3D-Druck im Vergleich zu konventionellen Fertigungsverfahren

Ein, prominentes Verfahren, in Bezug auf seine Technologie, ist die Fused Filament Fabrication (FFF) Technologie. Prominent deswegen, da die Funktionsweise der allgemeinen Vorstellung von 3D-Druck sehr nahekommt. Das generative Verfahren schmilzt dabei einen Kunststoff, welcher als Filament vorliegt, und trägt diesen durch gezielte gesteuerte Bewegungen der Druckdüse in verschiedenen Schichten auf der Bauplattform auf, um so ein Bauteil zu erzeugen. Das ursprünglich für private Anwender konzipierte Verfahren wurde durch die Druckbarmachung von Hochleistungspolymeren, wie sie in industriellen Anwendungen eingesetzt werden, zu einem Fertigungsverfahren für die Industrie weiterentwickelt. Ein Vorreiter auf diesem Gebiet ist die Apium Additive Technologies GmbH, welche als erstes Unternehmen den Hochleistungskunststoff PEEK (Polyetheretherketon) als Filament entwickelt und mit einem selbst hergestellten 3D-Drucker verarbeitet hat.

Aufgrund der Präsenz der konventionellen Fertigungsverfahren CNC-Fräsen und Spritzguss, sollte mit diesen Verfahren der Vergleich gezogen werden, um die Besonderheiten des Fused Filament Fabrication Verfahrens zu identifizieren. Um Anwendungsgebiete für die 3D-Druck-Technologie zu bestimmen, ist dabei ein Vergleich verschiedener Eigenschaften, die für die Fertigung von Teilen relevant sind, notwendig. Entscheidende Eigenschaften sind hier neben der Qualität der Teile vor allem auch die Herstellungszeiten, Möglichkeiten zur Realisierung verschiedenster Geometrien, Handhabung und Kosten für Anschaffung, Material und Wartung.

Ohne Zweifel liefert der Spritzguss die schnellsten Herstellungszeiten, bezogen auf Stückzahl pro Minute. Allerdings darf hier die Zeit für die Vorbereitung, bzw. das Designen, und die Herstellung der Gussform nicht außer Acht gelassen werden. Im Vergleich dazu liegt die reine Herstellungszeit für ein 3D-gedrucktes Teil zwar ungleich höher, die Herstellung bedarf allerdings keiner Vorbereitungszeit, da lediglich die Datei des Bauteils eingelesen werden muss. Zeiten wie das Aufheizen der Druckdüse oder des Druckbetts können vernachlässigt werden. Hier spielt der 3D-Druck auch eine seiner Stärken aus. Für kleine Stückzahlen oder individuelle Teile ist er deutlich wirtschaftlicher als das Spritzgussverfahren, welches sich aufgrund der teuren Gussformen erst ab größeren Mengen rechnet.

Ein Vergleich in Bezug auf Realisierung verschiedener Geometrien fällt ebenfalls zugunsten des Fused Filament Fabrications aus. Auch wenn, bspw. mit CNC-Fräsen, sehr viel möglich ist. Allein durch die Notwendigkeit, dass das Bauteil öfter umgespannt werden muss um die entsprechende Geometrie zu erhalten lässt den 3D-Druck vorteilhafter dastehen. Hohlräume lassen sich zudem nur mit 3D-Druck realisieren. Außerdem spielt hier auch das Thema der Kosten eine wichtige Rolle. Eine zerspanende Fertigungsmethode wird im Vergleich zur additiven Fertigungstechnologie immer deutlich höhere Materialkosten aufweisen. Ein Beispiel liefert der Leichtbauwinkel aus Abbildung 1.

Hergestellt mit einem 3D-Drucker wird lediglich das Material eingesetzt, welches im Bauteil benötigt wird, eine CNC-Fräse allerdings bearbeitet ein Halbzeug mit den Maßen des gezeigten Winkels und fräst die Form anschließend heraus. Dadurch entstehen zum einen höhere Materialkosten für die Anschaffung des Halbzeuges, aber auch für das Recyceln oder gar Entsorgen der Späne. Der 3D-Druck ermöglicht es in diesem Fall ein Bauteil nicht nur günstiger, sondern auch leistungsstärker herzustellen, da mit diesem Design Gewicht gespart werden kann, bei gleichbleibender Belastbarkeit. Generell lassen sich mit der Fused Filament Fabrication Technologie Kosten einsparen, da sowohl Anschaffung eines FFF 3D-Druckers als auch Wartung, gemessen am Industrieumfeld, deutlich geringer ausfallen als bei anderen Fertigungsverfahren.

Lediglich bei der Qualität der gefertigten Teile müssen bislang Abstriche in Kauf genommen werden. Diese beziehen sich allerdings nicht auf Eigenschaften wie Zugfestigkeit, diese liegt auf Spritzgussniveau, dem industriellen Maßstab für diese Werte. Bezogen auf die Oberflächenqualität unterliegt die additive Fertigung den beiden konventionellen Methoden Spritzguss und CNC-Fräsen jedoch noch. Allerdings besteht die Möglichkeit die 3D-gedruckten Teile nachzubearbeiten um die geforderte Oberflächenqualität zu erzielen.

Pluspunkte kann das generative Verfahren FFF im Bereich der Handhabung sammeln. Es lässt sich so einfach wie kein anderes Fertigungsverfahren bedienen, da, mit entsprechenden Parametersets für die Materialien und der Bauteildatei, der Druck direkt gestartet werden kann. Dennoch wird auch hier eine gewisse Einarbeitungszeit benötigt um die Bauteile mit der optimalen Qualität zu fertigen. Verglichen mit der Einarbeitungszeit für eine CNC-Fräse oder Spritzgussmaschine fällt diese aber sehr gering aus. Allerdings wird ein Umdenken in Bezug auf das Designen der Teile benötigt, da mit generativen Verfahren organische Strukturen deutlich einfacher und besser zu fertigen sind als solche mit Ecken und Kanten.

Verglichen mit den konventionellen Verfahren besitzen additive Technologien zwar keine Position, in welcher sie die klassischen Verfahren auf Dauer komplett ablösen können, allerdings werden sich für einzelne Anwendungsgebiete wie Prototyping oder individuelle Kleinserien mit neuen Geometrien additive Verfahren herauskristallisieren. Zusätzlich lassen sich 3D-Druck-Technologien auch in den Produktionsprozess konventioneller Methoden einbinden. Bspw. zur Fertigung von Halbzeugen für das CNC-Fräsen, oder zur Herstellung von Gussformen für den Spritzguss, um das Design auf Fehler zu testen oder für die Kleinserienproduktion einzusetzen.