Subtraktive vs. Additive Fertigung
Im industriellen Umfeld wird zwischen zwei grundlegenden Fertigungsmöglichkeiten unterschieden: Der additiven und der subtraktiven Fertigung. Dieser Artikel erklärt die Unterschiede der beiden Verfahrenstechniken und geht auf deren Ablauf, Funktion, typische Anwendungsfälle sowie Vor- und Nachteile ein.
Funktionsweise Subtraktive Fertigung
Die subtraktive Fertigung wird als die klassische bzw. konventionelle Methode zur Bauteilherstellung gesehen. Dabei wird mittels kontrollierter Materialentfernung wie bspw. Dreh- oder Fräsprozessen ein meist quaderförmiges (Fräsen) oder rundes (Drehen) Ausgangsmaterial solange bearbeitet bis das gewünschte Werkstück übrigbleibt. Der Prozess startet mit den CAD Daten, eines am Computer entworfenen 3D Modells. Diese Daten müssen nun in einen für die Maschine lesbaren Code umgewandelt werden, indem festgelegt wird, in welcher Reihenfolge und mittels welcher Werkzeuge das Ausgangsmaterial wie bearbeitet werden muss. Nach dem Aufbereiten der Daten kann die Anlage gerüstet werden, sprich der Materialrohling muss eingelegt und gespannt, notwendige Trennwerkzeuge wie Fräser und Bohrer müssen bereitgestellt und die Fertigungsdaten müssen auf die Anlage gespielt werden.
Dadurch, dass bei deiner subtraktiven Fertigung das Bauteil aus dem runden oder quaderförmigen Grundmaterial herausgearbeitet wird, bleibt meist sehr viel von dem abgenommenen Material nach der Fertigung übrig. Das kann im Bereich der Metallzerspanung zum größten Teil wiederverwendet. In der Kunststoffzerspanung ist der Anteil, welcher entsorgt werden muss wesentlich höher. Es kommt darauf an, um welchen Kunststoff es sich handelt und ob dieser recyclebar ist oder nicht.
Funktionsweise Additive Fertigung
Der Ausgangspunkt in der additiven Fertigung ähnelt dem der subtraktiven Fertigung. Auch hier bilden die 3D Daten die Basis, welche ebenso für die Fertigung aufbereitet werden müssen. Beim 3D Druck erfolgt dies durch einen sog. „Slicer“, welcher das Bauteil vollautomatisch in einzelne Schichten zerlegt. Jede Schicht stellt dabei ein 2D Modell bzw. die Kontur des Bauteils in einer vorgegebenen Höhe dar. Mit diesen einzelnen Modellen kann ein 3D Drucker das Bauteil nun Ebene für Ebene aufbauen und diese miteinander verbinden. Die Summe aller verfestigten Einzelschichten stellen dann das finale Bauteil dar. Zwischen einem fertig geslicetem Baujob und der anschließenden Produktion liegt im Normalfall nur ein Knopfdruck, da keine Rüstvorgänge ausgeführt werden müssen.
Der Druckvorgang selbst kann sich je nach Technologie stark unterscheiden. Bei pulverbasierten Verfahren wie bspw. dem selektiven Lasersintern wird feinstes Kunststoffpulver mit einem Laserstrahl oder im Fall des HP Multi Jet Fusion Verfahrens durch eine Infrarotwärmequelle verschmolzen. Beim klassischen FDM Verfahren hingegen wird ein Materialstrang verflüssigt und dieser in der gewünschten Form auf eine Platte aufgetragen. Für mehr Informationen zu 3D Druck Verfahren und das 3D Bavaria Portfolio klicken Sie hier.
Anders als bei einer subtraktiven Fertigung wird bei der additiven Fertigung so gut wie möglich nur das Material verwendet, welches auch für das Bauteil selbst notwendig ist. Dadurch entsteht wesentlich weniger Abfall, was gleichzeitig die Umwelt schont.
Hybride Ansätze
Die beiden Fertigungsverfahren müssen sich allerdings nicht gegenseitig ausschließen. So gibt es genug Anwendungsfälle in denen beide Verfahren verwendet werden und sich perfekt ergänzen. Bspw. werden Metall-3D-Druck Bauteile sehr oft einer spanenden Nacharbeit unterzogen, um die bekannten Genauigkeiten oder Oberflächengüten einer konventionellen Fertigung stellenweise zu erhalten. Häufig spielt der 3D Druck auch in der Entwicklung eines Bauteiles eine große Rolle. Dadurch, dass ein 3D Drucker meist ohne lange Rüstzeiten auskommt und keine Formen oder ähnliches benötigt, kann innerhalb kürzester Zeit ein neues Bauteil erstellt werden. Diesen Vorteil machen sich viele Ingenieure zu nutzen, da sie die Entwicklungszeit von Optimierungs- bzw. Iterationszyklen wesentlich schneller als mit herkömmlichen Fertigungsmethoden durchlaufen können. Ist die finale Bauteilform gefunden kann entschieden werden, ob man mit einer 3D Druck Kleinserie und einhergehend geringem Risiko die Marktresonanz testet oder ob man zu konventionellen Herstellungsmethoden wechselt.
Gegenüberstellung Additive vs. Subtraktive Fertigung
Je nach Bauteilvolumen und Geometrie kann ein Bauteil einige Minuten bis hin zu mehreren Tagen Herstellungszeit benötigen. Dementsprechend ist es wichtig, die Vor- und Nachteile der unterschiedlichen Fertigungsarten zu kennen und wie sich diese auf Preis, Qualität und Eigenschaften auswirken. Mehr Informationen zur Preisgestaltung von 3DBAVARIA finden Sie in unserem Artikel “Wie werden 3D Druck Bauteile kalkuliert”. Eine Übersicht der wesentlichen Unterschiede haben wir unterhalb für Sie zusammengefasst:
Additiv
Grundprinzip
Einzelne Materialschichten werden zum gewünschten Bauteil zusammengefügt.
Equipment
Es werden Computer für die Erstellung eines 3D Modells sowie dessen Vorbereitung zum Druck verwendet. Die Herstellung erfolgt mit 3D Druck Anlagen.
Vor- und Nachteile
- Komplexe Geometrien können einfach produziert werden und erlauben daher große Konstruktionsfreiheiten
- Insgesamt sehr günstiger Prozess
- Kaum ungenutztes Material
- Wenig Ausschuss
- Besonders bei Prototypen sehr schnell, da kein Rüstvorgang notwendig ist. Die Herstellung großer Bauteile ist allerdings zeitintensiv.
- Kostengünstig sind aktuell nur Materialien mit niedrigem Schmelzpunkt verarbeitbar, wie etwa Kunststoffe.
- Durch den schichtweisen Aufbau entsteht meist eine raue Oberfläche, welche erst durch Nacharbeitsschritte veredelt werden kann
Anwendungen
- Durch seine Schnelligkeit im Rapid Prototyping unschlagbar.
- Kleinserien, welche den Einsatz von Spritzguss nicht rechtfertigen oder durch die Bauteilgeometrie mittels einer subtraktiven Fertigung nicht kostengünstig abbildbar ist.
- Komplexe Geometrien mit bspw. Hinterschnitten, Leitungen o.ä.
Subtraktiv
Grundprinzip
Das Ausgangsmaterial wird Stück für Stück abgetragen, um das gewünschte Bauteil zu erhalten.
Equipment
Es werden Computer für die Erstellung eines 3D Modells eingesetzt. Die maschinelle Bearbeitung wird durch diese ebenfalls vorbereitet und kann z.B. durch Roboter unterstützt werden.
Vor- und Nachteile
- Alle festen Materialien unabhängig deren Schmelzpunkte können verarbeitet werden
- Wesentlich isotropere Materialeigenschaften
- Von rau bis glatt sind unterschiedlichste Oberflächen realisierbar
- Stark eingeschränkte Herstellungsprozesse erlauben viel weniger Konstruktionsfreiheiten
- Generell wesentlich teurer als die additive Fertigung
- Abfallprodukte wie Späne und Kühlmittel
- die Vorbereitungszeit – insbesondere bei einzelnen, kleinen Bauteilen – verlangsamt die Fertigung. Die tatsächliche Herstellung kann als schnell angesehen werden
Anwendungen
- Bauteile, an denen enge Toleranzen oder Bauteilgeometrien eingehalten werden müssen.
- Metallbauteile, welche hohen Belastungen standhalten müssen.
- Große Bauteile mit vergleichsweise simplen Geometrien.
Fazit
Beide Fertigungsarten haben auf ihre Weise die Herstellung von Produkten beeinflusst und gar revolutioniert. Zusammenfassend muss angemerkt werden, dass man immer genau beurteilen sollte, welche Methode die passende für ein bestimmtes Produkt/Bauteil ist. Hierfür sind alle Einflüsse wie Stückzahlen, Anforderungen und Kosten einzubeziehen, um das wirtschaftlichste Vorgehen zu erörtern.