3D-Druckverfahren

5.5 Ausblick

6 Direct Manufacturing ‒ Rapid Manufacturing

6.1 Einordnung und Begriffsbestimmungen

6.1.1 Begriffe

6.1.2 Vom Rapid Prototyping zum Rapid Manufacturing

6.1.3 Workflow für das Rapid Manufacturing

6.1.4 Anforderungen an die direkte Fertigung

6.2 Potenziale der additiven Fertigung von Endprodukten

6.2.1 Erhöhte Konstruktionsfreiheit

6.2.2 Herstellung traditionell nicht herstellbarer Produkte

6.2.3 Variation von Massenprodukten

6.2.4 Personalisierung von Massenprodukten

6.2.5 Realisierung neuer Werkstoffe

6.2.6 Realisierung neuer Fertigungsstrategien

6.2.7 Entwurf neuer Arbeits- und Lebensformen

6.3 Anforderungen an additive Verfahren für die Fertigung

6.3.1 Anforderungen an die additive Herstellung eines Bauteils

6.3.2 Anforderungen an die additive Serienfertigung mit heutigen Verfahren

6.3.3 Zukünftige Anforderungen an die additive Serienfertigung

6.4 Fertigungsanlagen zur Realisierung des Rapid Manufacturing

6.4.1 Additive Fertigungsanlagen als Elemente einer Fertigungskette

6.4.2 3D-Drucker als Flexible AM-Systeme (FAMS)

6.5 Anwendungen des Direct Manufacturing

6.5.1 Anwendungsfelder nach Werkstoffen

6.5.2 Anwendungsfelder nach Branchen

6.6 Perspektiven

7 Sicherheitsvorschriften und Umweltschutz

7.1 Gesetzliche Grundlagen für das Betreiben und das Herstellen von Generativen Fertigungsanlagen und den Umgang mit den zugehörigen Werkstoffen

7.1.1 Baurecht

7.1.2 Wasserrecht

7.1.3 Gewerberecht

7.1.4 Immissionsschutzrecht

7.1.5 Abfallrecht

7.1.6 Chemikalienrecht

7.2 Anmerkungen zu Materialien für die Generative Fertigung

7.3 Anmerkungen zur Benutzung von additiv gefertigten Bauteilen

8 Aspekte zur Wirtschaftlichkeit

8.1 Strategische Aspekte

8.1.1 Strategische Aspekte für den Einsatz additiver Verfahren in der Produktentwicklung

8.2 Operative Aspekte

8.2.1 Auswahl geeigneter additiver Fertigungsverfahren

8.2.2 Ermittlung der Kosten von Additiv-Manufacturing-Verfahren

8.2.3 Charakteristika additiver Fertigungsverfahren und ihre Auswirkung auf die Wirtschaftlichkeit

8.3 Make or buy?

9 Zukünftige Rapid Prototyping-Verfahren

9.1 Mikrobauteile

9.1.1 Mikrobauteile aus Metall und Keramik

9.1.2 Mikrobauteile aus Metall und Keramik mittels Laserschmelzen1

9.2 Contour Crafting

9.3 D-Shape-Prozess

9.4 Selective Inhibition of Sintering (SIS)

9.4.1 SIS-Polymer-Prozess

9.4.2 SIS-Metall-Prozess

9.4.3 Continuous Liquid Interface Production (CLIP) ‒ Carbon 3D

9.5 Fazit, Trends und Ausblick

9.5.1 Trends

9.5.2 Ausblick

10 Anhang

11 Literaturverzeichnis

Widmung

Allen Ingenieuren gewidmet,

die ihren Beruf in Ehrfurcht vor der Schöpfung ausüben.1

Fussnoten

1Diese Widmung stellte Prof. Walter Traupel 1958 der ersten Auflage seines Standardwerkes Thermische Turbomaschinen, Springer Verlag, voran.Auch 58 Jahre später kann eine Aufforderung an verantwortlich handelnde Ingenieure nicht eindrücklicher formuliert werden.

Vorwort

„Vom Labor in die Produktion“

„Vom Spielzeug für Techniker zum Schlüssel für die schnelle Produktentwicklung“ war 1995 das Vorwort der 1. Auflage dieses Buches überschrieben. Etwa sechs Jahre zuvor waren die ersten Stereolithographie-Maschinen in Europa installiert worden. Rapid Prototyping-Verfahren hatten sich seitdem in wenigen Jahren als effektive Werkzeuge für die schnellere Entwicklung besserer Produkte etabliert. Sie hatten sich gewandelt vom isoliert angewandten, technisch faszinierenden, aber wirtschaftlich nicht attraktiven Modellbauverfahren, zum geschwindigkeitsbestimmenden Element in der Produktentwicklungskette.

„Vom Werkzeug für die schnelle Produktentwicklung zum Werkzeug für die schnelle Produktentstehung“ wurde im Vorwort zur 2. Auflage die Entwicklung bis 2000 überschrieben. Triebfeder der Entwicklungen war der dringende Wunsch nach Bauteilen mit „Serieneigenschaften“. Dieser wurde durch die Entwicklung von Werkstoffen wie Metall, Sand, Keramik weitgehend erfüllt und durch Verfahren, die die Herstellung von Formen und Werkzeugen erlaubten unterstützt. Das Rapid Tooling erweiterte die Anwendung des Rapid Prototypings und verkürzte den mit traditionellen Methoden zeitaufwendigen und teuren „Schritt ins Werkzeug“ erheblich.

„Generative Verfahren für die individuelle Fertigung“ titelte die 3. Auflage 2007. Aufgrund des technischen Fortschritts, aber vor allem auch durch die Verifizierung des enormen Potenzials in immer weiteren Bereichen, hatte sich die direkte digitale Fertigung, das Rapid Manufacturing weiter etabliert. Dazu wurden neue Maschinen und Konzepte entwickelt: Der Prototyper wandelt sich zum Fabrikator. Die losgrößenunabhängige Fertigung von kundenspezifischen Serien mit Einzelteilcharakter wurde möglich und begann die Fertigungstechnik insgesamt zu revolutionieren.

„Raus aus der Nische!“ Die 4. Auflage beschreibt 2013 die (noch anhaltende) Verbreitung der Generativen Fertigungstechnik über alle Branchen und viele Anwendergruppen hinweg. Leistungsfähige Production Printer arbeiten in der Industrie und Fabber, kleine, preiswerte und meist selbst zu bauende 3D-Drucker, erschließen die additive Fertigung für semi Professionals und für Privatleute auch an entlegenen Orten. Seriöse Journale und Tageszeitungen machen mit Drucker Erfolgsgeschichten auf. Drucker sind in aller Munde.

„Vom Labor in die Produktion“ greift die vorliegende 5. Auflage die anhaltend hochdynamische Entwicklung auf. Die Technik wird weiter verbessert, die Prozesse werden stabiler und vor allem reproduzierbar. Neue, auch erste kontinuierlich arbeitende, 3D-Druckverfahren drängen auf den Markt. Es entwickeln sich eine dezentrale weltumspannende private Anwenderlinie und eine Entwicklungslinie für Industrial Printer. Letztere reifen zu flexiblen additiven Fertigungssystemen heran. Eine wirkliche Massenproduktion von Einzelteilen ist damit realistisch.

Neben den notwendigen Aktualisierungen und Ergänzungen zeichnet dieses Buch vor allem diese Entwicklung nach.

Alle Aspekte der additiven Fertigungsverfahren sind weltweit Gegenstand von Forschung und Entwicklung. Es kann nicht mehr davon ausgegangen werden, dass ein Wettbewerber die additiven Fertigungsverfahren nicht kennt oder nicht einsetzt.

Aachen im Oktober 2016

Andreas Gebhardt

Über den Autor

Dr.-Ing. Andreas Gebhardt, Jahrgang 1953, studierte an der Rheinisch Westfälischen Technischen Hochschule (RWTH) Aachen Maschinenbau mit dem Schwerpunkt Motoren- und Turbinenbau. Er promovierte 1986 bei Professor Dibelius mit einer Arbeit über das instationäre Verhalten konventioneller Dampfkraftwerksblöcke.

Von 1986 bis 1991 war er Geschäftsführer eines Spezialbetriebes für Motoreninstandsetzung und die Fertigung von Spezialmotoren und Motorenteilen.

1991 wechselte er in die Geschäftsführung des Laser Bearbeitungs- und Beratungszentrums NRW GmbH (LBBZ-NRW). Das LBBZ ist auf die lasergestützte Fertigung spezialisiert und beschäftigt sich bereits seit 1992 mit dem Rapid Prototyping.

1997 wurde die CP ‒ Centrum für Prototypenbau GmbH, Erkelenz/Düsseldorf, gegründet, deren Geschäftsführung Andreas Gebhardt übernahm. Die CP-GmbH ist ein Rapid Prototyping-Dienstleister und fertigt Prototypen aus Kunststoff und Metall als Einzelstücke und in kleinen Serien. Vom 3D-CAD über additive Fertigungsanlagen bis hin zum Werkzeugbau verfügt die CP-GmbH über alle Elemente einer vollständig geschlossenen Additive Manufacturing-Prozesskette.

Die praktischen Erfahrungen in der CP-GmbH bilden das fachliche Rückgrat für die in diesem Buch aufbereitete Thematik.

Zum Sommersemester 2000 wurde Andreas Gebhardt als Professor für „Hochleistungsverfahren der Fertigungstechnik und Additive Manufacturing“ an die Fachhochschule Aachen berufen. Dort leitet er im Rahmen des „GoetheLab für Additive Manufacturing“ eine Forschergruppe zum Lasersintern von Metallen (SLM Verfahren), Polymerdrucken, 3D-Drucken (Pulver-Binder-Verfahren), Extrusionsverfahren (FDM) und zum Einsatz unterschiedlicher Fabber. Zum GoetheLab gehört auch der weltweit erste Technologiebus, ein rollendes Labor in einem Doppeldeckerbus, FabBus genannt.

Seit dem Wintersemester 2000 ist Andreas Gebhardt Gastprofessor am City College der City University New York. Im Herbst 2014, wurde er von der Tshwane University of Technology, TUT, in Pretoria, Südafrika zum „Professor Extraordinaire“ ernannt.

Seit 2004 ist Andreas Gebhardt Herausgeber des RTeJournals (www.rtejournal.de), einer „open-access peer review“ online-Zeitschrift für Rapid Technologie.

Danksagung

Der interdisziplinäre Charakter und das anhaltend sehr hohe Entwicklungstempo der additiven Fertigungsverfahren machen es für eine einzelne Person nahezu unmöglich, dieses Gebiet vollständig, richtig und zeitnah darzustellen. Deshalb bin ich dankbar für die vielfältige Hilfe und Unterstützung, die mir zuteil wurde.

Die praxisgerechte Ausrichtung wurde wesentlich durch die enge Zusammenarbeit mit den Mitarbeitern des CP ‒ Centrum für Prototypenbau GmbH ‒ gewährleistet. Dafür bedanke ich mich bei allen Kollegen, insbesondere aber bei Besima Sümer, Christoph Schwarz und Michael Wolf für intensive Diskussionen und die praktische Umsetzung konzeptioneller Ansätze.

Das Team des „GoetheLab for Additive Manufacturing“ der Fachhochschule Aachen hat die Entstehung des Buches aktiv begleitet und mich konzeptionell und in zahleichen Details unterstützt. Beteiligt waren vor allem: Julia Kessler, Laura Thurn, Prasanna Rajaratnam, Stefan Thümmler, Dawid Ziebura, Jan Steffen Hötter und Miranda Fateri.

Für zahlreiche Fachgespräche, Diskussionen und Detailbeiträge bedanke ich mich bei allen, die direkt oder indirekt zum Gelingen des Buches beigetragen haben, vor allem bei den Mitgliedern des VDI Fachausschusses 105 „Rapid Manufacturing“ und dem DVS Fachausschuss 13 „Generative Fertigungsverfahren ‒ Rapidtechnologien“.

Aus den vorangegangenen Auflagen sind, gegebenenfalls in Auszügen, zahlreiche Informationen übernommen worden, die seinerzeit von folgenden Autoren beigesteuert wurden: Konrad Wissenbach, Andres Gasser und Eckhard Hoffmann, Aachen; Sabine Sändig, Jena.: Wolfgang Steinchen, Kassel; Bernd Streich, Kaiserslautern; Frank Petzold, Bremen; Stefan Nöken, Christian Wagner, Aachen.

Jens Hoffmann, Dresden, hat größere Beiträge zum STL-Format erarbeitet. Edgar Hansjosten, Karlsruhe, hat Abschnitt 9.1 verfasst. Klaus Licher danke ich für die Unterstützung beim Abschnitt 4.3.2.11 „Cabrioverdeck“.

Vielen Dank auch an Alexander Schwarz, der bei der Erarbeitung der Tabellen im Anhang unterstützt und viele Aspekte der Formatierung übernommen hat.

Herzlichen Dank für die gute Zusammenarbeit an den Carl Hanser Verlag und Frau Monika Stüve.

1Einordnung und Begriffsbestimmung

Zur Einordnung der „Additiven Fertigungsverfahren“ ist es hilfreich, sich mit der Systematik der Fertigungsverfahren insgesamt zu befassen.

1.1 Systematik der Fertigungsverfahren

Im Deutschen werden die Fertigungsverfahren nach DIN 8580 sehr detailliert in sechs Hauptgruppen mit zahlreichen tief gestaffelten Untergruppen eingeteilt [DIN 8580], [Witt06]. Zur Diskussion der Additiven Fertigungsverfahren ist die im angelsächsischen gebräuchliche gröbere Einteilung besser geeignet [Burns93]. Sie orientiert sich ausschließlich an der Erzeugung der Geometrie. Danach wird die Gesamtheit der Fertigungsverfahren unterschieden in:

Subtraktive Fertigungsverfahren

Formative Fertigungsverfahren

Additive Fertigungsverfahren.

Subtraktive Verfahren erzeugen die gewünschte Geometrie aus einem Halbzeug durch Abtragen definierter Bereiche, z. B. durch Drehen oder Fräsen. Formative Verfahren formen ein gegebenes Volumen in die gewünschte Geometrie um. Randbedingung ist die Volumenkonstanz. Beispiele sind das Schmieden oder das Tiefziehen. Additive Fertigungsverfahren schaffen die gewünschte Geometrie durch Aneinanderfügen von Volumenelementen. Diese Vorgehensweise wurde in der jüngeren Vergangenheit mit dem Begriff “Generative Fertigungsverfahren“ gekennzeichnet. Man nennt sie Schichtbauverfahren, wenn die Geometrie aus einzelnen Schichten zusammengesetzt wird.

Das Schichtbauprinzip beruht darauf, dass alle Körper (zumindest gedanklich) in Scheiben geschnitten und somit auch aus diesen Schnitten aufgebaut werden können. Dies verdeutlicht das auf Bild 1.1 dargestellte, sogenannte Sculpture-Puzzle: Eine Skulptur muss aus mehr als 100 ‒ jeweils circa 1,5 mm dicken ‒ horizontalen Scheiben zusammengefügt werden. Das geschieht, indem die Schichten in der richtigen Reihenfolge (das ist die eigentliche Puzzle-Aufgabe) auf einer vertikalen Säule angeordnet werden.

Bild 1.1 Schichtbauprinzip am Beispiel eines Sculpture-PuzzlesQuelle: HASBRO/MB Puzzle

Additive Fertigungsverfahren automatisieren das Schichtbauprinzip. Sie erzeugen die Einzelschichten und fügen sie Schicht für Schicht in der richtigen Reihenfolge aneinander. Beide Teilprozesse laufen computergesteuert ab und benötigen dazu lediglich die 3D-Computerdaten des Bauteils. Additive Fertigungsverfahren sind demnach dadurch gekennzeichnet, dass nicht nur die Geometrie, sondern simultan auch die Stoffeigenschaften während des Herstellprozesses entstehen.

1.2 Systematik der Additiven Fertigungsverfahren

Im Folgenden werden die Begriffe erläutert, die im Kontext der Additiven Fertigungsverfahren gebräuchlich sind. Die mit diesen Begriffen verbundenen Eigenschaften sowie ihre Wechselwirkungen im Sinne einer Hierarchie werden dargestellt.

Verwendet werden die heute akzeptierten generischen Bezeichnungen. Alternativ gebrauchte Bezeichnungen werden diesen gegenübergestellt. Davon abzugrenzen sind Produktnamen und Herstellerbezeichnungen, die in der Praxis oft mit den generischen Namen vermischt werden. Das führt häufig zu Verwirrungen. Die Produktnamen und Herstellerbezeichnungen werden in Kapitel 3 „Additive Fertigungsverfahren für Rapid Prototyping, Direct Tooling und Direct Manufacturing“ gemeinsam mit den Maschinen aufgeführt und den generischen Bezeichnungen zugeordnet.

1.2.1 Begriffsbestimmungen

Als Additive Fertigungsverfahren werden alle Fertigungsverfahren bezeichnet, die Bauteile durch Auf- oder Aneinanderfügen von Volumenelementen (Voxeln), vorzugsweise schichtweise, automatisiert herstellen.

Additive Manufacturing ist das englische Pendant zum deutschen Begriff Additive Fertigungsverfahren. Beide Bezeichnungen sind genormt; in Deutschland in der VDI Richtlinie VDI 3405) [VDI 3405] und in den USA durch die gemeinsamen ISO/ASTM Standards [ISO/ASTM 52900:2015].

3D Printing, im Deutschen 3D-Drucken, verdrängt zurzeit alle anderen Bezeichnungen. Das liegt vor allem daran, dass dieser Begriff sehr einfach zu vermitteln ist. Jeder, der ein Textprogramm (einen Word-Prozessor) bedienen und das Ergebnis mithilfe eines 2D-Druckers als Brief ausdrucken kann, versteht unmittelbar, dass mithilfe eines Konstruktionsprogramms (eines Part Prozessors) und eines 3D-Druckers ein dreidimensionales physisches Bauteil entstehen kann.

Es zeichnet sich heute schon ab, dass, ungeachtet gültiger Normen, der Begriff 3D-Drucken in wenigen Jahren als generische Bezeichnung für alle automatisierten Schichtbauverfahren und die Bezeichnung 3D-Drucker oder 3D Printer weltweit akzeptiert sein werden.

3D-Drucken und 3D Printing als generischer Begriff ist nicht mit dem gleichnamigen Pulver-Binder-Verfahren (Abschnitt 3.6 „Three Dimensional Printing (3DP)“) zu verwechseln.

1.2.2 Eigenschaften der Additiven Fertigungsverfahren

Die Additiven Fertigungsverfahren weisen vor allem aufgrund des Schichtbauprinzips besondere Eigenschaften auf:

Die Generierung der Schichtgeometrie erfolgt direkt aus den 3D-CAD-Daten.

Es ist kein Einsatz produktspezifischer Werkzeuge notwendig.

Die Erzeugung der mechanisch-technologischen Eigenschaften (Materialeigenschaften) geschieht während des Bauprozesses.

Die Bauteile können grundsätzlich in jeder beliebigen Orientierung gebaut werden (Entfall der Spannproblematik).

Alle heute auf dem Markt befindlichen Maschinen können mit dem gleichen (STL)-Datensatz angesteuert werden.

Additive Fertigungsverfahren gewährleisten damit die direkte Umsetzung der 3D-CAD-Daten (des virtuellen Bauteils) in ein physisches Bauteil.

Aus dem gleichen Datensatz können durch Skalieren Bauteile von unterschiedlicher Größe und aus unterschiedlichen Materialien hergestellt werden. Die Türme eines Schachspiels, Bild 1.2, wurden auf der Basis des gleichen Datensatzes auf unterschiedlichen Maschinen gebaut. Die Materialien reichen von Formsand über Stärkepulver, Acrylate und Epoxidharze bis zu Metall.

Eines der größten additiv gefertigten Bauteile ist ein circa 2,5 m hoher Turm aus Formsand. In Bild 1.3 ist er im Größenvergleich zum Voxeljet-Geschäftsführer und Technologieentwickler Ingo Ederer abgebildet.

Im Kontrast dazu zeigt Bild 1.4 einen circa 5 mm hohen Turm, wie er durch das Mikro-Lasersintern entsteht.

Mit additiven Verfahren können Geometrien gefertigt werden, die mit subtraktiven oder formativen Verfahren nicht oder nur bedingt herstellbar sind. Der Turm enthält eine interne Wendeltreppe mit einer zentralen doppelten Wendel. Das Detail ist, wie in Bild 1.5 zu sehen, offensichtlich nur additiv herzustellen.

Ein anderes Beispiel für Geometrien, die nur generativ herstellbar sind, zeigt Bild 2.5.

Bild 1.2 Additive Fertigung. Aus dem gleichen Datensatz abgeleitete, aber mit unterschiedlichen Verfahren hergestellte Türme.Große Türme (von links): Formsand (3D Printing, ExOne)Stärkepulver (3D Printing, 3D Systems). Höhe etwa 20 cm.Kleine Türme (von links): PMMA (3D-Drucksystem, Voxeljet), Metall (Lasersintern, EOS), Acrylat, transparent (Stereolithographie, EnvisionTEC). Höhe etwa 3 cm)Quellen: Hersteller

Bild 1.3 Turm aus Formsand, Höhe circa 2,5 m, 3D-Drucken von FormsandQuelle: voxeljet

Bild 1.4 Schachspiel aus Metall mit Türmen, Höhe circa 5 mm, Mikro-LasersinternQuelle: 3D Micromac/EOS

Bild 1.5 Internes Detail eines Turmes aus Formsand (wie Bild 1.2 hinten links)Quelle: 3D Systems

1.3 Einteilung der Additiven Fertigungsverfahren

Für eine exakte Strukturierung ist die Unterscheidung in Technologie und Technik hilfreich. Aus methodischer Sicht bezeichnet Technologie die Lehre von den Prinzipien und den Wirkungsweisen einer Disziplin im Sinne einer Verfahrenskunde. Unter Technik (aus dem Griechischen téchne: Kunst, Fertigkeit) wird die technische Umsetzung dieser Prinzipien im Sinne einer Anwendung verstanden. Entsprechend wird beispielsweise die Technologie der spanenden Fertigungsverfahren deutlich von ihren Anwendungen, z. B. dem Fräsen oder Schleifen unterschieden.

Die Technologie der Additiven Fertigungsverfahren (Additive Manufacturing/3D Printing) gliedert sich in die Anwendungen zur Herstellung von Prototypen und Modellen (Rapid Prototyping) sowie zur Fertigung von Produkten (Rapid Manufacturing). Die Herstellung von Werkzeugen und Werkzeugeinsätzen wird üblicherweise mit Rapid Tooling bezeichnet, obwohl sie technologisch keine eigene Gruppe begründet, sondern je nach Bauteil dem Rapid Prototyping oder dem Rapid Manufacturing zuzuschlagen ist und damit eine Querschnittsmenge bildet (Bild 1.6).

Bild 1.6 Technologie der Additiven Fertigungsverfahren/Additive Manufacturing/3D Printing und ihre Gliederung in die Anwendungen Rapid Prototyping, Rapid Manufacturing und Rapid Tooling

1.3.1 Rapid Prototyping

Rapid Prototyping bezeichnet die Anwendung der Technologie der Additiven Fertigungsverfahren zur Herstellung von Modellen und Prototypen, also von physischen Bauteilen ohne Produktcharakter. Die Bauteile weisen lediglich einzelne, für die jeweilige Anwendung besonders repräsentative Eigenschaften eines späteren Produktes auf. Sie sind somit gegenüber dem späteren Produkt durch eine größtmögliche Abstraktion gekennzeichnet. Ziel ist es, sehr schnell möglichst einfache, aber aussagekräftige Modelle herzustellen, um damit möglichst frühzeitig einzelne Produkteigenschaften abzusichern. Rapid Prototyping Bauteile sind daher im Sinne der bestimmungsgemäßen Verwendung des zu entwickelnden Produktes meist nicht einsetzbar. Das wird auch bewusst nicht beabsichtigt und meist schon durch die Bezeichnung Modelle unterstrichen. Serienidentische Prototypen gibt es folglich nicht, auch wenn der Begriff zur Verdeutlichung eines strategischen Ziels zuweilen beschönigend eingesetzt wird.

Wenn ein Rapid Prototyping Modell im Wesentlichen der 3D-Visualisierung dient, nennt man es Konzeptmodell, Solid Image (dreidimensionale Abbildung) oder Mock-Up respektive Rapid Mock-Up (Attrappe, Lehrmodell). Die Verfahren heißen analog Solid Imaging oder Concept Modeling1 (Bild 1.7).

Wenn ein Rapid Prototyping Bauteil einzelne Funktionen aufweist und zur Absicherung von Produkteigenschaften eingesetzt wird, nennt man es Funktionsprototyp und den Herstellungsprozess Functional Prototyping.

Bild 1.7 Struktur der Technologie der Additiven Fertigungsverfahren in Abhängigkeit von ihren Anwendungen Rapid Prototyping und Rapid Manufacturing

Bild 1.8 Rapid Prototyping: Konzeptmodell oder Solid Image(a) Cabriodach, Quelle: CP-GmbH(b) Funktionsprototyp „Ausströmdüse“, Quelle: 3D Systems

Je ein Beispiel für ein Konzeptmodell und einen Funktionsprototyp ist im Bild 1.8 dargestellt. Auf die dazugehörigen AM-Prozesse wird in Kapitel 3 „Additive Fertigungsanlagen für Rapid Prototyping, Direct Tooling und Direct Manufacturing“ und auf Anwendungen in Kapitel 4 „Rapid Prototyping“ eingegangen.

1.3.2 Rapid Manufacturing

Rapid Manufacturing bezeichnet die Anwendung der Additiven Fertigungsverfahren zur Herstellung von Bauteilen, die die Eigenschaften von Endprodukten (häufig auch ungenau: Serienprodukten, allgemein: Zielteilen; Kapitel 6, „Direct Manufacturing ‒ Rapid Manufacturing“ (siehe Kapitel 6, Fußnote 1) aufweisen. Diese können sowohl Positive, beispielsweise Stecker und dergleichen als Einzelstücke oder in Kleinstserien, als auch Negative, also Werkzeuge oder Werkzeugeinsätze, sein. Die generative Herstellung von Bauteilen (Positiven) wird Direct Manufacturing, die von Werkzeugeinsätzen und Werkzeugen Direct Tooling genannt (Bild 1.7).

1.3.2.1 Rapid Manufacturing ‒ Direct Manufacturing

Die direkte additive Fertigung von (End)Produkten nennt man Direct Manufacturing (DM). Häufig und aus historischen Gründen wird sie ebenfalls Rapid Manufacturing (RM) genannt und so direkt mit dem Oberbegriff assoziiert. Gebräuchlich sind auch: e-Manufacturing, Digital Manufacturing, Tool-less Fabrication und andere.

Direct Manufacturing fußt auf der gleichen Technologie wie das Rapid Prototyping und verwendet (heute noch) die gleichen Maschinen. Das Ziel ist die Fertigung von Bauteilen mit Endprodukt-Charakter. Ob das gelingt, hängt davon ab, ob die der Konstruktion zugrunde liegenden mechanisch-technologischen Eigenschaften mit den verfügbaren Materialien und Prozessen erreicht werden können, die geforderten Genauigkeiten zu realisieren sind und ob ein wettbewerbsfähiger Preis dargestellt werden kann. Als Beispiel für ein mittels Direkt Manufacturing hergestelltes Bauteil ist auf Bild 1.9 (a) eine dreigliedrige Brücke dargestellt. Auf die dazugehörigen AM-Prozesse wird in Kapitel 3 „Additive Fertigungsverfahren für Rapid Prototyping, Direct Tooling und Direct Manufacturing“, auf Anwendungen in Kapitel 6 „Direct Manufacturing ‒ Rapid Manufacturing“ eingegangen.

Bild 1.9 Rapid Manufacturing(a) Direct Manufacturing, Quelle: Bego(b) Direct Tooling, Quelle: EOS

1.3.2.2 Rapid Manufacturing ‒ Direct Tooling (Rapid Tooling ‒ Prototype Tooling)

Direct Tooling bezeichnet die additive Herstellung von Werkzeugeinsätzen, Werkzeugen, Lehren und Formen. Im Englischen spricht man auch von Mold Making und von Pattern Making.

Dass man die Fertigung von Negativen mit dem eigenen Namen Rapid Tooling belegt, hat historische Gründe. Die direkte Herstellung von Werkzeugeinsätzen ist älter als die direkte Fertigung von Endprodukten und wurde vor allem unter Marketinggesichtspunkten als Weiterentwicklung des Rapid Prototyping eingeführt. Deshalb finden sich in der Literatur auch Einteilungen der generativen Fertigungsverfahren, die dem Rapid Tooling eine eigene Anwendungsebene zusprechen.

Tatsächlich ist die Herstellung einsatzfähiger Werkzeuge direkt im generativen Prozess dem Rapid Manufacturing zuzuordnen. Sie wird Direct Tooling oder, um den generativen Charakter zu unterstreichen, Direct Rapid Tooling genannt (Bild 1.7). Ein Beispiel für ein mittels Direct Tooling hergestelltes Werkzeug zur Fertigung von Golfbällen ist auf Bild 1.9 (b) zu sehen.

Davon zu unterscheiden ist das sogenannte Prototype Tooling. Prototype Tooling bezeichnet die Herstellung von Werkzeugen und Werkzeugeinsätzen aus Modell- und Prototypmaterialien, beispielsweise aus Stereolithographie-Material (vergleiche Abschnitt 5.4.1.2.1 „ACES Injection Molding, AIM“). Es ist deshalb dem Functional Prototyping zuzuordnen. Prototype Tooling wird auch Bridge Tooling genannt, weil es geeignet ist, die Kluft zwischen Prototyp- und Serienwerkzeugen zu überbrücken.

Rapid Tooling bezeichnet somit keine horizontale Anwendungsebene der Technologie der additiven Fertigungsverfahren, sondern fasst im Sinne einer vertikalen Gliederung unterschiedliche Anwendungen zur Herstellung von Werkzeugen und Werkzeugeinsätzen zusammen (Bild 1.7).

1.3.3 Nicht-additive Verfahren ‒ Indirect Prototyping und Indirect Tooling

Die Begriffe Indirect Prototyping und Indirect Tooling bezeichnen keine additiven Verfahren. Indirekt heißen Prozessketten, die auf dem Abformen von additiv gefertigten Urmodellen basieren, selbst aber nicht-additiv arbeiten. Beispiele sind Abformverfahren wie Vakuumgießen und verwandte Prozesse.

Wenn durch indirekte Verfahren Bauteile (Positive) entstehen, nennt man den Prozess Indirect Prototyping (Bild 1.10 (a)), entstehen Negative (Formen) heißt er Indirect Tooling (Bild 1.10 (b)). Die Abformverfahren werden unpräzise, ebenfalls als Rapid Prototyping oder Rapid Tooling-Verfahren bezeichnet. Dazu trägt auch bei, dass das Indirekte Tooling im Amerikanischen häufig als Secondary Rapid Prototyping Application bezeichnet wird.

In der Praxis wird vor allem der Begriff Rapid Tooling häufig auch dann gewählt, wenn die Verfahren nicht-additiv arbeiten. Dies geschieht bewusst zur Steigerung der Attraktivität der Verfahren.

Auf die Anwendung der additiven Fertigungsverfahren zur Herstellung von Werkzeugen wird im Kapitel 5 „Rapid Tooling“ detailliert eingegangen.

Bild 1.10 Indirekte Prozesse(a) Indirect Prototyping, Quelle: CP-GmbH(b) Indirect Tooling, Quelle: BeNe Gusstechnik GmbH

1.3.4 Rapid Prototyping oder Rapid Manufacturing?

Die Frage, ob wir es nun mit Rapid Prototyping oder Rapid Manufacturing zu tun haben, ist häufig scheinbar nicht eindeutig zu beantworten. Tatsächlich kann das gleiche Bauteil ein Prototyp oder ein Produkt sein und folglich das Produktionsverfahren Rapid Prototyping (hier: Functional Prototyping) oder Rapid Manufacturing (hier: Direkt Manufacturing) heißen. Wenn ein Bauteil für die additive Herstellung konstruiert wurde und alle in der Konstruktion festgelegten Eigenschaften aufweist, ist es ein Produkt. Wenn es aber beispielsweise zur Herstellung aus dem Kunststoff PEEK konstruiert wurde, dann aber generativ aus Polyamid (PA) hergestellt wird, ist es (bestenfalls) ein Prototyp.

Material und Verfahren spielen bei dieser Diskussion keine Rolle. Ein Bauteil aus Papier oder Gips kann z. B. durchaus ein Produkt sein.

Der Begriff Rapid Prototyping wird zunehmend auch von klassischen Fertigungsverfahren vereinnahmt, die damit ihre besondere Schnelligkeit ausdrücken oder auch einfach nur eine moderne Bezeichnung verwenden wollen.

1.3.5 Begriffsvielfalt

Anstelle des Begriffs „Additive Fertigungsverfahren“ im Sinne einer generischen Bezeichnung werden oft auch alternative Bezeichnungen verwendet. Ihre Bedeutung ändert sich zuweilen auch mit der Zeit.

Rapid Prototyping war Ende der 1980er-Jahre die Bezeichnung für die ersten additiven Verfahren und ihre Anwendungen. Deshalb werden alle verwandten Verfahren bis heute mit dem Attribut „rapid“ identifiziert und, auch im Deutschen, Rapid …ing genannt. Die Bezeichnung Rapid Prototyping war zu diesem Zeitpunkt korrekt. Die Verfahren führten viel schneller zu Bauteilen als die bis dato bekannten, weil erstmalig die Herstellung von Werkzeugen entfallen konnte. Sie waren insofern „rapid“. Die Bauteile konnten aber nur als Prototypen verwendet werden, weil die Verfahren die Herstellung von nur wenigen Exemplaren erlaubte, die zudem aus kaum belastbarem Material bestanden.

Rapid Technologie wird im Deutschen auch neben den genormten Begriffen Additive Manufacturing, Additive Fertigungsverfahren und 3D-Drucken verwendet.

Das Gleiche gilt für die Benennung Schichtbauverfahren bzw. schichtorientierte Fertigungsverfahren. Sie werden im Englischen als Layer Manufacturing oder Additive Layer Manufacturing (ALM) bezeichnet, wobei anstelle von Manufacturing auch Fabrication, seltener Production, verwendet wird.

In der Literatur gibt es darüber hinaus eine Vielzahl von Bezeichnungen, die oft den Anspruch erheben, als umfassender Oberbegriff zu gelten. Tatsächlich stellen sie meist einzelne Aspekte der Bauteilherstellung in den Vordergrund. Solid Freeform Manufacturing (SFM) betont die Eigenschaft, Festkörper (Solids) herzustellen, die durch Freiformflächen berandet werden. Desktop Manufacturing (DMF) weist auf die Herstellung der Bauteile in einer Büroumgebung (auf dem Schreibtisch) hin.

In der Literatur findet sich eine Vielzahl von (vorzugsweise amerikanischen) Bezeichnungen, die meist in der Gestalt von drei (zunehmend auch vier) Buchstabenabkürzungen auftreten und häufig eher verwirren als erklären. Die gebräuchlichsten sind im Text erklärt oder im Anhang „Begriffe und Abkürzungen“ aufgeführt.

In der Praxis werden die exakten Begriffe nicht konsequent verwendet. Oft werden nicht einmal generische Bezeichnungen und Oberbegriffe von Verfahrens- und Produktnamen unterschieden. So sprechen viele davon, dass sie Stereolithographie einsetzen, wenn sie additive Verfahren insgesamt meinen.

1.3.6 Wie schnell ist Rapid?

In den Definitionen kommt häufig der Prefix „Rapid“, also „schnell“ vor. Er ist sicher nicht der geeignetste, möglicherweise sogar einer der schlechtesten, die zur Wahl stehen. Rapid sagt bei näherem Hinsehen gar nichts. „Schnell“ ist relativ. Eine Qualität bekommt der Begriff „rapid“ nur, wenn gesagt wird „wie schnell“ oder „schneller als was“ er abläuft. Zudem liegt eine gewisse Gefahr in dem Begriff „Rapid“. „Schnell“ könnte signalisieren, dass die Verfahren grundsätzlich, also verfahrensbedingt, schneller sind als andere. Dies gilt so nicht und kann insbesondere nicht verallgemeinert werden. Die Schnelligkeit der Rapid Prototyping-Verfahren ist stark geometrieabhängig. Wer lediglich eine Platte von 250 × 250 × 10 mm benötigt, greift zum Halbzeug und zur Säge. Schneller ist kein Additives Fertigungsverfahren.

„Schnell“ sind additive Verfahren also nur unter bestimmten Bedingungen; beispielsweise wenn die Konstruktion und Fertigung von Werkzeugen vermieden werden kann oder unter dem Aspekt einer von Losgrößen unabhängigen Fertigung individualisierter Produkte.

Die Begriffe Rapid Prototyping und Rapid Manufacturing haben aber einen unschlagbaren praktischen Vorteil: Sie sind akzeptiert und werden international verstanden. Sie haben sich als Synonyme für computergesteuerte und daher automatisierte Verfahren zur Fertigung von Prototypen und Produkten in die Köpfe eingeprägt. Sie sprechen für sich und erfüllen so die wichtigste Voraussetzung eines generischen Begriffs. In diesem Buch werden daher neben der exakten Bezeichnung Additive Fertigungsverfahren auch Rapid Prototyping, und Rapid Manufacturing mit seinen Untergliederungen Rapid Tooling und Direct Manufacturing verwendet.

1.4 Integration der Additiven Fertigungstechnik in den Produktentstehungsprozess

Additive Fertigungsverfahren sind, der Name unterstreicht das, Verfahren zur Herstellung von Bauteilen. Aufgrund ihrer Eigenschaften (Abschnitt 1.2.2 „Eigenschaften der Additiven Fertigungsverfahren“) sind sie über die eigentliche Fertigung hinaus in besonderem Masse geeignet, vorhandene Prozesse zu verbessern, neuartige Produkte oder Produkteigenschaften zu realisieren und die Entwicklung neuartiger Produktentwicklungsstrategien zu unterstützen.

1.4.1 Additive Verfahren in der Produktentwicklung

Die industrielle Produktentstehung umfasst die Zeitspanne von der ersten Produktidee bis zur Präsentation des Produktes auf dem Markt. Sie schließt die Entwicklung des Produktes, die Entwicklung und Fertigung der Produktionsmittel sowie die Fertigung des Produktes ein. Ziel aller Produzenten ist es, diese Zeitspanne ohne Einnahmen so kurz wie möglich zu halten und deshalb die Teilprozesse zu optimieren. Additiv gefertigte Bauteile sind aufgrund ihrer Herstellung ohne zeitraubende und kostenintensive Werkzeuge besonders geeignet, den Prozess der Produktentstehung zu beschleunigen und gleichzeitig zu verbessern. Dieser Effekt verstärkt sich, wenn in den Phasen der Produktentstehung die jeweils optimalen additiven Verfahren eingesetzt werden. Dazu ist es vorteilhaft, die Korrelation zwischen den additiven Anwendungen (Bild 1.7) und den Phasen der Produktentstehung nach VDI 2221 ff. [VDI 2221] herzustellen (Bild 1.11).

Bild 1.11 Produktentwicklungsphasen nach VDI 2221 (oben) und ihre Zuordnung gemäß Bild 1.7 zum Rapid Prototyping und Rapid Manufacturing (Mitte), sowie zu deren Untergliederung in Concept Modeling, Functional Prototyping, Direct Tooling, Prototype Tooling und Direct Manufacturing (unten)

Der Produktentwicklung ist das Rapid Prototyping und der Fertigung (von Produktionsmittel und Produkt) das Rapid Manufacturing zuzuordnen, Bild 1.11 Mitte. Im Einzelnen wird die Ideenfindung, Planung und Konzeption durch das Concept Modeling und die Entwicklung und Ausarbeitung durch das Functional Prototyping unterstützt. Die Herstellung der Produkte erfolgt mittels Direct Manufacturing.

Werkzeuge und Formen werden durch das Rapid Tooling, also in der Prototypphase, mittels Prototype Tooling und in der Produktionsphase durch Direct Tooling realisiert (Bild 1.11, unten).

Eine feinere Struktur ergibt sich in Verbindung mit den Modellklassen, die im Kapitel 4 „Rapid Prototyping“definiert und den Verfahrensfamilien aus Kapitel 3 „Additive Fertigungsverfahren für Rapid Prototyping, Direct Tooling und Direct Manufacturing“ zugeordnet werden.

Die Übergänge sind in der Praxis fließend. Die Bereiche überlappen sich und hängen zudem stark vom jeweiligen Produkt ab. Auch müssen nicht notwendigerweise alle Anwendungen vorkommen.

1.4.2 Additive Verfahren für die stückzahl-unabhängige Produktion

Da die Herstellung schichtweise und ohne Werkzeuge erfolgt, ist es unerheblich, wie viele Bauteile in einem Bauraum parallel gefertigt werden und ob die Bauteile identisch oder voneinander verschieden sind. Additive Verfahren ermöglichen daher die stückzahlunabhängige Fertigung unterschiedlicher Bauteile in einem Bauprozess.

1.4.3 Additive Verfahren für die individualisierte Produktion

Neben dem Losgrößen-Effekt ermöglichen Additive Verfahren die Herstellung individuell veränderter Produkte und damit die Realisierung der mit werkzeuggebundenen Verfahren nicht zu verwirklichenden Strategie des „Customizing“.

Die Individualisierung kann durch konstruktive Überarbeitung des 3D-Datensatzes im 3D-CAD-System der Konstruktion erfolgen oder durch die Integration von Scandaten in eine bestehende Konstruktion (Bild 1.12).

Neben diesen industriell-professionellen Anwendungen werden in Bibliotheken (z. B. im Internet) zur Verfügung gestellte Produktdaten und einfach zu bedienende CAD-Systeme auch privaten Nutzern die direkte Herstellung von (Einzel-) Bauteilen ermöglichen.

Bild 1.12 Individualisierte Produktion oder Customizing am Beispiel der Herstellung patientenindividueller HörgeräteschalenQuelle: 3D Systems

1.5 Maschinen für die Additive Fertigung

Den Anwendungsebenen nach Bild 1.6 entsprechend werden Maschinen für die additive Fertigung (Additive Fertigungsanlagen) als Prototyper2 bezeichnet, wenn sie für die Herstellung von Prototypen eingesetzt werden und als Fabrikatoren3, wenn es sich um Endprodukte handelt. Zunehmend werden alle als „Drucker“ bezeichnet.

Da die Einteilung nach Bild 1.6 sehr grob ist, wird vorzugsweise eine Klassifizierung nach Modellklassen entsprechend Bild 1.7 gewählt.

Danach unterteilen sich die Maschinen in solche zur Herstellung von:

Ansichts- und Konzeptmodellen,

Funktionsbauteilen (oder -prototypen),

Endprodukten (oder Komponenten davon)

Serienprodukten. (Endprodukte in großen Stückzahlen und beliebigen Chargen)

und werden bezeichnet als:

Fabber, Personal 3D-Drucker („Personal Grade“ 3D Printer).

Professional 3D-Drucker („Professional Grade“ 3D Printer).

Production 3D-Drucker („Production Grade“ 3D Printer).

Industrial 3D-Drucker („Industrial Grade“ 3D Printer).

Tabelle 1.1 Einteilung der Maschinen für die additive Fertigung

Bezeichnung

3D-Drucker

Prototyper

Fabrikatoren

Fabber

Desktop Printer

Professional 3D-Drucker

Production 3D‑Drucker

Industrial 3D‑Drucker

Anwendung

Privat zu Hause

Semi-professionell im Büro

Professionell im Büro oder der Werkstatt

Professionell in der Produktion

Professionell in der Serienproduktion

Anwendungsebenen (Bild 1.7)

Prototypen

Ansichtsmodelle

X

Konzeptmodelle

X

Funktionsbauteile

X

Endprodukte

X

X

Baumaterial

Kunststoff

Kunststoff

Kunststoff (Metall)

Kunststoff, Metall, Keramik

Metall

Preisniveau

500 bis 4.000 €

1.000 bis 10.000 €

20.000 bis 70.000 €

130.000 bis 900.000 €

1.200.000 bis über 2 Mio. €

Beispiel

*Die Bezeichnungen sind nicht genormt und werden von unterschiedlichen Herstellern und Anwendern unterschiedlich gehandhabt. Die hier verwendeten lehnen sich an den Vorschlag von 3D Systems an und folgen einer in der Praxis häufig verwendeten Systematik.

Anstelle von Drucker tritt auch im Deutschen oft die Bezeichnung Printer. Die Zusammenhänge sind in Tabelle 1.1 dargestellt.

1.5.1 Fabber, Personal 3D-Drucker/Personal 3D Printer

Kleine, einfach zu bedienende und einfach aufgebaute, preiswerte und vorzugsweise am Arbeitsplatz (semi-professionell) eingesetzte 3D-Drucker werden in Analogie zu Personal-Computern als Personal (3D)-Drucker bezeichnet.

Verarbeitet werden fast ausschließlich Kunststoffe (erste Maschinen zur Verarbeitung von Metallen, vorzugsweise vom Typ „Lote“, wurden vorgestellt).

Sie untergliedern sich in Fabber, Personal 3D-Drucker und Professional.

1.5.1.1 Fabber

Fabber sind vor allem im privaten Bereich eingesetzte 3D-Drucker, die in den meisten Fällen auch selbst gebaut oder montiert werden. Der Begriff Fabber ist die Kurzform von Fabricator (im Deutschen Fabrikator) und weist auf die dahinter steckende Philosophie hin, dass mit solchen Maschinen jeder alles herstellen kann. Entsprechend gibt es Web-basierte Blogs und Fabber Communities, die sich über den Bau und mögliche Modifikationen (pimpen) der Fabber austauschen und neue Kooperationsformen wie Cloud Fabbing propagieren. Die Bediener schulen sich gegenseitig oder sind Autodidakten. Als Vorkenntnis reicht es aus, einen Computer bedienen zu können; als Infrastruktur genügt der Küchentisch.

1.5.1.2 Personal 3D-Drucker/Personal 3D Printer

Sind vorzugsweise im professionellen oder semi-professionellen Bereich eingesetzte 3D-Drucker. Sie sind an der unteren Preisgrenze angesiedelte Maschinen, aber keine Selbstbausysteme, sondern einfache, nach kurzer Schulung zu bedienende Drucker mit ausreichend hoher Genauigkeit. Die Produktivität steht eher im Hintergrund.

1.5.2 Professional 3D-Drucker/Professional 3D Printer

Als Professional 3D-Drucker oder Office Printer werden kompakte, einfach zu bedienende, wartungsarme und auch in einem Büro oder einer Werkstatt einsetzbare Maschinen bezeichnet, die aber insgesamt ein höheres Niveau bezüglich der Qualität der Anlage und der Bauteile aufweisen.

Sie verfügen über Materialwechselsysteme, eine Bauteilentnahme ohne Verschmutzung von Bedienern und Räumlichkeiten und über entsprechende externe Systeme zur Entfernung von Stützstrukturen. Die Bedienung wird als kurze Herstellerschulung vermittelt. Computer- und CAD-Kenntnisse sind von Vorteil. Es gibt keine besonderen Anforderungen an die Infrastruktur.

1.5.3 Production 3D-Drucker/Production 3D Printer oder Produktionsmaschinen

Maschinen, bei denen gleichmäßig hohe Qualität im Vordergrund steht, werden als Produktionsmaschinen oder Shop Floor (englisch: Produktionshalle) Maschinen bezeichnet. Sie verfügen meist über große Bauräume, ein (teil)automatisiertes Materialhandling sowie mehr und mehr über Zusatzeinrichtungen zur Nachbearbeitung. Ziele sind reproduzierbare Prozesse und Bauteile hoher Qualität. Die Produktivität spielt eine größere Rolle als bei den Professional 3D-Druckern. Die Anlagen sind größer und erzeugen für Produktionsmaschinen übliche Emissionen. Ihr Einsatz erfordert deshalb eine Werkstatt und einen großen Installationsaufwand. Das Personal wird mit Unterstützung der Hersteller intensiv geschult.

1.5.4 Industrial 3D-Drucker

Industrial 3D-Drucker sind flexible Fertigungssysteme, flexible AM-Systeme (FAMS) genannt. Sie liefern eine mit den Production 3D-Druckern identische gleichbleibend hohe Bauteilqualität, und eine hohe Ausbringungsmenge. Die Produktivität spielt eine entscheidende Rolle. Manuelle Arbeiten sind auf ein Mindestmaß reduziert. Einrichtungen zur Überwachung und Regelung des Prozesses sind integriert. Ein mannloser Betrieb ist gewährleistet. Eine Mehrmaschinenbedienung ist möglich. Eine Produktionsinfrastruktur ist erforderlich.

1.5.5 Maschinenklassen und Bauteileigenschaften

Es gibt einen tendenziellen Zusammenhang zwischen den Maschinenklassen und den mit den Maschinen herstellbaren Bauteilen und ihren Eigenschaften. Personal 3D-Drucker liefern vorzugsweise Anschauungsobjekte oder nicht belastbare Bauteile mit eingeschränkter geometrischer Komplexität und geringer Detailtreue. Sie sind (aktuell 2016) wie die Professional 3D-Drucker auf die Verarbeitung von Kunststoffen beschränkt.

Professional 3D-Drucker erzeugen vorzugsweise Anschauungsobjekte oder wenig belastbare Bauteile, die aber über deutlich bessere Detailtreue verfügen und deshalb häufig mittels Folgeverfahren zu hochwertigen Endprodukten verarbeitet werden.

Production 3D-Drucker werden zur additiven Fertigung von Einzelstücken oder (Klein)Serien von unterschiedlichen Bauteilen eingesetzt und liefern nach externer verfahrenstypischer Nachbearbeitung einsatzfertige Bauteile. Sie sind für die Verarbeitung von Kunststoffen, Metallen oder Keramiken verfügbar.

Industrial 3D-Drucker werden zur additiven Fertigung von Serien beliebiger Größe von identischen oder unterschiedlichen Bauteilen eingesetzt. Sie integrieren die verfahrenstypische Nachbearbeitung und liefern einsatzfertige Bauteile. Sie sind bisher (2016) nur für die Verarbeitung von Metallen verfügbar.

Dieser tendenzielle Zusammenhang zwischen den Maschinenklassen und den mit den Maschinen herstellbaren Bauteilen folgt aber keiner Gesetzmäßigkeit. Es gibt mit Fabbern hergestellte einfache Kunststoffklammern, die als Produkte eingesetzt werden und komplexe mit Produktionsmaschinen gefertigte Bauteile, z. B. innendurchströmte Turbinenschaufeln aus Kunststoff, die nur zur Anschauung eingesetzt werden können.

Fussnoten

1Die angelsächsischen Begriffe werden häufig auch im Deutschen verwendet. Weil Rapid Prototyping im Deutschen ebenfalls Rapid Prototyping genannt wird, geschieht dies bewusst auch in diesem Buch. Gelegentlich finden sich in der Literatur auch (teilweise) eingedeutschte Bezeichnungen.

2Der Begriff Prototyper wurde von Professor Erich Schmachtenberg, Universität Erlangen, heute RWTH Aachen, und dem Autor in einer Fachdiskussion auf der Euromold Fachmesse 1995 geprägt.

3Der Begriff Fabrikator (im Englischen: Fabricator) wurde systematisch vor allem von Burns [Burns93] verwendet und vermutlich auch von ihm geprägt.

2Merkmale der Additiven Fertigungsverfahren

Additive Fertigungsanlagen unterliegen nach wie vor einem hohen Entwicklungstempo. Neue, zurzeit noch im Laborstadium oder in der Entwicklung befindliche Verfahren werden auf den Markt drängen. Gleichzeitig werden bewährte Systeme in relativ kurzen Zeitspannen im Detail überarbeitet (Updates) oder durch neuere Versionen ersetzt (Upgrades). Die heutigen Systeme werden daher in vergleichsweise kurzer Zeit nicht mehr oder nicht mehr ganz aktuell sein. Aus diesem Grund werden im Folgenden längerfristig gültige physikalisch-technologische Grundlagen und ihre kommerzielle Umsetzung getrennt behandelt. Die Grundlagen werden in diesem Kapitel ausführlich dargestellt und diskutiert. In Kapitel 3 „Additive Fertigungsanlagen für Rapid Prototyping, Direct Tooling und Direct Manufacturing“ wird gezeigt, welche industriell angebotenen Anlagen sich aus welchen grundlegenden Verfahren ableiten. Dieses Vorgehen erleichtert nicht nur die Beurteilung der aktuellen Verfahren, sondern liefert auch die Grundlage für die Beurteilung zukünftiger industrieller Verfahren durch den Leser.

Bei diesem Vorgehen können Überschneidungen und Wiederholungen leider nicht immer vermieden werden.

2.1 Verfahrensgrundlagen

Bei allen Additiven Fertigungsverfahren entstehen die Bauteile durch das Fügen von Schichten gleicher Dicke (Bild 1.1). Die Konturierung (Formgebung) jeder Schicht erfolgt in der x-y-Ebene, der sogenannten Bauebene und damit flächig (2D). Die dritte Dimension entsteht nicht als kontinuierliche z-Koordinate sondern durch das Aufeinanderfügen der Einzelschichten. Additive Verfahren sind deshalb streng genommen 2½D-Verfahren.

Die Bauteile sind in der Bauebene sehr präzise und in z-Richtung stufige dreidimensionale Gebilde, die dem Original umso genauer entsprechen, je kleiner die z-Stufung gewählt wird. Bild 2.1 zeigt als Beispiel ein dreidimensionales Volumenmodell einer Plastik mit angezeichneten aquidistanten Schichtabständen und das daraus entstehende stufige Schichtenmodell.

Bild 2.1 Stufige Oberfläche als Folge des Schichtbauverfahrens, Prinzip. Dreidimensionales Volumenmodell (links) mit angezeichneten äquidistanten Schichten und das daraus entwickelte Schichtmodell (rechts)Quelle: FH Aachen

Diese Treppenstufeneffekte sind ein Charakteristikum der additiven Fertigungsverfahren. Sie können durch Verringerung der Schichtdicke reduziert, aber nie ganz beseitigt werden. Bild 2.2 zeigt die Verhältnisse an einem realen Bauteil bei Schichtstärken um 0,125 mm.

Die Schichtstärken aktueller Maschinen betragen heute (2016) 0,1‒0,05 mm und im Minimum 0,016 mm für Maschinen, die makroskopische Bauteile (charakteristische Abmessung: einige mm bis einige 100 mm) herstellen. Maschinen, die Mikrobauteile fertigen, arbeiten mit geringeren Schichtdicken bis in den 5 nm-Bereich. Größere Schichtdicken bis circa 0,2 mm und vereinzelt darüber werden bei den meisten Fabbern eingesetzt, aber auch bei anderen Maschinen gezielt zur Verkürzung der Bauzeit verwendet. Die Folge ist allerdings eine geringere Genauigkeit. Schichtfräsverfahren verwenden Platten mit bis zu 40 mm Dicke (Abschnitt 3.4.6 „Layer Milling Process (LMP) ‒ Zimmermann“).

Abhängig von der Art der Konturierung (scannen, plotten, etc.) und dem additiven Verfahren wird in der x-y-Bauebene kontinuierlich konturiert oder es treten an der Berandung Sekanten-Effekte (siehe auch: Bild 2.12 (a)) oder ebenfalls Treppenstufeneffekte auf, die aber meist viel weniger ausgeprägt sind als in z-Richtung. Deshalb haben additiv hergestellte Bauteile in x-y- und in z-Richtung unterschiedliche Genauigkeiten. Bild 2.3 zeigt dies schematisch. Gegenübergestellt sind eine Bohrung parallel zur Schichtebene und eine senkrecht dazu. Im Beispiel wird davon ausgegangen, dass in den Schichten (x-y-Ebene) kontinuierliche Kreiskonturen erzeugt werden.

Bild 2.2 Treppenstufeneffekt an einem Stereolithographie-Bauteil (Schichtstärke 0,125 mm)Quelle: CP-GmbH, Foto: Gebhardt

Bild 2.3 Prinzipbedingte Stufung bei schichtorientierten Verfahren am Beispiel einer Bohrung: (a) in der Schichtebene; (b) senkrecht zur Schichtebene

Kontinuierliche Berandung in z-Richtung

Obwohl alle heute bekannten additiven Verfahren in dieser Weise als 2½D-Verfahren arbeiten, sind einige Verfahren (z. B. Extrusionsverfahren) grundsätzlich 3D fähig und könnten inkrementale Volumenelemente (Voxel) an jeder beliebigen Stelle des Bauteils anfügen. Dies wurde bisher technisch aber nicht umgesetzt. Es gibt jedoch zunehmend Ansätze, um das Problem der Stufigkeit zu überwinden.

Eine kontinuierliche z-Konturierung wird heute mit Schichtfräsverfahren erreicht (vergleiche Abschnitt 3.4.6 „Layer Milling Process (LMP) ‒ Zimmermann“), ist aber tatsächlich ein abtragendes Verfahren.

Die erste kommerzielle kontinuierlich arbeitende additive Maschine ist der Sanddrucker VXC 800 von Voxeljet (Vergleiche Abschnitt 3.6.5 „3D-Drucksystem-Voxeljet“).

Einen Durchbruch bezüglich Produktivität aufgrund einer um den Faktor 100 höheren Baugeschwindigkeit verspricht die CLIP Technologie (Continuous liquid interface production) von John Tumblestone. Dabei handelt es sich um einen Polymerisationsprozess nach dem Muster der DLP Geräte (Vergleiche Abschnitt 3.1.8 „Digital Light Processing -EnvisionTEC“). Die Verfestigung durch UV-Licht wird durch Inhibitoren (Sauerstoff) lokal so unterbunden (tote Zone), dass das Monomer kontinuierlich nachfließen kann und eine gezielte Verfestigung erst außerhalb dieser Zone realisiert wird. [Tumb15].

Es ist ein wichtiges Charakteristikum, aber kein Alleinstellungsmerkmal von additiven Verfahren, dass die Fertigung von physischen Bauteilen unmittelbar aus Computerdaten erfolgt. Der Datensatz muss das 3D-Volumen vollständig und fehlerfrei beschreiben. Dabei ist es unerheblich, welchen Ursprung die Daten haben. In der Technik stammen die Daten in der Regel aus 3D-CAD-Konstruktionen. Messwerte aller Art, z. B. von Koordinatenmessmaschinen, CT- oder MRT-Scannern und dergleichen oder von 3D Tracking-Systemen können gleichermaßen in physische Bauteile umgesetzt werden, wenn entsprechende Auswerteprogramme die Aufbereitung der Messwerte in 3D-Datenmodelle ermöglichen.

Für das Additive Manufacturing können die additiv gefertigten Bauteile als dreidimensionale Plots oder Faksimiles der zugrunde liegenden CAD-Daten betrachtet werden. Der entscheidende Vorteil gegenüber klassischen manuellen oder teilautomatisierten Herstellungsverfahren besteht darin, dass die Daten im Zuge des Fertigungsprozesses nicht verändert werden, vor allem, dass die Additive Fertigung (mit Ausnahme der automatisch generierten Stützen) keine fertigungsbedingte Anpassung der Konstruktionen benötigt. Die Konstruktion wird für die additive Fertigung weder verändert, noch müssen Daten vom Bauteil abgenommen und in den Konstruktionsprozess zurückgeführt werden. Weil die gemeinsame Datenbasis nicht verändert wird, sind additive Verfahren zu einem wichtigen Element moderner Produktentwicklungsstrategien ‒ wie dem Simultaneous Engineering ‒ und damit zum integrierten Bestandteil der computergestützten Produktentstehung geworden. Mit der Verfügbarkeit additiver Anlagen zur direkten Fertigung (Rapid Manufacturing) ist das 3D-Datenmodell gleichzeitig Produktmodell und Fertigungsgrundlage. Damit ist Additive Manufacturing heute ein integrierter Bestandteil der direkten computergestützten Produktion.

Bild 2.4 Prinzip der Additiven Fertigung

Der Vorteil gegenüber nicht-additiven computergesteuerten Fertigungsverfahren besteht in einem für alle heute verfügbaren additiven Maschinen gleichen und von allen verarbeitbaren Datenformat, dem sogenannten STL-Datensatz (vergleiche Abschnitt 2.2.2.1 „STL-Format“) und seinem leistungsfähigeren Nachfolger, dem AMF-Format (vergleiche Abschnitt 2.2.2.4 „AMF-Format“). Nicht-additive numerisch gesteuerte Verfahren, z. B. das CNC-Fräsen, verlangen in der Regel maschinenspezifische oder steuerungsspezifische Datensätze.

Das Prinzip der Additiven Fertigung oder des Additive Manufacturing zeigt Bild 2.4. Ausgangspunkt ist ein vollständig geschlossenes 3D-Volumenmodell. Zur Generierung eines Bauteiles wird dieses CAD-Modell mit mathematischen Methoden in Schichten (von üblicherweise) gleicher Stärke geschnitten. Diese virtuelle Schichtinformation wird in einer additiven Fertigungsanlage in physische Schichten umgewandelt und die Einzelschichten werden zum vollständigen Bauteil aufeinander geschichtet. Abhängig vom Verfahren geschieht die Verbindung zwischen den Schichten während der Generierung der neuen Schicht oder nach deren Fertigstellung. Das physische Bauteil kann ein Prototyp oder Endprodukt sein.

Das Schichtbauprinzip erlaubt die Fertigung geometrisch komplexer Strukturen, die mit traditionellen Verfahren nicht oder nur sehr aufwendig zu realisieren sind. Es gewährt weitestgehend Geometriefreiheit und öffnet so den Weg zu völlig neuen Konstruktionen. Zu den beeindruckendsten Beispielen gehören die mathematischen Kompositionen von George Hart (www.georgehart.com). Auf Bild 2.5 ist ein (mathematisches) 4D-Objekt zu sehen, das aus 120 abgeflachten Dodekaedern (12-Flächlern) und 600 Tetraedern (4-Flächlern) besteht.

Bild 2.5 Komplexe, nur additiv herstellbare Geometrie, Polymer PrintingQuelle: George Hart

Die Herstellung von Bauteilen mittels Additiver Fertigungsverfahren erfolgt in zwei grundlegenden Verfahrensschritten (Bild 2.4):

Erzeugung der mathematischen Schichtinformation (Abschnitt 2.2).

Generierung des physischen Bauteils (Schichtenmodells) (Abschnitt 2.3).

2.2 Erzeugung der mathematischen Schichtinformation

Da die additive Fertigung die Abbildung des virtuellen Datensatzes in ein physisches Faksimile darstellt, kommt der Erzeugung des Datensatzes und der ihn bestimmenden mathematischen Schichtinformation besondere Bedeutung zu. Der Prozess besteht aus drei Teilschritten:

Beschreibung der Geometrie durch einen 3D-Datensatz (Abschnitt 2.2.1),

Erzeugung der geometrischen Schichtinformationen der Einzelschichten (Abschnitt 2.2.2),

Umsetzung der Schichtinformationen der Einzelschicht zur Erzeugung der Schicht (Abschnitt 2.4).

2.2.1 Beschreibung der Geometrie durch einen 3D-Datensatz2.2.1.1 Datenfluss und Schnittstellen

Für die additive Fertigung muss die Geometrie des Bauteils als vollständiges 3D-Volumenmodell in Form eines digitalen 3D-Datensatzes vorliegen. Dieser entsteht bei den weitaus meisten industriellen Anwendungen durch Konstruktion mithilfe eines 3D-CAD-Programms. Die Daten können aber auch aus Messungen unterschiedlicher Art oder aus Bibliotheken stammen. Die 3D-Daten werden in jedem Fall unabhängig von der Fertigung erzeugt und müssen an die Maschine via Daten-Schnittstelle (Interface) übertragen werden. Der Datensatz wird als digitales oder virtuelles Produktmodell bezeichnet.

Zur additiven Fertigung eines Bauteils sind neben den so festgelegten Geometriedaten weitere material-, verfahrens- und anlagenspezifische Daten notwendig. Diese werden mithilfe von Programmen festgelegt, die zur Maschine gehören und vom Hersteller mitgeliefert werden (Frontend Software) oder Bestandteil einer von unabhängigen Dritten angebotenen Additive Manufacturing Software (Third-Party-Software) sind. Die Bereiche werden durch Datenschnittstellen miteinander verknüpft (Bild 2.6).

Bild 2.6 Datenfluss bei der Additiven Fertigung

Als Quasi-Industriestandard haben sich das STL-Format und das daraus hervorgegangene eng verwandte und voll kompatible AMF-Format weltweit etabliert (STL-Schnittstelle, Abschnitt 2.2.2 „Erzeugung der geometrischen Schichtinformationen der Einzelschichten“). Andere Formate sind möglich und gebräuchlich (Abschnitte 2.2.2.2 „CLI-/SLC-Format“ und 2.2.2.3 „PLY- und VRML-Format“).

Vor dem eigentlichen additiven Bauprozess müssen einige nicht im CAD-Datensatz enthaltene Daten mithilfe der Frontend- oder der Additive Manufacturing Software festgelegt werden. Dazu gehören die optimale Baurichtung, also die Orientierung des Bauteils im Bauraum, die Platzierung auf der Bauplattform und verfahrensspezifische Besonderheiten wie Stützen, Bases oder Entlastungsschnitte (Details werden im Kapitel 3 „Additive Fertigungsanlagen für Rapid Prototyping, Direct Tooling und Direct Manufacturing“ im Zusammenhang mit der jeweiligen Maschine besprochen). Zur optimalen Nutzung der Maschine werden mehrere Bauteile nebeneinander ‒ bei einigen Verfahren wie dem Sintern auch in- und übereinander ‒ auf einer Plattform respektive in einem Bauraum arrangiert.

Die Additive Manufacturing-Programmsysteme freier Hersteller enthalten zudem Zusatzfunktionen, die die Arbeit erleichtern, aber nicht direkt im Bezug zur additiven Fertigung stehen (z. B. die Ableitung von 2D-Werkstattzeichnungen).

Zur reinen Visualisierung werden häufig auch externe Viewer, auf einfachste Funktionalitäten reduzierte CAD-Programme, eingesetzt, die auch einen STL-Ausgang haben können.

Nach diesem Schritt ist die Geometrie inklusive der Orientierung des Bauteils vollständig beschrieben. Zum Datensatz werden Materialdaten sowie prozess- und maschinenspezifische Parameter hinzugefügt.

Zur physischen Fertigung der Bauteile müssen die geometrischen Informationen bestehend aus der konstanten Schichtdicke und der Kontur für jede Schicht vorliegen. Das dazu notwendige Schneiden der Datensätze in (virtuelle) mathematische Schichten wird als „slicen“ bezeichnet. Die meisten Anlagen slicen den gesamten Datensatz und verarbeiten ihn dann im „Batch“-Betrieb. Es gibt aber auch Prozesse, die jede Schicht erst direkt vor dem Verarbeiten slicen. Das lag früher vor allem an der geringen Kapazität der Rechner. Heute werden sogenannte adaptive Slice-Verfahren (oft auch als slicing on the fly bezeichnet) bei Maschinen eingesetzt, die regelmäßig die Modellhöhe messen und danach die aktuelle Schichtstärke berechnen. Auf diese Weise werden Baufehler in z-Richtung vermieden oder verringert, die sich durch Fehlerfortpflanzung bei den Schichtdicken ergeben.

Auf der Basis dieses Datensatzes wird das Bauteil additiv gefertigt und ist nach den prozessspezifischen Nacharbeiten (Post-Processing) einsatzbereit.

Neben diesem als Standard zu betrachtenden direkten Pfad gibt es sowohl im Bereich der Konstruktion als auch bei der Fertigung Varianten. Die Geometriedaten können statt im STL-Format auch in alternativen Formaten wie SLI/SLC (Abschnitte 2.2.2.2 „CLI-/SLC-Format“), PLY (Abschnitte 2.2.2.3 „PLY- und VRML-Format“) oder AMF (Abschnitte 2.2.2.4 „AMF-Format“) übergeben werden.

Häufig werden zur Datenübertragung auch sogenannte Neutrale Schnittstellen verwendet. Sie haben insbesondere dann Vorteile, wenn die Konstruktion bereits abgeschlossen ist, aber vor dem Bau, dann schon im Bereich der Fertigung, noch Modifikationen eingebracht werden sollen, weil Konstruktionen auf STL-Basis zwar möglich, aber nicht so komfortabel sind wie mit vollwertigen CAD-Systemen.

Die wichtigsten Neutralen Schnittstellen, die von den meisten 3D-CAD-Systemen unterstützt werden, sind:

IGES   Initial Graphics Exchange Specification

VDAIS   Verband der Automobilhersteller ‒ IGES-Schnittstelle

VDAFS  Verband der Automobilhersteller ‒ Flächenschnittstelle

DXF   Drawing Exchange Format

HPGL  Hewlett Packard Graphics Language

SET  Standard déchange et de transfer

STEP  Standard for the Exchange of Product Model Data.

IGES definiert einen weltweiten Standard als Geometrieschnittstelle, weist aber viele Variationen auf, die genau bezeichnet werden müssen.

VDAIS ist eine vom Verband der Automobilhersteller (VDA) in seinem Elementumfang eingeschränkte IGES-Schnittstelle, die ebenfalls zahlreiche Varianten umfasst, sodass im Einzelfall genauestens geprüft werden muss, welche Schnittstellenformulierung dem Datenaustausch zugrunde liegt.

VDAFS ist auf die Übertragung von Freiformflächen spezialisiert und hat deshalb insbesondere in der Automobilindustrie eine herausragende Bedeutung.

HPGL ist ein konturorientiertes Plotterformat, das insbesondere vor dem Hintergrund der direkten Konturierung im CAD auch für additive Verfahren eingesetzt wird.

STEP ist eine Schnittstelle, die sich nach einer längeren Probephase zunehmend durchsetzt. Mit STEP werden neben den reinen Geometrieinformationen auch andere Informationen übergeben. STEP stellt damit einen Ansatz dar, tatsächlich CAD-Modelle und nicht nur Geometrieinformationen (mit Zusätzen) zwischen CAD-Programmsystemen zu übergeben.

2.2.1.2 Modellierung dreidimensionaler Körper mittels 3D-CAD

Die vollständige Beschreibung der Geometrie durch einen 3D-Datensatz ist die unabdingbare Voraussetzung für die additive Fertigung eines Bauteils. Die Anwendung additiver Verfahren ist im Kontext der industriellen Produktentstehung deshalb in besonderem Maße mit CAD-Verfahren verknüpft. Aus diesem Grund soll an dieser Stelle soweit auf 3D-CAD-Verfahren eingegangen werden, wie dies für das Verständnis der prinzipiellen Zusammenhänge bei der additiven Herstellung erforderlich ist.

Jedes CAD-System nutzt bestimmte individuelle Datenelemente und Datenstrukturen, um ein Bauteil vollständig zu beschreiben. Der Datensatz umfasst nicht nur die Bauteilgeometrie sondern auch die Werkstoffe, die Oberflächengüte, das Fertigungsverfahren und vieles mehr. Die Bauteilgeometrie stellt also nur einen Teil der Informationen dar. Die Gesamtheit aller in der Datenbasis eines CAD-Systems zu einem Bauteil niedergelegten Informationen wird als 3D-CAD-Modell (oft kurz: CAD-Modell) oder auch als Digitales Produktmodell bezeichnet.

Die Auswahl eines CAD-Systems wird durch andere Kriterien bestimmt als durch das später angewandte additive Fertigungsverfahren. Mit der Wahl eines CAD-Systems legt sich der Benutzer auf dessen Datenbasis fest. Die Struktur und die Datenelemente beeinflussen maßgeblich die Qualität des CAD-Modells und die Kompatibilität mit anderen Systemen über Schnittstellen. Allerdings bestimmt das CAD-System auch Art, Umfang und Qualität der additiven Fertigung mit.

2.2.1.2.1 CAD-Modelltypen

Unabhängig von bestimmten CAD-Systemen werden CAD-Modelle in Modelltypen unterschieden. Aus Bild 2.7 wird deutlich, dass nicht alle Modelltypen, die zur 3D-Darstellung geeignet sind, auch genügend Informationen für eine additive Fertigung enthalten.

Bild 2.7 CAD-Elemente und Modelltypen

Das durch Punkte beschriebene Eckenmodell ist von geringer praktischer Bedeutung und für die additive Fertigung nicht einsetzbar. Verwendet wird es zum Beispiel als Zwischenmodell bei der teilautomatisierten Umsetzung von Rasterdaten oder von 2D-CAD-Modellen in 3D-CAD-Modelle.

Das Kantenmodell ermöglicht aufgrund seiner geringen Datenmenge die schnelle grafische Darstellung von 3D-Elementen auch bei kleiner Rechnerleistung. Im Zusammenhang mit Virtual Reality (VR) Anwendungen und Digital Mock Up (DMU) gewinnt es deshalb wieder an Bedeutung. Der gravierende Nachteil des Kantenmodells ist die fehlende Information über die exakte Lage der Flächen und der Volumina. Deshalb ist es wie das Eckenmodell nicht als Ausgangsbasis für die additive Fertigung zu empfehlen.

Flächenmodelle sind prinzipiell gut geeignet für die additive Fertigung. Das Bauteil wird über seine inneren und äußeren Begrenzungsflächen (verallgemeinert seine Außenflächen) beschrieben. Damit sind auch das Bauteilvolumen und die Lage der Volumina bekannt. Dazu wird in der Regel für jede Fläche ein vom Bauteil weg weisender Normalenvektor zusätzlich festgelegt und abgespeichert. Die Orientierung des Bauteilvolumens muss daher für die vollständige Beschreibung eines Bauteils unbedingt bekannt sein.

Volumenmodelle (Körpermodelle, Solids) sind optimal für das Modellieren von CAD-Modellen, die auch für die additive Fertigung verwendet werden. Die Orientierung des Volumens und damit der das Volumen definierenden Flächen ist exakt vorgegeben und muss nicht vom Benutzer explizit festgelegt werden.

Unterschieden werden bei Volumenmodellen:

Grundkörpermodelle,

Flächenbegrenzungsmodelle,

Hybridmodelle.

Bei Grundkörpermodellen wird das Bauteil im CAD-System durch das Verknüpfen von Grundkörpern (sogenannten geometrischen Primitiven) wie Quadern, Kugeln, Zylindern usw. definiert. Dies geschieht mit Booleschen Operationen. Diese, und damit die Entstehungsgeschichte des Bauteils, werden im CSG-Baum (Constructive Solid Geometry) abgespeichert und sind bei Bedarf zugänglich. Das Grundkörpermodell beinhaltet zwar den CSG-Baum, enthält jedoch keine Informationen über die einzelnen Flächen. Wird ein Grundkörpermodell als STL-Datei ausgegeben, werden in einem ersten Schritt die Begrenzungsflächen der Grundkörper berechnet. Fehler durch nicht exakt aneinander grenzende Flächen können deshalb nicht auftreten.

Beim Flächenbegrenzungsmodell werden im Extremfall nur die Einzelflächen und die Lage des Volumens abgespeichert. Die Lage des Volumens, die auch über einen auf jeder Fläche stehenden, nach außen zeigenden Normalenvektor festgelegt ist, muss nicht vom Benutzer definiert werden. Durch diesen Modelltyp können auch bezüglich der äußeren Berandung extrem komplexe Körper dargestellt werden, was sonst nur mithilfe von Flächenmodellen möglich ist.

Hybridmodelle vereinigen die Vorteile beider Modellarten. Sie enthalten sowohl Elemente der Grundkörpermodelle als auch der Flächenmodelle. CAD-Systeme, die mit Hybridmodellen arbeiten, erzeugen meist fehlerfreie Daten, die für die additive Fertigung hervorragend geeignet sind, weil die ausgegebenen Flächen bei der Entstehung des Hybridmodells vom System selbst exakt aufeinander berandet werden.

2.2.1.2.2 Anforderungen an CAD-Systeme

Bei der Bewertung eines CAD-Systems in Bezug auf die Eignung für die additive Fertigung sollten möglichst viele der im Folgenden diskutierten Eigenschaften von CAD-Systemen erfüllt sein. Grundvoraussetzung ist, dass es sich um einen 3D-Volumenmodellierer handelt und dass eine Schnittstelle für den Export der Daten für die additive Fertigung (vergleiche Abschnitte 2.2.2 „Erzeugung der geometrischen Schichtinformationen der Einzelschichten“) zur Verfügung steht. Der Weg über Neutrale Schnittstellen in ein anderes CAD-System und von dort über eine Schnittstelle zur additiven Maschine sollte eher als Umweg angesehen werden.

Die folgenden Eigenschaften haben sich bei der Auswahl von CAD-Systemen zur Erzeugung von Datensätzen für die additive Fertigung als vorteilhaft erwiesen:

Parametrische 3D-Konstruktionen

Anstelle von festen Maßvorgaben werden Parameter vereinbart, die zudem über mathematische Funktionen miteinander korreliert werden können.

Hybridmodelle

Hybridmodelle vereinen die Vorteile der Grundkörper und der Flächenmodelle und sind deshalb für die additive Fertigung hervorragend geeignet.

Durchgängige Datenbasis

Das CAD-System und alle mit ihm verknüpften Module müssen stets auf eine gemeinsame, verbindliche Datenbasis zurückgreifen.

Redundanzfreiheit

Mit der Durchgängigkeit der Datenbasis hängt auch die Redundanzfreiheit, also die Freiheit von unnötig doppelt gespeicherten Daten zusammen. Solche Mehrfachspeicherungen sind auch im Hinblick auf die Speicherkapazität, die Schnelligkeit und Eindeutigkeit des Programms zu vermeiden.

Offenes System

Die Verknüpfung mit Spezialmodulen freier Hersteller (Flächenrückführung, CT-Modellierung, Additive Manufacturing Software) muss gewährleistet sein.

Assoziativität

Die innere Architektur des CAD-Systems muss so beschaffen sein, dass bei Änderungen alle Abhängigkeiten überprüft werden und entsprechende Modifikationen erfolgen.

Darüber hinaus spielen eine Reihe von Überlegungen, beispielsweise eine leichte Erlernbarkeit oder die Unterstützung bei bestimmten, gegebenenfalls auch branchentypischen Aufgaben, eine Rolle bei der Auswahl eines CAD-Systems.

Der Markt bietet eine schier unübersehbare Anzahl von CAD-Systemen an, die sich oft nur durch branchentypische Besonderheiten voneinander unterscheiden. Es kann heute davon ausgegangen werden, dass alle wichtigen CAD-Systeme über Standard-Schnittstellen (STL) verfügen. Ergänzend stehen häufig auch andere Schnittstellen, z. B. SLC, PLY, VRML oder HPGL zu Verfügung.

Im Anhang ist eine Liste von CAD-Systemen aufgeführt (Technische Daten und Informationen), die eine Additive Manufacturing-Schnittstelle besitzen. Auf die tabellarische Auflistung spezieller Eigenschaften dieser CAD-Systeme wurde bewusst verzichtet. Die angegebenen Internet-Adressen stellen sicher, dass der interessierte Leser schnell und zuverlässig den aktuellen Stand recherchieren kann.

Wer sich mit den Details von CAD-Systemen nicht befassen will, sollte darauf achten, dass das ausgesuchte CAD-System eine STL-Schnittstelle hat und diese mittels Testbau verifizieren.

2.2.1.3 Modellierung dreidimensionaler Körper aus Messwerten

Grundsätzlich spielt es keine Rolle, wie der 3D-Datensatz erzeugt wird. Wie Bild 2.8 zeigt, gibt es eine Reihe alternativer Wege, um zu einem 3D-Datenmodell zu gelangen.

Als Eingangsdaten können neben 3D-CAD-Konstruktionen grundsätzlich auch 2D-CAD-Zeichnungen, Handskizzen und dergleichen verarbeitet werden. Um daraus additive Bauteile zu fertigen, müssen die Daten über Zwischenoperationen in 3D-Volumeninformationen überführt werden. In den meisten Fällen geschieht dies durch manuelles Erstellen einer 3D-CAD-Zeichnung und ist nicht weniger aufwendig als eine Neukonstruktion. Sind die zugehörigen Schichthöhen bekannt, können die letztlich benötigten Konturdaten von einigen Systemen auch direkt verarbeitet werden. Für die Übergabe reichen dann 2D-Daten, z. B. im HPGL Format.

Dreidimensionale Datensätze erhält man zum Beispiel auch aus Messungen. Zunehmend werden dazu 3D-Scanner eingesetzt. Sie sind im Begriff die Koordinatenmessmaschinen zu verdrängen. Bei beiden Prozessen werden die ermittelten Punktdaten in der Regel mithilfe spezieller Programmsysteme in ein 3D-CAD-Modell überführt.

Im Maschinenbau wird die Umsetzung von als geometrisch niederwertigen zu betrachtenden Punktdaten in geometrisch höherwertige Flächendaten als „Reverse Engineering“ bezeichnet. Diese mathematisch nicht eindeutige Prozedur ist daher auch heute noch aufwendig und nur dann wirklich notwendig, wenn mit den gewonnenen CAD-Daten weiter konstruiert werden soll. Das Thema der Flächenrückführung ist zu komplex, als dass es hier annähernd erschöpfend behandelt werden könnte. Einen Überblick vermittelt z. B. [Back05].

Bild 2.8 Verallgemeinerte Darstellung der Datenwege für die additive Fertigung

Punktwolken können aber auch direkt zur additiven Fertigung verwendet werden, wenn sie zur Körperbeschreibung in ein neutrales Datenformat überführt werden. Davon wird vor allem dann Gebrauch gemacht, wenn, wie z. B. beim Body-Scannen zum Bau von Plastiken (Bild 6.12