1. Einführung additve Fertigung

Heutzutage sind additive Fertigungstechnologien fester Bestandteil moderner computergestützter Produktion. Bei allen additiven Fertigungsverfahren werden Bauteile durch das schichtweise Auftragen von Material in der x-y-Ebene erzeugt. Durch das Schichtbauprinzip in Z-Richtung entstehen daraus 3-dimensionale Bauteile. Die Genauigkeit der Modelle ist neben der Wahl des Verfahrens stark von der Zustellung in Z-Richtung abhängig. Je kleiner die Zustellung je Schicht, desto genauer wird das eigentliche Bauteil abgebildet. Der wesentliche Vorteil der additiven Fertigung ist, dass sehr komplexe Geometrien, die mit anderen Fertigungsverfahren wie z. B. der CNC-Technik nur sehr aufwendig oder gar nicht zu realisieren sind, problemlos zu fertigen sind. Dies resultiert darin, dass fertigungsbedingte Anpassungen von bestehenden Konstruktionen in der Regel wegfallen.

Ein weiterer Vorteil ist es, dass sich das STL-Dateiformat, auf Grund des simplen Aufbaus, zum weltweiten Standard in der additiven Fertigung etabliert hat. Demnach werden keine maschinenspezifische Datensätze benötigt. Die Datensätze werden dabei durch die sogenannte Triangulation aus dem CAD-Modell generiert. Dabei wird das Modell durch eine Vielzahl von Dreiecken angenähert. Auf Grund der Reduzierung des CAD-Modells auf die Koordinaten der Dreiecke wird außerdem Ihre Datensicherheit beim Austausch mit dritten (z. B. Dienstleistern) erhöht.

Je nach Verfahren können mit der additiven Fertigung Anschauungsobjekte, aber auch Serienreife Endprodukte hergestellt werden.

2. Im Folgenden werden die wichtigsten Prozesse der additiven Fertigung vorgestellt

2.1. Rapid Prototyping

Mit dem Rapid Prototyping bezeichnet man ein Verfahren, bei dem die additive Fertigung zum Einsatz kommt. Grundsätzlich zeichnet sich dieses Verfahren dadurch aus, dass diverse Modelle und Prototypen in kürzester Zeit hergestellt werden. Dabei weisen diese Bauteile absichtlich lediglich einzelne Eigenschaften und Merkmale des eigentlichen Endproduktes auf. Ziel ist es, möglichst frühzeitig ausgewählte Eigenschaften und Funktionen (Funktionsprototyp) bzw. visuelle Aspekte (Konzeptmodell) eines Produktes zu untersuchen bzw. abzusichern.

2.2. Rapid Manufacturing

Prinzipiell basiert dieses Verfahren auf derselben additiven Fertigungstechnologie. Anders als bei dem Rapid Prototyping besteht hierbei jedoch das Ziel, Produkte zu fertigen, dessen funktionale- und visuelle Eigenschaften dem Endprodukt entsprechen bzw. sehr nahe kommen. Neben der Fertigbarkeit des Produktes kann hier außerdem festgestellt werden, ob ein wettbewerbsfähiger Preis erzielt werden kann.

2.3. Rapid Tooling

Das Rapid Tooling lässt sich prinzipiell zum Rapid Manufactoring zuordnen, wobei sich das Rapid Tooling ausschließlich auf die additive Fertigung von Werkzeugeinsätzen und Formen eingrenzt. Demnach werden hierbei einsatzfähige Werkzeuge und dessen Komponenten generativ gefertigt, wobei auch hier die Schnelligkeit ein wichtiger Faktor ist.

Die Schnelligkeit ist jedoch bei all den 3 Verfahren relativ und kann nicht pauschalisiert werden. Die Schnelligkeit hängt enorm von der Geometrie des Bauteils ab. Oft macht der Einsatz dieser Technologien dann Sinn, wenn für die Herstellung eines Bauteils normalerweise die Konstruktion und Fertigung diverser Werkzeuge nötig wäre.

Es gibt diverse Technologien zur Erzeugung der Schichten im Fertigungsprozess, die sich grundsätzlich in den physikalischen Prinzipien unterscheiden. Da unsere Hauptbranchen aus der Metallindustrie kommen, haben wir uns auf folgende Verfahren spezialisiert:

3. Verfahren bei Sinotec

3.1. Selektives Laserschmelzen (SLM-Verfahren)

Das selektive Laserschmelzen wurde speziell für die Herstellung gasdichter metallischer Teile entwickelt. Bei diesem Verfahren wird auf die Baufläche eines SLM-Druckers Pulver verschiedener Materialien schichtweise aufgetragen, welches Schicht für Schicht mittels eines Laserstrahls örtlich aufgeschmolzen wird. In Folge der Wärmeabfuhr durch Wärmeleitung in das umgebende, nicht verschmolzene Pulver, erstarrt das Material durch einen Phasenübergang. Es entsteht eine feste Schicht. Nach einer vordefinierten Absenkung der Baufläche der Maschine in Z-Richtung beginnt der Prozess von vorne.

Neben den mechanischen Belastbaren und gasdichten metallischen Teilen, die mit diesem Verfahren hergestellt werden können, stellt einen weiteren wesentlichen Vorteil des Verfahrens die Recycling Rate des Materials dar. Abgesehen von diversen Stützstrukturen wird bei diesem Verfahren nur so viel Material verwendet, wie viel das Volumen des Bauteils benötigt. Je nach Prozess der Aufbereitung des überschüssigen Pulvers kann dieses vollständig wiederverwendet werden.

3.2. Fused Layer Molding (FLM-Verfahren)

Das Verfahren Fused Layer Molding, auch bekannt als Fused Deposit Molding (FDM), ist ein thermisches Extrusionsverfahren, bei dem ebenfalls ein schichtweiser Auftrag auf die Baufläche in der x-y-Ebene erfolgt. Anders als bei dem SLM-Verfahren, werden hierbei Materialien mit einer geringen Wärmeleitfähigkeit durch eine beheizte Düse, in der das Material in den flüssigen Zustand gebracht wird, extrudiert und auf die Baufläche aufgetragen. Konstruktionsbedingt (Extrusionsbreite limitiert) sind bei diesem Verfahren nur mäßige Genauigkeiten zu erzielen. Ebenfalls Konstruktionsbedingt, können mit diesem Verfahren, wie bereits erwähnt, Materialien mit niedrigem Schmelzpunkt verwendet werden. Demnach werden mit diesem Verfahren fast ausschließlich nur Kunststoffe verarbeitet.

Ein wesentlicher Vorteil dieses Verfahrens und damit auch der ausschlaggebende Grund, warum wir dieses Verfahren in unserem Unternehmen nutzen, ist der verhältnismäßig einfache, schnelle und kostengünstige Fertigungsprozess, mit dem unsere Kunden in kürzester Zeit Anschauungsobjekte erhalten. Außerdem wird auch hier, ähnlich wie beim SLM-Verfahren, nur Material verwendet, welches abgesehen von den Stützstrukturen auch für das Modell benötigt wird. Mit der richtigen Wahl des Materials und diversen post-processing Maßnahmen können auch sehr gute Oberflächenqualitäten erzielt werden.

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