Ressourceneffizienz durch additive Fertigung

Ressourceneffizienz durch Additive Fertigung

Die Anforderungen der Kunden an die Produzenten im BtB-Geschäft steigen durch den Wunsch nach immer neuen Anwendungen und Produktentwicklungen täglich. Aktuell ist dabei ein starker Trend zur Miniaturisierung festzustellen, und zwar nicht nur in der Elektro- und Elektronikindustrie, sondern auch in der traditionellen Mechanik, beispielsweise in der Medizin- und Dentaltechnik und in der Automobilindustrie. Benötigt werden komplexe und individuelle Mikroformteile, unter anderem auch für die Anwendung in Sensoren, Mikropumpen und mechanischen Übertragungselementen. Und das zudem oft in Kleinserienfertigung.  

Für solche Aufgaben bietet sich eine sogenannte Additive Fertigung (im englischen Additive Manufacturing, abgekürzt AM) an. Wie funktioniert nun dieser durchaus schon professionelle Herstellungsprozess?

Zu Beginn wird eine erste Schicht des formlosen oder formneutralen Materials auf die grundlegende Bauplattform aufgelegt. Durch einen physikalischen oder chemischen Prozess wird das Material genau auf die Stellen aufgebracht und fixiert, die die digitalisierten Konstruktionsdaten vorgeben. Im nächsten Schritt wird die Fertigungsplattform abgesenkt und es erfolgt ein weiterer Durchgang. So entsteht Schicht für Schicht das gewünschte Bauteil.

In Abhängigkeit vom verwendeten Werkstoff und der verfolgten Zielstellung stehen mittlerweile eine Vielzahl an unterschiedlichen Verfahren zur Verfügung, zum Beispiel die Stereolithografie, das Laser-Sintern, das Laser-Schmelzen oder der 3D-Siebdruck. Damit ist klar, dass die Additive Fertigung keine neue Erfindung ist. Das Additive Verfahren des Laser-Sinterns existiert beispielsweise schon seit mehr als 20 Jahren. So findet die Additive Fertigung auch schon seit Jahrzehnten Anwendung im Rapid Prototyping – also dem Bau von Anschauungs- und Funktionsprototypen in der Produktentwicklung. Denn dadurch lassen sich Innovationsprozesse entscheidend verkürzen.

Neu sind aber die Vielfalt der Anwendungsmöglichkeiten und die Professionalisierung. Aus Rapid Prototyping wird dadurch Rapid Manufacturing, das heißt der alltagstaugliche Einsatz in der Fabrik und damit in der Serienfertigung. Diese Produktionsmethode eröffnet so nicht nur großen OEM-Herstellern, sondern auch Zulieferern aus unterschiedlichsten Industriezweigen die Möglichkeit, sich am Markt zu differenzieren – im Hinblick auf neue Kundennutzen, Kostenreduktionspotenziale oder zum Erreichen von Nachhaltigkeitszielen.

Worin bestehen nun die Vorteile und woraus resultiert die Materialersparnis?

Zum einen wird das benötigte Werkstück nicht aus einem festen Block herausgefräst. Sondern durch den Aufbau von Schicht zu Schicht wird nur das Material eingesetzt, was am Ende im Werkstück enthalten ist. Zumindest wenn es gelingt, zu viel aufgetragenes Material wieder zu verwenden. Zum anderen werden keine speziellen Werkzeuge benötigt, die die jeweilige Geometrie des Werkstücks gespeichert haben, wie beispielsweise Gussformen. Additive Fertigung ermöglicht damit die Realisierung von Konstruktionen und Designs, die bislang undenkbar waren. Man spricht auch von einem „design-driven manufacturing process“, bei dem die Konstruktion die Fertigung bestimmt – und nicht umgekehrt. Darüber hinaus gestattet die Additive Fertigung nicht nur höchst komplexe Strukturen, sondern gleichzeitig auch extrem leichte undstabile. Sie gewährt also ein hohes Maß an Designfreiheit, Funktionsoptimierung und -integration, die Herstellung kleiner Losgrößen zu angemessenen Stückkosten und eine starke Individualisierung von Produkten, und das eben auch in der Serienfertigung. Ein weiterer Vorteil ist die dezentrale Fertigung gleicher Bauteile auf Knopfdruck sozusagen.

Geschickte Kombinationen erlauben zudem, funktionelle Schichten in die Werkstücke zu integrieren, wie beispielsweise Sensoren oder Speicherelemente, die im Zeitalter des Internets der Dinge immer relevanter werden. Problematisch waren und sind zum Teil die geringen Aufbaugeschwindigkeiten, die nur eine geringe Stückzahl pro Zeiteinheit zulassen. Durch höhere Leistungen der Verfahren wie beispielsweise die Lasertechnik steigt die Geschwindigkeit aber rapide an, und zwar ohne Einfluss auf zum Teil schon sehr geringe Fehlerraten. Dadurch steigen die Losgrößen, die wirtschaftlich gefertigt werden können. Die additive Fertigung entwickelt sich damit immer mehr zu einer breit einsetzbaren Produktionsvariante.