3D-Druck heute und in Zukunft: Wie additive Fertigung die Produktion verändert
Der 3D-Druck schafft neue Möglichkeiten in der Gestaltung komplexer Bauteilgeometrien. Die Verfahren des »metallischen 3D-Drucks« sind von der Nischentechnologie zum integralen Bestandteil moderner Fertigungsprozesse geworden. Als zukunftsweisende Ergänzung zu konventionellen spanenden Bearbeitungstechnologien werden 3D-Druckverfahren somit zunehmend relevanter – eine zentrale Entwicklung im Kontext von Industrie 4.0. Unternehmen wie DMG MORI haben das Potenzial der 3D-Druck-Technologien für die Produktion der Zukunft erkannt.
Additive Fertigung (3D-Druck) und subtraktive Fertigung im Vergleich: Bei der subtraktiven Fertigung wird – etwa durch Fräsen, Drehen oder Schleifen – Material spanend entfernt, um ein Bauteil in der gewünschten Geometrie herauszuarbeiten. Die additive Fertigung hingegen folgt einem völlig anderen Prinzip. Auf einem professionellen Metall-3D-Drucker entsteht das Bauteil durch den schichtweisen Aufbau direkt aus den digitalen 3D-Daten des Modells. Dieses Grundprinzip ist bis heute die technologische Basis aller modernen 3D-Druckverfahren. Der Übergang zum 3D-Druck ist ein zentraler Schritt in der industriellen Produktion – hin zu flexibleren, effizienteren und individuell anpassbaren Fertigungsverfahren.
Metall-3D-Druckverfahren als Schlüsseltechnologien
Laserauftragsschweißen (DED): additives Verfahren mit hoher Aufbaurate
Ein frühes und bis heute hochrelevantes Verfahren im Bereich der additiven Fertigung ist das Laserauftragsschweißen, das zur Verfahrensgruppe der Directed Energy Deposition (DED) zählt. Über eine koaxiale Pulverdüse wird Metallpulver in einen Laserstrahl eingebracht, der es punktgenau verschmilzt. Dieses Verfahren überzeugt durch eine besonders hohe Aufbaurate und ermöglicht den schichtweisen Aufbau komplexer Bauteile. Im Gegensatz zu Pulverbettverfahren sind beim Laserauftragsschweißen keine Stützgeometrien notwendig, da die 5-Achs-Kinematik der CNC-Fräsmaschine das Bauteil immer optimal zur Laserdüse positioniert.
Dank Twin-Pulverförderer können sogar zwei unterschiedliche Metalle im Wechsel aufgetragen werden, um dem Bauteil die gewünschten Eigenschaften zu verleihen – beispielsweise eine höhere Wärmeleitfähigkeit oder unterschiedliche Härtegrade in bestimmten Bereichen. Auch gradierte Materialien, mit fließendem Übergang von Material A nach Material B, lassen sich so herstellen.
Selektives Laserschmelzen (SLM): hohe Präzision im Pulverbettverfahren
Ein weiteres zukunftsweisendes Verfahren ist das Selektives Laserschmelzen (SLM – Selective Laser Melting). Dabei wird Metallpulver in dünnen Schichten auf eine Bauplattform aufgetragen, um anschließend entsprechend der Bauteilgeometrie mittels Laser lokal verschmolzen zu werden. Die zu belichtende Fläche wird dazu im Vorfeld aus dem 3D-Modell des Werkstücks errechnet. Nicht genutztes Pulver kann anschließend wiederverwendet werden, was das Verfahren auch unter dem Aspekt der Ressourceneffizienz interessant macht.
DED versus SLM: additive Verfahren mit unterschiedlichen Stärken
Laserauftragsschweißen (DED – Directed Energy Deposition) und selektives Laserschmelzen (SLM) unterscheiden sich im Wesentlichen in den erzeugbaren Toleranzen, den Aufbauraten und den Fertigungsgeschwindigkeiten. Während das Pulverbettverfahren eine höhere Präzision liefert, lässt sich das Laserauftragsschweißen besser in hybride Werkzeugmaschinen integrieren. Damit ist es möglich, additive und subtraktive Prozesse in einer Aufspannung zu verbinden – ein entscheidender Vorteil im Sinne der Produktivität. Grundsätzlich haben jedoch beide Verfahren ihre Berechtigung – und das in verschiedenen Branchen.
Vielfältige Branchenanwendungen: von Aerospace bis Medizintechnik
Die Designfreiheit des 3D-Drucks ist insbesondere dort von Vorteil, wo maximale Präzision auf minimalem Bauraum gefragt ist – etwa im Bereich Aerospace oder in der Medizintechnik. Im Formenbau und der Luft- und Raumfahrt sind DED-Maschinen längst etabliert. Bei der Reparatur und Instandsetzung beschädigter Komponenten ermöglicht das Laserauftragsschweißen schnelle und wirtschaftliche Lösungen. Die Medizintechnik wiederum nutzt das Pulverbettverfahren zur Herstellung individueller Implantate wie Zahnersatz oder Gelenkprothesen, exakt angepasst an den Patienten.
Erfolgsgeheimnisse des Additive Manufacturing
Die additive Fertigung erlaubt gegenüber konventionellen Verfahren ein völlig neues Vorgehen in der Konstruktion und Fertigung. Großes Potenzial liegt im Umfeld von Ersatzteilverfügbarkeit, innenliegenden Geometrien, komplexen Bauteilstrukturen oder geringen Stückzahlen.
Ein weiteres Einsatzgebiet für den 3D-Druck – heute und in der Zukunft – sind Anwendungsszenarien, die zu deutlich verbesserten Produkteigenschaften führen. So kann eine Topologie-Optimierung die Eigenschaften eines Bauteils stark verbessern. Beispielsweise lässt sich mithilfe additiv herstellbarer (bionischer) Strukturen eine Gewichtsreduktion bei gleichzeitig hoher Stabilität realisieren. Gerade bei hohen oder sehr spezifischen Anforderungen an die Bauteil-Eigenschaften bieten additive Fertigungsverfahren Vorteile. Auch eine durchgängige Prozesskette, die den »metallischen 3D-Druck« mit einer gezielten Nachbearbeitung kombiniert, ist häufig wirtschaftlicher als herkömmliche Prozesse.
Additiv Fertigen heißt additiv Denken: Der Weg zum 3D-Druck beginnt im Kopf
Damit das Potenzial der additiven Fertigung von Bauteilen vollständig ausgeschöpft werden kann, ist ein Umdenken bereits in der Produktentwicklung erforderlich. Die Herausforderung besteht hier im praktischen Einsatz und der Identifikation von Potenzialen im konkreten Spektrum. Das setzt sowohl ein grundlegendes Verständnis der verschiedenen additiven Verfahren und ihrer Möglichkeiten als auch eine unvoreingenommene Herangehensweise voraus. Im Idealfall greifen Unternehmen auf fundierte Analysen und Beratungsangebote zurück, um den Mehrwert der additiven Fertigung gezielt zu erschließen. So lässt sich bewerten, welche Bauteile sich durch den 3D-Druck hinsichtlich Funktion, Gewicht, Materialeinsatz oder Produktionskosten optimieren lassen.
Trotz aller Innovationskraft ersetzt der 3D-Druck nicht grundsätzlich traditionelle Bearbeitungstechnologien, sondern ergänzt sie auch in Zukunft dort, wo seine Stärken zum Tragen kommen. Besonders bei komplexen Geometrien, kleinen Losgrößen oder der Integration neuer Funktionen bietet er einzigartige Vorteile. Mit Blick auf die Weiterentwicklung der generativen Fertigung in den verschiedensten Branchen und auch deren Integration in neue Geschäftsmodelle wird deutlich: Das Zukunftspotenzial des 3D-Drucks ist enorm – vorausgesetzt, es wird strukturiert und vorausschauend genutzt.
Vom Pulver zum Präzisions-Bauteil
DMG MORI unterstützt seine Kunden bereits seit 2013 mit durchgängigen Prozessen in der additiven Fertigung. Den Anfang machte das Laserauftragsschweißen mit der LASERTEC DED und LASERTEC DED hybrid Baureihe. Mit der LASERTEC SLM Serie umfassen die Baureihen des Werkzeugmaschinenherstellers inzwischen auch Pulverbettverfahren. Als Weltmarktführer im Werkzeugmaschinenbau kombiniert DMG MORI additive Verfahren mit einem breiten Portfolio an leistungsstarken Zerspanungslösungen und bietet damit eine einzigartige Technologieintegration. Die Softwareplattform CELOS sorgt dabei für eine durchgängige, benutzerfreundliche Bedienung, unabhängig von der eingesetzten Technologie.
Know-how direkt vom Weltmarktführer: die DMG MORI Excellence Center
Noch bevor additive Prozessketten umgesetzt werden, schult DMG MORI seine Kunden in firmeneigenen Technology Centern. Dort erhalten Interessenten und Anwender fundiertes Know-how rund um »metallischen 3D-Druck«, konventionelle Zerspanung und die Integration beider Welten – immer mit dem Ziel optimale Fertigungslösungen für wirtschaftlichere Prozesse und hochwertigere Produkte zu ermöglichen.
Vier additive Prozessketten für den industriellen 3D-Druck
Auf Basis des umfangreichen Portfolios im Additive Manufacturing und in der CNC-Technologie bietet DMG MORI vier additive Prozessketten für unterschiedliche Anforderungen:
- Pulverbett plus Zerspanung: Werkstücke werden auf LASERTEC SLM Maschinen aufgebaut und anschließend spanend nachbearbeitet – für additiv gefertigte Bauteile mit höchster Präzision.
- Zerspanung plus Pulverbett: Der Grundkörper von z. B. Fräsköpfen wird konventionell gefertigt. Anschließend erfolgt der komplexe Aufbau des Werkzeugs inklusive innenliegender Kühlkanäle.
- Pulverdüse plus Finish-Bearbeitung: Die LASERTEC 65 DED fertigt anspruchsvolle Bauteile oder Multimaterialapplikationen bis zu ø 650 x 560 mm ganz ohne Stützkonturen. Beim Finish auf einem Universalbearbeitungszentrum werden Planflächen oder Gewinde in der erforderlichen Genauigkeit fertiggestellt.
- DED hybrid Maschinen: Ermöglichen den Wechsel zwischen der additiven Fertigung mittels Pulverdüse und der 5-Achs-Simultanbearbeitung bzw. der 6-seitigen Komplettbearbeitung – für noch komplexere Werkstücke und Bauteile bis zu ø 1.010 × 3.702 mm.
DMG MORI gestaltet die Zukunft des 3D-Drucks aktiv mit
Durch die Kombination von additiver Fertigung, hybrider Bearbeitung und intelligenter Prozesssteuerung schafft DMG MORI Lösungen, die sowohl technologisch als auch wirtschaftlich zukunftsweisend sind. Mit Technologiekompetenz und intelligenten Lösungen zur Prozessintegration gestaltet das Unternehmen die Zukunft des industriellen 3D-Drucks entscheidend mit.