Unter dem Begriff „Additive Fertigung“ versteht man verschiedene Fertigungsverfahren, in deren Rahmen Werkstoffe in Schichten zu 3D-Bauteilen aufgebaut werden. Als Grundlage hierfür dienen digitale 3D-Konstruktionsdaten und 3D-Drucker. Unser Artikel erklärt sieben bekannte additive Fertigungsverfahren mit dem Material Metall.
Additive Fertigung #1: SLM – Selektives Laserschmelzen
Beim selektiven Laserschmelzen, kurz SLM, wird Metall in Pulverform von einem Beschichter auf eine Grundplatte aufgetragen und anschließend von einem Faserlaser lokal umgeschmolzen. Nach jeder Schicht senkt sich die Platte ab und der Zyklus beginnt von vorn. So entsteht Schicht für Schicht ein Bauteil mit fester, glatter Oberfläche und einer besonders hohen Dichte von über 99,5 %. Je nach Bedarf können einzelne Schichten mit niedrigerer Dichte beispielsweise in einer Wabenstruktur angefertigt werden. Das fertige Bauteil wird vom Pulver, das übrig geblieben ist, gereinigt und kann dann direkt verwendet oder, zum Beispiel durch eine Wärmebehandlung, weiter bearbeitet werden. Beim SLM handelt es sich um ein werkzeug- und formloses Fertigungsverfahren, das mitunter beim Prototypenbau, beim Turbinenbau und in der Medizintechnik zum Einsatz kommt.
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Additive Fertigung #2: EBM – Elektronenstrahlschmelzen
Das Elektronenstrahlschmelzen, kurz EBM für Elektron Beam Melting, ist gewissermaßen ein Verwandter des selektiven Laserschmelzens. Ein Rakel trägt vollflächig Metallpulver auf, das dann erwärmt und lokal von einem Elektronenstrahl geschmolzen wird. Der gesamte Prozess findet in einem Vakuum statt und punktet durch die Möglichkeit, komplexe geometrische Konstruktionen bei maximaler Werkstoffeffizienz zu produzieren. Auch hier senkt sich der Arbeitsuntergrund nach jeder Schicht ab, um Platz für die nächste Schicht zu machen.
Additive Fertigung #3: LENS – Laser Engineered Net Shaping
Beim Laser Engineered Net Shaping wird das Metall von einer Düse aufgetragen und ebenfalls von einem Laser verschmolzen. Das Besondere an diesem Fertigungsverfahren: Mit ihm lassen sich besonders große Teile herstellen, während sich SLM beispielsweise eher für die Herstellung von Kleinteilen eignet.
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Additive Fertigung #4: WAAM – Wire Arc Additive Manufacturing
WAAM, also Wire Arc Additive Manufacturing, funktioniert auf der Basis des Lichtbogenschweißens und scheint in mancherlei Hinsicht die Antwort auf die Schwachstellen der pulverbettbasierten additiven Fertigungsverfahren zu sein. Zum Einsatz kommen hier stattdessen Drähte, die sich leichter lagern lassen und deren Verarbeitung mit weniger Sicherheitsrisiken verbunden ist, als es bei Metallpulver der Fall ist. Erstellen lassen sich mit dem WAAM-Verfahren konturnahe Rohlinge, die allerdings kaum durch Präzision glänzen, sodass eine Nachbearbeitung fast immer nötig ist. Während hochlegierte Stähle, Titan und Edelstähle problemlos verarbeitet werden können, eignet sich die Methode nur eingeschränkt zur Verarbeitung von Kupferlegierungen – reines Kupfer kommt nicht infrage. Da das Fertigungsverfahren ganz ohne Laser auskommt, lässt sich der gesamte Prozess gefahrlos überwachen und dokumentieren.
Additive Fertigung #5: FDM – Fused Deposition Modeling
Fused Deposition Modeling wird allgemeinhin als Schmelzschichtverfahren bezeichnet und funktioniert folgendermaßen: Verflüssigtes Metallpulver wird durch feine Düsen gepresst und als dünne Fäden punktuell schichtweise aufgebaut. Parallel werden aus einem zweiten Material Stützkonstruktionen gefertigt, die später entfernt werden können. Was die Nachbearbeitung betrifft, so ist ein Sintern nötig, um die komplett metallische Struktur zu erhalten. Die FDM-Methode wird unter anderem in der Raumfahrt und der Medizintechnik sowie in der Automobilbranche eingesetzt.
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Additive Fertigung #6: BJ – Binder Jetting
Beim Binder Jetting wird mit Metallpulver gearbeitet, das allerdings nicht verschmolzen, sondern verklebt wird. Nachdem die Pulverschicht aufgetragen ist, wird sie an den Stellen, die zum späteren Bauteil gehören, mittels eines Binders verklebt. Dabei funktioniert der Drucker ähnlich wie ein gewöhnlicher Tintenstrahldrucker. Anstelle der Tinte, befindet sich eben ein Klebstoff im Druckkopf. Zu den Materialien, die als Binder verwendet werden können, gehört zum Beispiel Kunstharz, doch auch wasserbasierte Binder sind gängig. Da das umgebende Pulver das Bauteil während des Verfahrens stützt, sind keine zusätzlichen Stützelemente vonnöten. Nach dem Herstellungsprozess muss der Binder entfernt und das Bauteil gesintert werden. Nur so erhält man ein einigermaßen festes Werkstück. Bei diesem Schritt der Nachbearbeitung ist jedoch mit Schrumpfungen unterschiedlichen Ausmaßes zu rechnen, weshalb Erfahrung nötig ist, um zufriedenstellende Bauteile per BJ herstellen zu können. Im Vergleich zu den übrigen vorgestellten Methoden ist das Binder Jetting ein recht altes Verfahren, das bereits in den 90er Jahren entwickelt wurde.
Additive Fertigung #7: NPJ – Nanoparticle Jetting
Nanoparticle Jetting wurde von dem israelischen Unternehmen XJet entwickelt und basiert auf der Tintenstrahltechnologie. In extrem feinen Schichten werden winzige Partikel, vermischt mit einem Bindemittel, auf eine Bauplattform aufgetragen, die auf fast 300 °C erhitzt wurde. Nach der Fertigstellung lässt sich die Stützstruktur in einer speziellen Flüssigkeit auswaschen – fertig. Das recht neue Verfahren wird derzeit weiterentwickelt, wobei der Fokus auf dem Metalldruck liegt. In der Zukunft sollen die Luftfahrt und die Medizintechnik zu den Hauptabnehmern zählen.
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