Additive Fertigungstechnologien

Das Aufkommen von immer erschwinglicheren und leicht zugänglichen digitalen Technologien hat in den letzten Jahren zur vierten industriellen Revolution geführt, die gemeinhin als Industrie 4.0 bezeichnet wird und bei der die gesamte Wertschöpfungskette eines Unternehmens ständig überwacht wird, so dass sie optimiert ist und bei Anomalien sofort eingegriffen werden kann.

Ein Schlüsselelement der gegenwärtigen industriellen Revolution ist die Flexibilität des Produktionssystems. Unter den vielen Technologien, die ihre Entwicklung ermöglicht haben, spielen die Produktionsverfahren der Additiven Fertigung (Additive Manufacturing) eine Schlüsselrolle in der erforderlichen Flexibilitätslandschaft.

Ursprünglich für die schnelle Herstellung von kostengünstigen Prototypen verwendet, daher auch die ursprüngliche Bezeichnung "Rapid Prototyping", haben sich die additiven Fertigungstechnologien so weit entwickelt, dass sie auch für die Herstellung von Fertigprodukten eingesetzt werden können, was zur Entstehung einer Norm durch ASTM International für ihre Klassifizierung führte (ASTM F2792 12a).

Im Gegensatz zu den traditionellen, subtraktiven, verformenden und schmelzenden Fertigungstechnologien besteht das Grundkonzept der additiven Fertigung darin, das Bauteil durch schichtweises Hinzufügen des Materials zu erzeugen, bis die gewünschte Form und Größe erreicht ist. Diese Schichten können mit verschiedenen Technologien erstellt werden, die die Norm in sieben verschiedene Familien unterteilt:

1. Bei der Stereolithografie, die für Harze verwendet wird, wird die Schicht mit Hilfe einer Lichtquelle ausgehärtet.
2. Bei der Extrusion, die für Kunststoffe, Verbundwerkstoffe und Biomaterialien verwendet wird, werden die Schichten durch Extrudieren des Materials aus einer Düse aufgebracht. Wenn mehrere Düsen vorhanden sind, können Objekte aus verschiedenen Materialien hergestellt werden.
3. Beim „Material Jetting“ werden Materialschichten in Form von Tröpfchen aufgebracht, die schnell erstarren. Die Verfestigung kann durch einfaches Abkühlen bei Harzen oder metallischen Werkstoffen oder durch Photopolymerisation bei Polymeren erfolgen.
4. Beim „Binder Jetting“ wird der Klebstoff in jede einzelne Schicht des Pulvers in den gewünschten Bereichen gegossen. Die nächste Pulverschicht wird dann mit einem neuen Klebstoffstrahl aufgetragen, bis das Endprodukt erreicht ist. Diese Technik wird vor allem bei Gips-, Sand- und Metallobjekten eingesetzt.
5. Das Pulverbettschmelzen, das für Kunststoffe, keramische Werkstoffe und insbesondere Metalle verwendet wird, besteht aus einer Abfolge örtlich begrenzter Schmelz- und Erstarrungsprozesse der Pulver. Das lokale Schmelzen wird durch hochenergetische Laser- oder elektronische Strahlen auf die gewünschten Punkte erreicht.
6. Bei der direkten Energieabscheidung werden ebenfalls Hochleistungsstrahlen verwendet, aber in diesem Fall wird die Schicht des Zusatzwerkstoffs, in der Regel Metall, direkt im gewünschten Bereich positioniert und erhitzt.
7. Das letzte klassifizierte Verfahren, das bei Verbundwerkstoffen und Papier zum Einsatz kommt, ist die Laminierung, bei der Materialbahnen zusammengeklebt oder verschweißt werden.

Vorteile und Limits der Additiven Fertigung

Neben der extremen Vielfalt der zu verarbeitenden Materialien begründen weitere Faktoren den enormen Einfluss dieser Technologien auf die Produktion der Unternehmen in den letzten Jahren. Dazu gehören die einfache Herstellung komplexer Formen, die mit herkömmlichen Verfahren nicht erreicht werden können, die Möglichkeit, das Produkt individuell zu gestalten, und die Verringerung der Anzahl der Bauteile und ihrer Verbindungen bei gleichen Kosten. Außerdem fällt bei der Verarbeitung nur wenig Abfall an, was ebenfalls gut für die Umwelt ist, da die Produktion nachhaltiger ist.

Trotz des weit verbreiteten Einsatzes der additiven Technologien gibt es im Vergleich zu konventionellen Verfahren immer noch Einschränkungen wie längere Produktionszeiten, Genauigkeit, Oberflächenqualität und kleinere Losgrößen.

Diese Einschränkungen können durch Forschungsarbeiten zur Optimierung der Prozessparameter, zur Auswahl der am besten geeigneten Werkstoffe und zum gezielten Design der durch additive Fertigung hergestellten Bauteile überwunden werden. Das Forschungsteam für Industrie- und

Automatisierungstechnik an der Fakultät für Naturwissenschaften und Technik der Freien Universität Bozen befasst sich mit diesen Aspekten und steht für Kooperationen, Demonstrationen und Ausbildungsinitiativen zur Verfügung.

Autoren

Dr. Yuri Borgianni und Dr. Cristian Cappellini (Freie Universität Bozen)