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Generative Fertigungsverfahren bzw. Additive Fertigung – englisch: Additive Manufacturing (AM) – ist eine umfassende Bezeichnung für alle Verfahren zur schnellen und kostengünstigen Fertigung von Modellen, Mustern, Prototypen, Werkzeugen und Endprodukten. Diese Fertigung erfolgt direkt auf der Basis der rechnerinternen Datenmodelle (Übergabe meist über die STL-Schnittstelle) aus formlosem (Flüssigkeiten, Gelen/Pasten, Pulver u. ä.) oder formneutralem (band-, drahtförmig, blattförmig) Material mittels chemischer und/oder physikalischer Prozesse. Obwohl es sich oft um formende Verfahren handelt, sind für ein konkretes Erzeugnis keine speziellen Werkzeuge erforderlich, die die jeweilige Geometrie des Werkstückes gespeichert haben (zum Beispiel Gussformen).
Einteilung der generativen Verfahren
Die unterschiedlichen Verfahren sind z. B. Pulverbettverfahren, Freiraumverfahren, Flüssigmaterialverfahren und andere Schichtbauverfahren, die teilweise dem 3D-Druck ähneln. Zu unterscheiden sind die Verfahren auch nach dem Material - d.h. Kunststoff, Metall und Keramik. Oft werden im Laufe eines Produktionsprozesses verschiedene Verfahren angewandt. Außerdem werden Verfahren in Hybridmaschinen eingesetzt, die generative Verfahren beispielsweise mit spanabhebenden Verfahren kombinieren. Dazu gehören Maschinen der Firmen DMG Mori und Hermle, welche Laserauftragschweißen bzw. das Metall-Pulver-Auftragverfahren mit Fräsverfahren verbinden und die Bearbeitung eines Werkstückes in einer Aufspannung ermöglichen. Die Bearbeitung in einer Aufspannung bedeutet, dass das Werkstück nur einmal in der Maschine eingespannt/befestigt werden muss, obwohl es mit mehreren Werkzeugen bearbeitet wird. Jede Übergabe an ein anderes Spannwerkzeug kann mit dem Risiko verbunden sein, dass die geforderte Genauigkeit bzw. die zulässigen Toleranzen nicht mehr eingehalten werden.
In Anlehnung an die DIN 8580 kann folgende Einteilung vorgenommen werden:
• Fertigung aus dem flüssigen Zustand (z. B. Stereolithografie)
• Fertigung aus dem plastischen Zustand (z. B. Fused Deposition Modeling, 3D-Druck)
• Fertigung aus dem körnigen oder pulverförmigen Zustand
Zu den Pulverbettverfahren können gezählt werden:
• selektives Laserschmelzen (SLM),
• selektives Lasersintern (SLS),
• Selective Heat Sintering (SHS),
• Binder Jetting (Verfestigen von Pulvermaterial mittels Binder)
• Elektronenstrahlschmelzen (Electron Beam Melting = EBM)
Zu den Freiraumverfahren können gezählt werden:
• Fused Deposition Modeling (FDM oder auch Fused Filament Fabrication (FFF)),
• Auftragschweißen bzw. Cladding,
• Wax Deposition Modeling (WDM),
• Contour Crafting,
• Metall-Pulver-Auftragsverfahren (MPA) ,
• Kaltgasspritzen und
• Elektronenstrahlschmelzen (Electron Beam Welding = EBW).
Zu den Flüssigmaterialverfahren können gezählt werden:
• Stereolithografie (SLA) + Mikro-SLA,
• Verfahren, welche Digital Light Processing (DLP) zur Belichtung nutzen und
• Liquid Composite Moulding (LCM).
Andere Schichtbauverfahren:
• Laminated Object Modelling (LOM),
• 3D-Siebdruck von Metallen und
• Lichtgesteuerte Elektrophoretische Abscheidung
Besonderheiten der generativen Verfahren
Der Einsatz dieser Verfahren erfolgt bei der parallelen Fertigung sehr kleiner Bauteile in größeren Stückzahlen, für Unikate bei Schmuck oder in der Medizin- und Dentaltechnik, sowie der Kleinserienfertigung oder Einzelfertigung von Teilen mit einer hohen geometrischen Komplexität, auch mit zusätzlicher Funktionsintegration.
Im Gegensatz zu Urformen, Umformen oder subtraktiven Fertigungsverfahren (Trennen) erhöht sich bei generativen Fertigungsverfahren die Wirtschaftlichkeit mit steigender Komplexität der Bauteilgeometrie.
In den letzten Jahren wurden die Anwendungsgebiete für diese Fertigungsverfahren, die sich am Anfang auf das Herstellen von Modellen und Prototypen – daher der Begriff Rapid Prototyping – konzentrierten, auf weitere Felder ausgedehnt. Dazu zählen:
• der Einsatz als Prototyp: Rapid Prototyping,
• der Einsatz als Werkzeug: Rapid Tooling und
• der Einsatz als Fertigteil: Rapid Manufacturing.
In Verbindung mit weiteren modernen Technologien wie zum Beispiel dem Reverse Engineering (Digitalisieren), dem CAD, sowie heutigen Verfahren des Werkzeugbaues wird die Verfahrenskette innerhalb der Produktentwicklung auch als Rapid Product Development bezeichnet. Weiterhin wird durch die digitale Schnittstelle generativer Fertigungsmaschinen und deren automatisierter Fertigungsprozess eine dezentrale Produktion ermöglicht (Cloud Producing).
Kombinierte Verfahren ermöglichen die werkzeuglose Produktion von Mikrobauteilen, Fluidik und Mikrosystemen. Über Fotopolymerisation werden auf Kunststoffen basierte Mikrobauteile hergestellt. Metallische und andere funktionelle Schichten werden direkt strukturiert und schichtübergreifend integriert. Elektronische Bauelemente, wie Prozessoren, Speicherelemente, Sensoren, passive Bauteile und Energiespeicher werden im Stack oder lateral eingebaut und parallel kontaktiert.
Ein Statusbericht der VDI-Gesellschaft Produktion und Logistik (GPL) vom September 2014 zu 3D-Druck bzw. den additiven Fertigungsverfahren bietet eine allgemeine Orientierung.
Quelle: Wikipedia