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Die additive Fertigung (AM), im Volksmund auch als industrieller 3D-Druck bekannt, ist ein Verfahren, bei dem dreidimensionale Objekte durch schichtweises Hinzufügen von Material auf der Grundlage digitaler 3D-Modelle hergestellt werden. Es handelt sich um eine Gruppe von Fertigungsverfahren, bei denen physische Teile Schicht für Schicht aus 3D-Modelldaten aufgebaut werden – im Gegensatz zu subtraktiven Verfahren, bei denen Material aus einem festen Block abgetragen wird.
Die additive Fertigung umfasst sieben Prozesskategorien, die in der Norm ISO/ASTM 52900 definiert sind und auf die wir in diesem Beitrag näher eingehen werden. Von diesen sieben Kategorien der additiven Fertigung setzen wir bei MX3D das ArcDED-Verfahren ein und liefern seit 2014 großformatige Metall-AM-Bauteile für Branchen wie Energie, Schifffahrt, Automobilindustrie, Verteidigung, Kunst & Design sowie Architektur. Dabei kommen unsere Metal AM M1- und MX-Systeme zum Einsatz, die mit robotergestützter WAAM-Technologie arbeiten.
Definition der additiven Fertigung
Die additive Fertigung (AM) umfasst eine Reihe von Fertigungsverfahren, bei denen physische Teile Schicht für Schicht anhand von 3D-Modelldaten aufgebaut werden – im Gegensatz zu subtraktiven Verfahren, bei denen Formen aus einem massiven Block herausgearbeitet werden. Sie ist in der Norm ISO/ASTM 52900 standardisiert, die sieben Prozesskategorien definiert, auf die später näher eingegangen wird.
Der Begriff „additiv“ wird verwendet, um zu verdeutlichen, dass dabei Material hinzugefügt wird, im Gegensatz zu „subtraktiven“ Verfahren, bei denen Material abgetragen wird. Die Begriffe 3D-Druck, Rapid Prototyping und digitale Fertigung werden oft synonym verwendet.
Additive Fertigung vs. 3D-Druck: Was ist der Unterschied?
Auch wenn die beiden Begriffe oft synonym verwendet werden, gibt es doch einen historischen Unterschied. Nach branchenüblicher Definition bezog sich „3D-Druck“ auf die Prototypenfertigung im Desktop-Bereich, während „additive Fertigung“ industrielle Prozesse im Großmaßstab und in Serienqualität bezeichnete
Heute werden die Begriffe von ISO/ASTM synonym verwendet. In der Praxis bleibt jedoch ein Unterschied bestehen: Ingenieure verwenden in der Regel den Oberbegriff „AM“, wenn sie Konstruktions- oder Fertigungsteile spezifizieren, während „3D-Druck“ der geläufige, allgemein verständliche Begriff bleibt. Damit ist die häufig gestellte Frage nach dem Unterschied zwischen 3D-Druck und additiver Fertigung geklärt.
Erfahren Sie mehr über die Unterschiede zwischen WAAM und Guss- sowie Schmiedeteilen.
So funktioniert die additive Fertigung
Unabhängig vom jeweiligen Material oder der jeweiligen Maschine folgt der AM-Prozess im Allgemeinen einem standardmäßigen fünfstufigen Arbeitsablauf:
Entwurf: Erstellung eines CAD-Modells oder Scans (STEP, STL, 3MF).
Schneidprogrammierung / Bahnplanung: Verwendung von Software wie MetalXL WAAM zur Umwandlung von Geometriedaten in Maschinenbefehle (G-Code oder Ähnliches).
Fertigungsverfahren: Die Maschine trägt das Material Schicht für Schicht auf, sintert oder härtet es aus, woraufhin ein vollständig gedrucktes Bauteil entsteht.
Nachbearbeitung: Aufgaben wie das Entfernen von Stützstrukturen, Wärmebehandlung, CNC-Bearbeitung und zerstörungsfreie Prüfung.
Qualifizierung: Prüfung des Bauteils anhand seiner Spezifikation, was Maß-, mechanische und chemische Prüfungen umfassen kann. Es ist wichtig zu wissen, dass unsere Werkstoffe bereits zuvor qualifiziert wurden und dass die Bauteile separat qualifiziert werden, um höchste Qualität zu gewährleisten.
Hinweis: Bei großen Metallteilen unterscheiden sich die Schritte 3 bis 5 erheblich vom Desktop-3D-Druck. Industrielle AM-Systeme wie WAAM sind integrierte Fertigungszellen mit Schweißstromquellen, Roboterbewegungen und Inline-Überwachung.
Die 7 Kategorien der additiven Fertigung
Die Norm ISO/ASTM 52900 unterteilt die additive Fertigung in sieben verschiedene Prozesskategorien. Ein Verständnis dieser Kategorien hilft dabei, zu klären, welche Technologie für bestimmte Materialien und Anwendungen geeignet ist.
| Kategorie | Prozessfamilie | Typische Materialien | Häufige Anwendungsbereiche |
| Binder-Jetting (BJT) | Flüssiges Bindemittel auf einem Pulverbett | Metall, Sand, Keramik | Sandgussformen, Metallprototypen |
| Direkte Energieabscheidung (DED) | Die gebündelte Energie schmilzt das aufgebrachte Material | Metalldraht oder -pulver | Großteile, Reparatur, Beschichtung (einschließlich WAAM) |
| Materialextrusion (MEX) | Durch die Düse extrudierter Thermoplast | Polymere, Verbundwerkstoffe | Prototypenbau, Polymerteile für den Endverbrauch |
| Material-Jet-Druck (MJT) | Durch UV-Licht ausgehärtete Photopolymer-Tröpfchen | Photopolymere, Wachse | Hochdetaillierte Prototypen, medizinische Modelle |
| Pulverbettfusion (PBF) | Pulver wird durch einen Laser- oder Elektronenstrahl geschmolzen | Metall, Polymer | Halterungen für die Luft- und Raumfahrt, medizinische Implantate |
| Folienkaschierung (SHL) | Die Platten werden verklebt und zugeschnitten | Papier, Metall, Verbundwerkstoff | Spezialwerkzeuge, Hybridteile |
| Wannen-Photopolymerisation (VPP) | UV-gehärtetes Harz in einem Behälter | Photopolymere | Schmuck, Zahnmedizin, Miniaturen |
Binder Jetting (BJT): Bei diesem Verfahren wird ein flüssiges Bindemittel auf ein Pulverbett aufgebracht. Es ist für seine Schnelligkeit bekannt und wird häufig für Sandgussformen und Metallprototypen eingesetzt.
Direkte Energieabgabe (DED): Nutzt gebündelte Energie, um Material wie Metalldraht oder Pulver beim Auftragen zu schmelzen. Zu dieser Kategorie gehört auch WAAM (Wire Arc Additive Manufacturing), eine Untergruppe der drahtbasierten DED-Verfahren. Es eignet sich ideal für große Bauteile, Reparaturen und das Auftragen von Beschichtungen. Erfahren Sie mehr in unserem Leitfaden zu Was ist WAAM?.
Materialextrusion (MEX): Dabei wird ein Thermoplast durch eine beheizte Düse extrudiert. Dieses Verfahren wird häufig für die Prototypenentwicklung und die Herstellung von Polymerteilen für den Endgebrauch aus Polymeren und Verbundwerkstoffen eingesetzt.
Material Jetting (MJT): Tröpfchen aus Photopolymer werden aufgebracht und durch UV-Licht sofort ausgehärtet. Dieses Verfahren wird für detailreiche Prototypen und medizinische Modelle unter Verwendung von Photopolymeren und Wachsen eingesetzt.
Pulverbettfusion (PBF): Bei diesem Verfahren wird Metall- oder Polymerpulver mithilfe eines Laser- oder Elektronenstrahls verschmolzen. Zu den gängigen Anwendungsbereichen zählen Halterungen für die Luft- und Raumfahrt sowie medizinische Implantate.
Folienlaminierung (SHL): Materialbahnen (Papier, Metall oder Verbundwerkstoffe) werden miteinander verbunden und anschließend zugeschnitten. Dieses Verfahren wird in der Regel für Nischenwerkzeuge und Hybridteile eingesetzt.
Wannen-Photopolymerisation (VPP): Ein flüssiges Photopolymerharz in einer Wanne wird selektiv durch UV-Licht ausgehärtet. Dieses Verfahren wird besonders gerne für Schmuck, dentale Anwendungen und Miniaturen eingesetzt.
Additive Fertigung vs. subtraktive Fertigung
Additive und subtraktive Fertigung ergänzen sich in der Regel eher, als dass sie miteinander konkurrieren. Tatsächlich durchlaufen die meisten industriell hergestellten AM-Teile (teilweise) eine subtraktive CNC-Endbearbeitung, um präzise Endtoleranzen zu erreichen. Bei der Entscheidung zwischen traditioneller Fertigung und additiver Fertigung gilt als gute Faustregel: Wenn ein Guss- oder Schmiedeteil anschließend ebenfalls CNC-bearbeitet werden muss, ist die additive Fertigung die bessere Alternative. Dies liegt insbesondere an der Verkürzung der Vorlaufzeit.
| Faktor | Zusatzstoff | Subtraktiv |
| Ausgangspunkt | 3D-Modell | Rohling oder Block |
| Materialverschwendung | ~5–10 % | 70–90 % |
| Werkzeugkosten | €0 | Vorrichtungen, Werkzeuge |
| Geometrische Freiheit | Hoch | Mittel |
| Oberflächenbeschaffenheit | Nachbearbeitung ist oft erforderlich | Hervorragender Zustand direkt nach der Bearbeitung |
| Lieferzeit für neue Teile | Tage | Wochen (falls Werkzeuge benötigt werden) |
| Am besten geeignet | Komplexe Geometrien, kleine bis mittlere Stückzahlen | Präzisionsmerkmale, hohe Stückzahlen |
Vorteile der additiven Fertigung
Die additive Fertigung bietet zwar erhebliche Vorteile, doch ist es wichtig zu verstehen, in welchen Bereichen sie ihre Stärken ausspielt und in welchen Fällen herkömmliche Verfahren besser geeignet sind.
Wichtigste Vorteile:
Gestaltungsfreiheit: Die additive Fertigung ermöglicht Topologieoptimierung, interne Kanäle und integrierte Baugruppen.
Geringerer Materialabfall: Der Materialabfall beträgt bei der additiven Fertigung in der Regel 5–10 %, bei der CNC-Bearbeitung hingegen 70–90 %.
Kürzere Vorlaufzeiten: Die Fertigung dauert nur Tage bis Wochen, während für Guss- oder Schmiedewerkzeuge Monate erforderlich sind.
On-Demand-/lokalisierte Fertigung: Beendet die Bindung an bestimmte Werkzeuge.
Teilekonsolidierung: Ein einziges gedrucktes Teil kann Baugruppen aus 250 Komponenten ersetzen.
Gewichtsreduzierung: Erreichbar durch den Einsatz von Gitterstrukturen und Topologieoptimierung.
Ersatzteile für ältere Geräte: Können ohne Formen hergestellt werden.
Digitale Lager: Für die Aufbewahrung von Ersatzteilen wird kein Lagerraum mehr benötigt. Starten Sie einfach einen neuen Druck, sobald ein neues Teil benötigt wird.
Einschränkungen und wann AM nicht die richtige Lösung ist
Die Einschränkungen variieren je nach Prozessfamilie erheblich. Zu den üblichen Einschränkungen gehören:
Bei industriellen Bauteilen ist fast immer eine Nachbearbeitung erforderlich.
Die Oberflächenqualität entspricht direkt nach dem Druck selten der Präzision der CNC-Bearbeitung. Dies kann jedoch auch bei der herkömmlichen Fertigung der Fall sein.
In regulierten Branchen oder in Branchen, in denen die Technologie noch eingeführt wird, kann die Zertifizierung und Qualifizierung einige Zeit in Anspruch nehmen
Die Wahl des Verfahrens ist von großer Bedeutung: So eignet sich beispielsweise WAAM für große Metallteile, PBF ist am besten für feine Details geeignet, und MEX wird in der Regel für die Prototypenfertigung aus Polymeren eingesetzt.
Industrielle Anwendungen nach Branchen
Die verschiedenen AM-Kategorien bedienen unterschiedliche Branchen entsprechend deren spezifischen Anforderungen an Material und Umfang:
Energie (Öl, Gas, Wind, Kernkraft): AM wird für große Druckkomponenten, Laufräder und Ersatzteile für ältere Infrastrukturen eingesetzt.
Schifffahrt: Zu den Anwendungsbereichen zählen Propeller, Ruderteile und Ersatzteile auf Abruf für Schiffe. Erfahren Sie mehr über WAAM im maritimen Sektor.
Verteidigung: Nützlich für die lokale Fertigung, Halterungen und Hochleistungslegierungen.
Architektur und Bauwesen: Setzt AM für Strukturknoten, Fassadenelemente und maßgeschneiderte Metallarbeiten ein.
Automobilindustrie: Nutzt AM vor allem für die Prototypenentwicklung, den Werkzeugbau und die Fertigung von Hochleistungsteilen in Kleinserien.
Welchen Platz nimmt WAAM in der AM-Landschaft ein?
Die Draht-Lichtbogen-Additive Fertigung (WAAM) ist der drahtbasierte Teilbereich der gerichteten Energieabscheidung (DED).
Beim Vergleich von DED-Verfahren wie WAAM mit der Pulverbettfusion (PBF) sind Größenordnung und Wirtschaftlichkeit die wichtigsten Unterscheidungsmerkmale. WAAM eignet sich hervorragend für die Großserienfertigung und ermöglicht den Druck von Bauteilen mit Abmessungen von 100 mm bis zu über 5 x 5 x 5 Metern. Das Verfahren erreicht Materialauftragsraten von 2 bis 15 kg/h, während PBF-Systeme typischerweise mit deutlich langsameren 0,1 bis 0,5 kg/h arbeiten.
Zudem verwendet WAAM handelsüblichen Schweißdraht (Kosten ca. 5–15 €/kg), was gegenüber atomisierten Metallpulvern (50–200 €/kg) einen enormen Kostenvorteil bei den Materialkosten bietet.
Wenn ein benötigtes Bauteil die Standardgröße einer PBF-Brennkammer überschreitet, wenn kurze Lieferzeiten entscheidend sind oder wenn die Rohstoffkosten den größten Teil des Budgets ausmachen, ist WAAM in der Regel das wirtschaftlich günstigste AM-Verfahren. MX3D hat sich seit 2014 auf die Lieferung dieser großformatigen Metall-AM-Bauteile für die Energie-, Schifffahrts-, Verteidigungs- und Architekturbranche spezialisiert.
Erfahren Sie mehr über die WAAM-Technologie, die wir bei MX3D einsetzen, und wie wir sie in unseren Produkten und Dienstleistungen nutzen, beispielsweise beim 24/7-Print-on-Demand mit unseren Metal AM M1- und MX-Systemen.
Häufig gestellte Fragen
Was ist additive Fertigung, einfach ausgedrückt?
Die additive Fertigung ist ein Fertigungsverfahren, bei dem ein physisches Bauteil Schicht für Schicht anhand eines digitalen 3D-Modells hergestellt wird, wobei Verfahren wie die Pulverbettfusion, die Materialextrusion oder das Lichtbogenschweißen zum Einsatz kommen. Es handelt sich dabei um die Fachbezeichnung für das, was gemeinhin als Metall-3D-Druck bezeichnet wird.
Was ist der Unterschied zwischen 3D-Druck und additiver Fertigung?
Auch wenn die beiden Begriffe oft synonym verwendet werden, bezieht sich der Begriff „3D-Druck“ historisch gesehen auf Desktop- oder Prototyping-Anwendungen, während der Begriff „additive Fertigung“ in der Regel industrielle Produktionsprozesse bezeichnet.
Welche 7 Kategorien der additiven Fertigung gibt es?
Die sieben in der Norm ISO/ASTM 52900 definierten Kategorien sind Binder Jetting (BJT), Directed Energy Deposition (DED), Material Extrusion (MEX), Material Jetting (MJT), Powder Bed Fusion (PBF), Sheet Lamination (SHL) und Vat Photopolymerization (VPP).
Was sind die wichtigsten Vorteile der additiven Fertigung?
Zu den wichtigsten Vorteilen zählen eine hohe Gestaltungsfreiheit, weniger Materialabfall (5–10 %), kürzere Vorlaufzeiten, die Konsolidierung von Bauteilen, Gewichtsreduzierung sowie die Möglichkeit, Ersatzteile für ältere Anlagen bedarfsgerecht herzustellen.
Wo wird die additive Fertigung in der Industrie eingesetzt?
Es findet breite Anwendung in verschiedenen Branchen, darunter Energie, Schifffahrt, Verteidigung und Luft- und Raumfahrt, Architektur und Bauwesen, Automobilindustrie sowie Medizin.
