Neue Fertigungstechnologien haben das Potenzial, Produktionsprozesse zu revolutionieren oder die Herstellung innovativer Objekte zu ermöglichen. In der jüngeren Vergangenheit hat sich der 3D-Druck als eine solche Technik etabliert. Inzwischen entwickeln sich die additiven Fertigungsverfahren, zu denen auch der 3D-Druck zählt, immer stärker und geben neue Optionen in der Produktion. Vor allem für den Mittelstand und das Handwerk ist dies auch mit Chancen verbunden.
Das unterscheidet die additive Fertigung von traditionellen Herstellungstechniken
Bei den meisten klassischen Produktionstechniken handelt es sich um subtraktive Verfahren. Es wird also von einem Werkstück Material entfernt oder abgetragen, bis das gewünschte Ergebnis erreicht ist. Das ist beim Bohren von Holz beispielsweise genauso der Fall wie bei der Metallverarbeitung mit Fräsen.
Bei der additiven Fertigung wird das Endergebnis dagegen gezielt aufgebaut, indem ein Material Schicht für Schicht hinzugefügt wird. Dafür ist der bereits weit verbreitete 3D-Druck ein gutes Beispiel aus der Praxis. Oft kommt hier ein Polymer zum Einsatz, das in Form von dünnen Fasern als Ausgangsmaterial vorliegt. Eine bewegliche Düse im 3D-Drucker kann das Polymer durch Erwärmung in jede beliebige Form bringen.
Einsatzmöglichkeiten und Verfahrenstechniken der additiven Fertigung
Inzwischen gibt es eine Reihe von unterschiedlichen additiven Fertigungstechniken. Das beginnt beim 3D-Druck, der die wohl bekannteste Methode in dieser Kategorie ist. Der 3D-Druck ist gleichzeitig ein gutes Beispiel für die Entwicklungs- und Anpassungsfähigkeit der additiven Fertigung. Von kleinen Druckern, die kompakte Bauteile aus Polymeren erstellen, hat sich der 3D-Druck zu einer multifunktionalen Fertigungstechnik entwickelt. Inzwischen verarbeiten 3D-Drucker auch Keramik, verschiedene Metalle und auch Baumaterialien wie Sand oder Beton. Dementsprechend entstehen unterschiedlichste Bauteile mit dieser Technik – von Metallbauteilen für Maschinen bis hin zu gesamten Gebäuden. Das Spektrum an Materialien, die in additiven Fertigungsverfahren zum Einsatz kommen, wächst ständig. So kann auch Werkzeugstahl, Papier oder Acryl verarbeitet werden.
Im Bereich der Materialien gab es noch eine weitere Evolution. Die ersten Techniken basierten noch auf dem Einsatz eines einzelnen Ausgangsmaterials. Somit bestanden auch die fertigen Bauteile nur aus einem Material. Inzwischen gibt es Maschinen, die Multimaterialbauteile fertigen. Auf diese Weise lassen sich zwei oder mehr Materialien direkt in der Produktion kombinieren, was für noch mehr Flexibilität bei den Prozessen sorgt. In der Praxis gibt es beispielsweise bereits Fertigungsmechanismen für Multimaterialbauteile aus Keramik und Stahl.
Dafür existiert eine Reihe von Fertigungstechnologien. Anbei einige Beispiele für additive Fertigungstechniken, die sich bereits in der Praxis bewiesen haben.
Die Vorteile der additiven Fertigung
Die additive Fertigung bietet einige klare und interessante Vorteile gegenüber konventionellen Herstellungsverfahren. Das beginnt bei der Flexibilität. Die meisten dieser Fertigungstechniken sind digital gesteuert und greifen auf CAD-Modelle zurück. Das ermöglicht eine individuelle Programmierung. Im Vergleich zu klassischen Fertigungstechniken, bei denen zum Beispiel erst Gussformen erstellt werden müssen, ist eine Anpassung der Prozesse somit deutlich einfacher. Mit diesen Eigenschaften sind additive Fertigungstechniken besonders für die Produktion von Kleinserien oder sogar Einzelteilen geeignet. Gerade hier sind sehr niedrige Fertigungskosten möglich.
Daran schließt sich ein anderer Vorteil an, den so ebenfalls nur die additive Fertigung bietet. Ersatzteile lassen sich einzeln und individuell anfertigen. Das ist sogar direkt vor Ort möglich, sofern die technischen Möglichkeiten für die Fertigung vorhanden sind. So hat die additive Fertigung das Potenzial, Kosten im Bereich der individuellen Fertigung von Komponenten deutlich zu reduzieren. Gleichzeitig ist auch eine Beschleunigung der Vorgänge möglich. Das gelingt, da solche Teile nicht mehr zentral und weit entfernt in großen Mengen produziert werden müssen. Vielmehr ist es möglich, Komponenten und Bauteile direkt dort zu fertigen, wo sie benötigt werden. Das verkürzt die Lieferketten.
Damit geht ein gesenkter Energiebedarf in der Produktion einher. Nicht nur der Transport spart Energie, sondern auch die Fertigung selbst. Additive Fertigungsprozesse benötigen häufig deutlich weniger Energie als klassische subtraktive Verfahren. Dort wird oftmals mit hohen Temperaturen gearbeitet, und bei der Bearbeitung kommen ebenfalls Maschinen sowie Verfahren zum Einsatz, die viel Energie benötigen. In der Metallverarbeitung sind Schweißen und Walzen zwei gute Beispiele.
Ein interessanter Aspekt ist auch die Freiheit, die additive Fertigungstechnologien geben. Da die Produktion von Einzelstücken recht unkompliziert und zu geringen Kosten möglich ist, lassen sich neue Ideen und Designs einfach realisieren.
Mit ihren Eigenschaften sind die additiven Fertigungstechniken vor allem für den Mittelstand und das Handwerk interessant. In vielen Fällen liegt die Fertigung von bestimmten Objekten außerhalb der finanziellen Machbarkeit für kleinere Unternehmen. Die additive Fertigung kann dies ändern. Großinvestitionen in Maschinen und Anlagen zur Materialbearbeitung sind nicht erforderlich. 3D-Drucker und ähnliche Geräte sind deutlich günstiger und stellen vor allem weniger Anforderungen an die Produktionsflächen.
Auch die Fertigung der Teile erzeugt geringere Kosten, was für kleinere Betriebe durchaus ein Faktor sein kann. Außerdem decken die Geräte für die additive Fertigung deutlich größere Bereiche bei den Produktionsmöglichkeiten ab, während andere Maschinen oft auf die Herstellung eines bestimmten Objekts spezialisiert sind oder für jedes Produkt kostenintensiv modifiziert werden müssen.
Umweltfreundlich und effizient: So leistet die additive Fertigung einen Beitrag zur Nachhaltigkeit
Die Industrie sieht sich aktuell mit der Herausforderung konfrontiert, Produktionsprozesse nachhaltig und umweltfreundlich umzugestalten. Zu den Aufgaben, die im Rahmen der Klimaziele für 2050 anstehen, gehören vor allem eine CO₂-neutrale Produktion und eine Kreislaufwirtschaft. Somit ist es bereits in der Fertigung wichtig, den Energieverbrauch zu reduzieren und Abfallstoffe zu verhindern.
Die additive Fertigung optimiert besonders den Materialverbrauch. Bei den subtraktiven Fertigungstechniken fällt immer Reststoff als Abfall in der Produktion an. Abhängig von der Art des Materials lassen sich diese Abfallstoffe aus der Produktion besser oder schlechter recyceln. Das Spektrum reicht hier von Holzspänen bis hin zu Plastikfasern. Teilweise muss auch nach einer sinnvollen Zweiverwendung gesucht werden. So werden Reststoffe aus der holzverarbeitenden Fertigung zu Pellets oder zum Ausgangsstoff für die Produktion von Spanplatten. Bei additiven Fertigungstechniken entfällt dieses Problem vollständig. Lösungen für das Recycling sind nicht erforderlich, denn es wird nur die Menge an Material verarbeitet, die wirklich benötigt wird.
Ein weiterer Vorteil für die Umwelt sind die generativen Verfahren, die in der additiven Fertigung möglich sind. Das führt vor allem bei komplexen und großen Bauteilen zu einer Materialersparnis. Innenliegende Bereiche, die bei klassischen Fertigungen produktionsbedingt ebenfalls gefüllt sind, sind nun hohl. Das reduziert den Materialbedarf in der Produktion und gleichzeitig den Aufwand beim Transport.
Mit diesen Eigenschaften sind additive Fertigungstechnologien also auch unter dem Aspekt der Nachhaltigkeit interessant und leisten einen wichtigen Beitrag bei der Transformation zu umwelt- und klimafreundlicheren Fertigungstechniken.
