Generatives Fertigungsverfahren

Ein generatives Fertigungsverfahren ist ein spezielles Fertigungsverfahren, das sich anhand der in Deutschland etablierten Norm DIN 8580 tendenziell dem Bereich des Urformens zurechnen lässt. Bei generativen Fertigungsverfahren werden Körper durch Verbinden einzelner Materialschichten schrittweise aufgebaut. Die Konturgebung in die dritte Dimension erfolgt, indem die Form der Einzelschichten variiert wird. Durch die Aneinanderreihung der Schichten entsteht in Baurichtung ein Treppenstufeneffekt, der von der Dicke der einzelnen Schichten abhängt (Abbbildung 1).

Durch die Schichtbauweise können Produkte mit Geometrien realisiert werden, die mit klassischen Fertigungsverfahren nicht oder nur mit hohem Aufwand möglich wären. Aufgrund des nacheinander hinzugefügten Materials wird in der Praxis häufig synonym auch der Begriff additive Fertigungsverfahren verwendet. Durch die Ähnlichkeit einiger Verfahren mit Druckern, darunter die Pulver-Binder-Fertigungsverfahren, wird im allgemeinen Sprachgebrauch auch der Begriff 3D-Druck verwendet. Die Begrifflichkeiten im Bereich der generativen Verfahren werden jedoch häufig unterschiedlich ausgelegt.

Als typische Vorteile generativer Verfahren gelten insbesondere die geometrischen Konstruktionsfreiheiten, die in Aussicht stehenden Verbesserungen der Energie- und Ressourceneffizienz durch Einsparungen an Material und Gewicht, der Verzicht auf ein breites Spektrum an Bearbeitungswerkzeugen und -vorgängen sowie eine hohe Flexibilität bei der Herstellung oder Personalisierung der hergestellten Produkte. Demgegenüber fallen im Vergleich zu Großserien oder Massenproduktionen derzeit insbesondere relativ langwierige Fertigungsprozesse ins Gewicht, begrenzte Baugrößen, materialtechnische Beschränkungen sowie tendenziell hohe Kosten für Maschinen und Material.

Die generativen Fertigungsverfahren umfassen zahlreiche und sehr unterschiedliche Verfahren. Wesentliche ihrer Vertreter sind folgende Verfahrenstypen:

• Pulver-Binder-Fertigungsverfahren: Bei den Pulver-Binder-Verfahren werden Teile eines Pulverbetts schichtweise durch gezieltes Einbringen eines Binders zu einem Körper verfestigt.
• Sinterbasiertes Fertigungsverfahren: Diesen Verfahren liegt ebenfalls ein Pulverbett zu Grunde; allerdings bilden sich die Schichten, indem Teile des Betts aufgeschmolzen und so verfestigt werden.
• Fertigungsverfahren Lasergenerieren: Diese Verfahren ähneln den zuvor genannten Verfahren, statt der Verfestigung eines Pulverbettes wird das für den Schichtaufbau benötigte Material allerdings gezielt über eine Düse zugeführt.
• Stereolithographisches Fertigungsverfahren: Bei diesen Verfahren beruht die Schichtbildung auf einer gezielten Verfestigung von Kunststoffen durch Belichten.
• Schicht-Laminat-Fertigungsverfahren: Innerhalb dieser Gruppe werden Schichten oder Platten eines Materials zurechtgeschnitten und schichtweise beispielsweise durch Kleben zusammengefügt.
• Extrusionsbasiertes Fertigungsverfahren: Bei dieser Gruppe wird unter Wärmeeinwirkung verformbarer Kunststoff durch einen Extruder ausgebracht und zum Schichtaufbau verwendet.

In den unterschiedlichen Verfahren lassen sich vielfältige Materialien verarbeiten, darunter Metalle und Polymere aber auch Keramiken oder Papiere.

Grundlage für die Anwendung generativer Verfahren ist ein Computermodell des herzustellenden Objekts, dass dort in einzelne Schichten untergliedert wird. Auf Basis dieses Modells lassen sich sowohl Prototypen bzw. Modelle als auch Produkte herstellen. Die Herstellung von Prototypen und Modellen wird auch als Rapid Prototyping bezeichnet. Im Vordergrund des Rapid Prototyping steht die Herstellung eines Gegenstands, der einzelne Eigenschaften eines angestrebten Produkts veranschaulichen soll, allerdings meist nicht die Gesamtheit aller Eigenschaften des Produkts besitzt. Ein Beispiel wäre ein generativ gefertigter Prototyp einer Dachreling für ein Fahrzeug, um ihren Strömungswiderstand im Windkanal zu überprüfen. Darüber hinaus ist mit generativen Fertigungsverfahren auch die Herstellung von Produkten und Werkzeugen möglich. Entsprechendes wird auch Rapid Manufacturing genannt. Handelt es sich bei dem gefertigten Gut um ein Werkzeug, so spricht man aus historischen Gründen auch von Rapid Tooling. Das wesentliche Kennzeichen des Rapid Manufacturing besteht darin, dass die hergestellten Güter unmittelbar die Eigenschaften der angestrebten Endprodukte besitzen. Beispiele für entsprechende Produkte sind individualisiert gefertigte Hörgeräteschalen.

Synonym(e):

3D-Druck, Additives Fertigungsverfahren, Additive Fertigung, Generative Fertigung

Englische Übersetzung(en):

additive manufacturing