Additive Fertigungsverfahren erstellen Objekte, indem Sie Material Schicht für Schicht hinzufügen, während bei der subtraktiven Fertigung Material entfernt wird, um Teile herzustellen. Obwohl sich diese beiden Vorgehensweisen grundlegend unterscheiden, werden subtraktive und additive Verfahren oft parallel verwendet, weil sie für ähnliche Anwendungen eingesetzt werden.
Anfängern fällt es schwer, die Potentiale dieser unterschiedlichen Technologien für die Optimierung von Produktentwicklung und -fertigung abzuschätzen. Bei beiden Technologien haben Vorteile, die sie ihrem Pendant in bestimmten Fällen überlegen machen, beispielsweise für eine bestimmte Seriengröße oder eine bestimmte Stufe in der Produktentwicklung.
In diesem Leitfaden sehen wir uns die verschiedenen additiven und subtraktiven Fertigungstechniken und -anwendungen näher an und helfen Ihnen bei der Entscheidung, wie Sie sie für die Verfahren in Ihrem Unternehmen verwenden können.
Subtraktive Fertigung
Unter „subtraktive Fertigung“ werden verschiedene kontrollierte Fräs- und Materialentfernungsverfahren zusammengefasst, deren Ausgangsstoffe feste Blöcke oder Stäbe aus Metall, Kunststoff oder anderen Materialien sind, die geformt werden, indem Material durch Schneiden, Bohren und Schleifen abgehoben wird.
Diese Verfahren werden entweder von Hand durchgeführt, oder häufiger, durch eine numerische Steuerung (Computer Numerical Control, CNC).
Beim CNC dient ein virtuelles, mithilfe von CAD-Software erstelltes Modell als Input für die Fertigungsanlage. Eine softwaregestützte Simulation wird mit Nutzervorgaben kombiniert, um Werkzeugwege für das Schneidwerkzeug zu generieren. So erhält ein Teil die gewünschte Form. Diese Vorgaben leiten die Maschine dazu an, die notwendigen Schnitte, Kanäle, Löcher und anderen Merkmale zu erzeugen, für die Material abgehoben werden muss. Dabei werden die Geschwindigkeit des Schneidwerkzeugs sowie der Vorschub des Materials berücksichtigt. CNC-Anlagen fertigen Teile basierend auf computergestützten Fertigungsdaten (Computer-Aided Manufacturing, CAM), mit wenig oder ganz ohne menschliche Beihilfe.
Subtraktive Fertigungsverfahren werden für gewöhnlich eingesetzt, um Prototypen, Fertigungswerkzeuge oder fertige Teile aus Plastik oder Metall herzustellen. Sie eignen sich ideal für Anwendungen, die enge Toleranzen oder Geometrien erfordern, die sich nur schwer per Guss oder anderen konventionellen Fertigungsmethoden erzielen lassen.
Die subtraktive Fertigung bietet eine Fülle von Materialien und Bearbeitungsmethoden. Weichere Materialien sind leichter in die gewünschte Form zu fräsen, nutzen sich jedoch schneller ab.
Subtraktive Fertigungsverfahren
| Verfahren | Materialien |
|---|---|
| CNC-Bearbeitung (Drehen, Bohren, Fräsen, Gewindeschneiden) | Harte Thermoplaste, Thermosetkunststoffe, Weichmetalle, Hartmetalle (industrielle Anlagen) |
| Funkenerosion (Electrical Discharge Machining, EDM) | Hartmetalle |
| Laserschneiden | Thermoplaste, Holz, Acrylglas, Stoff, Metalle (industrielle Anlagen) |
| Abrasivwasserstrahlschneiden | Kunststoffe, Hart- und Weichmetalle, Stein, Glas, Verbundwerkstoffe |
Additive Fertigung
Im Gegensatz zum subtraktiven Verfahren, in dem Material aus einem größeren Block abgehoben wird, bauen additive Verfahren oder auch 3D-Druckverfahren Objekte Schicht um Schicht auf. Die jeweils nächste Ebene wird dabei mit der vorhergehenden verbunden, bis das Teil fertig ist.
Wie bei subtraktiven CNC-Werkzeugen werden auch bei der additiven Fertigung Teile aus CAD-Modellen erstellt. Die Vorbereitung von Modellen für den 3D-Druck mit Druckvorbereitungs- oder Slicer-Software ist größtenteils automatisiert, was das Einrichten von Fertigungsaufträgen maßgeblich erleichtert und im Vergleich zu CNC-Anlagen erheblich schneller macht. Je nach Technologie legt der 3D-Drucker Material ab, verschmilzt Pulver selektiv oder härtet Photopolymere, um basierend auf den CAM-Daten Teile zu erstellen. Die 3D-gedruckten Teile müssen für gewöhnlich gesäubert und nachbearbeitet werden, um Eigenschaften und Oberfläche zu vollenden, bevor sie benutzungsbereit sind.
Die additive Fertigung eignet sich hervorragend für eine Reihe von technischen und Fertigungsanwendungen wie die Prototypenentwicklung, die Werkzeugausstattung für die Fertigung und Gussmodelle sowie in der Fertigung für übergangsweise oder kleine Fertigungsserien und die kundenindividuelle Fertigung von fertigen Teilen. 3D-Drucker bieten Designfreiheit en masse und können komplexe Entwürfe fertigen, deren Herstellung mit anderen Fertigungsmethoden unmöglich oder extrem kostenspielig wäre.
Die häufigsten in der additiven Fertigung zur Anwendung kommenden Materialien sind Kunststoffe und Metalle. Desktop- und Benchtop-3D-Drucker stellen eine günstige Lösung zur Fertigung von Plastikteilen dar, während Metalle derzeit industriellen Anlagen vorbehalten sind.
Additive Fertigungsverfahren
| Verfahren | Materialien |
|---|---|
| Stereolithografie (SLA) | Verschiedene Harze (Duroplaste), belastbare, rigide, flexible, elastische, hitzebeständige, gußfähige (wachsartige) |
| Selektives Lasersintern (SLS) | Technische Thermoplaste wie Nylon |
| Schmelzschichtung (Fused Deposition Modeling, FDM) | Standardthermoplasten wie ABS, PLA und deren Mischungen |
| Material-Jetting | Verschiedene Harze (Duroplaste) |
| Bindemittel-Jetting | Gips (Vollton), Metalle |
| Selektives Laserschmelzen (Selective Laser Melting, SLM) oder direktes Metalllasersintern (Direct Metal Laser Sintering) | Weich- und Hartmetalle |
| Elektronenstrahlschmelzen | Weich- und Hartmetalle |
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Anwendungsgebiete subtraktiver und additiver Fertigungsmethoden
Zwar unterscheiden sich die subtraktive und die additive Fertigung maßgeblich voneinander, doch schließen sie sich nicht gegenseitig aus. In der Praxis werden sie häufig parallel auf verschiedenen Stufen der Produktentwicklung und in der Fertigung verwendet.
Bei der Prototypenentwicklung spielen beispielsweise häufig additive und subtraktive Verfahren synergetisch zusammen. Rudimentäre Konzeptmodelle und Prototypen lassen sich häufig mithilfe von additiven Fertigungsverfahren auf Basis von Kunstoffen wie Stereolithografie (SLA) oder selektivem Lasersintern günstiger und schneller herstellen. Der 3D-Druck bietet ein breites Angebot von Materialmöglichkeiten für die Herstellung funktionaler Kunststoffprototypen. Die additive Fertigung hat zudem den Vorteil, dass sie sich besser für kleinere Teile mit einem hochgradig komplexen oder filigranen Design eignet.
Wenn später im Entwicklungsprozess größere Serien erforderlich werden, sind subtraktive Verfahren oft im Vorteil. Auch größere, weniger komplexe Objekte lassen sich gut per subtraktiver Fertigung herstellen. Aufgrund der unzähligen möglichen Oberflächenbeschaffenheiten und der Fertigungsgeschwindigkeit werden fertige Teile häufig subtraktiv hergestellt. Da 3D-gedruckte Teile aus Metall häufig sündhaft teuer sind, sind subtraktive Verfahren mit Ausnahme der komplexesten Designs für Metallteile generell die bessere Wahl.
Bei der Fertigung ergänzen sich subtraktive und additive Verfahren häufig bei der Herstellung von Werkzeugausstattung, Vorrichtungen, Klammern, Formen und Modellen. Fertigungsunternehmen verwenden 3D-gedruckte Kunststoffteile häufig für schnelle, individuell angepasste oder Ersatzteile bzw. Teile, die in geringen Stückzahlen hergestellt werden. Subtraktive Metallverfahren kommen dagegen für größere Serien und Teile zur Anwendung, die stärker strapaziert werden.
Die Verwendung von additiven und subtraktiven Fertigung führt zu einem Hybridverfahren. So können Produktentwickler und Fertigungsunternehmen die Vielseitigkeit und Anpassungsfähigkeit der additiven Fertigung mit der Belastbarkeit subtraktiv hergestellter Teile kombinieren.
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Additive vs. subtraktive Systeme
Additive und subtraktive Technologien sind in verschiedenen Größenordnungen, zu unterschiedlichen Kostenpunkten und einem vielseitigen Funktionsangebot verfügbar, beispielsweise sowohl als Desktopsysteme wie auch als große Industrieanlagen. Letztlich sollten Sie die Technologie wählen, die am meisten Sinn für die Bedürfnisse und Anwendungsbereiche Ihres Unternehmens macht.
| Additive Fertigung | Subtraktive Fertigung | |
|---|---|---|
| Gerätekosten | Professionelle Desktop 3D-Drucker sind für Kunststoffe ab 3500 USD erhältlich. Große industrielle Anlagen für Metalle beginnen bei einem Kostenpunkt von etwa 400 000 USD | Kleinere CNC-Anlagen für Werkstätten sind ab etwa 2000 USD erhältlich. Fortgeschrittenere Anlagen für Werkstätten kosten je nach Anzahl von Schnittachsen, technischen Spezifikationen, Teilgröße und der erforderlichen Werkzeugausstattung für bestimmte Materialien weit mehr als das. |
| Schulung | Desktop-Drucker werden häufig nach dem Prinzip „Plug and Play“ designt und erfordern geringfügige Schulung zu Einrichtung, Wartung, Maschinenbetrieb und Nachbearbeitung. Industrielle Systeme zur additiven Fertigung erfordern speziell ausgebildete Fachkräfte und umfangreiche Schulungen. | Kleinere CNC-Anlagen erfordern moderate Schulung zu Software, Auftragseinrichtung, Wartung, Maschinenbetrieb und Nachbearbeitung. Große industrielle Systeme zur subtraktiven Fertigung erfordern speziell ausgebildete Fachkräfte und umfangreiche Schulungen. |
| Anlagenanforderungen | Desktop-Anlagen eignen sich für Büros und Benchtop-Systeme für Werkstätten mit mittlerem Platzangebot. Industrielle 3D-Drucker erfordern häufig speziell dafür ausgewiesene Räumlichkeiten mit HKL-Kontrolle. | Kleinere CNC-Anlagen eignen sich für Werkstätten. Industriesysteme erfordern größere, speziell dafür abgestellte Räumlichkeiten. |
| Zusatzeinrichtung | Werkzeuge (und teilweise automatisierte) Systeme für Säuberung, Waschen, Nachhärten und Nachbearbeitung, je nach Verfahren. | Verschiedene Werkzeuge. Fortgeschrittenere Systeme automatisieren Verfahren wie den Wechsel von Werkzeugen, Löschen und Verwalten von Chips und das Management der Kühlflüssigkeit. |
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