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Additive Fertigung (AM), auch bekannt als 3D-Druck, ist ein Verfahren zum schichtweisen Aufbau komplexer Strukturen. Es ermöglicht den schnellen und ressourcenschonenden Aufbau von Geometrien, die bisher nur als 3D-Modelle visualisiert werden konnten, und stellt damit eine Alternative zu den traditionellen subtraktiven Verfahren dar. Obwohl AM eine zentrale Rolle in der Industrie 5.0 spielen wird, hat es mit erheblichen Fertigungsabweichungen wie hoher Oberflächenrauheit, Porosität, Schrumpfungseffekten und Schichthaftungsfehlern zu kämpfen. Eine Möglichkeit, diese zu bewältigen, ist die Prozesskontrolle, bei der die thermische Analyse eine Schlüsselrolle spielt. Aufgrund des komplexen und dynamischen Herstellungsprozesses ist die genaue Kenntnis der thermischen Eigenschaften wie Wärmeleitfähigkeit, Wärmekapazität und thermische Stabilität des Materials entscheidend für eine erfolgreiche, fehlerfreie Verarbeitung.
Die wichtigsten Prozesse der Additiven Fertigung
Der AM-Workflow beginnt mit einem digitalen CAD-basierten 3D-Modell, das in der Regel im Stereolithografie-Datenformat stl weiterverarbeitet wird. Dieses Modell wird in Schichten zerlegt, die der 3D-Drucker nacheinander mit verschiedenen Techniken aufbaut, darunter:
- Pulverbettschmelzen (PBF): Techniken wie Selective Laser Melting (SLM) und Electron Beam Melting (EBM) schmelzen pulverförmige Materialien zu festen Schichten.
- Materialextrusion (ME): Zum Beispiel das Fused Deposition Modeling (FDM), bei dem thermoplastische Filamente geschmolzen und Schicht für Schicht aufgetragen werden.
- Binder Jetting (BJ): Ein flüssiges Bindemittel verbindet die Schichten aus pulverförmigem Material.
- Material-Jetting: Tröpfchen von flüssigem Material werden Schicht für Schicht ausgehärtet.
- Photopolymerisation (PP): Stereolithographie (SLA) Ein Photopolymerharz wird mit einer Lichtquelle ausgehärtet.
- Bogenkaschierung (SL): Dünne Materialschichten (z.B. Metall oder Papier) werden geschnitten und miteinander verklebt oder verschweißt
Diese Methoden unterscheiden sich in Bezug auf Geschwindigkeit, Materialkompatibilität und Anwendung, so dass sie für verschiedene Branchen und Anwendungsfälle geeignet sind.
Thermische Eigenschaften und ihre Bedeutung für AM
Die thermischen Eigenschaften von Materialien sind entscheidend für den Erfolg von AM-Prozessen. So haben beispielsweise die Wärmeleitfähigkeit und die Kapazität des Pulvermaterials einen direkten Einfluss auf den Energieeinsatz bei laserbasierten Verfahren wie dem SLM. Die Kenntnis der Temperaturabhängigkeit der thermischen Eigenschaften ermöglicht ein angemessenes Wärmemanagement und eine bessere Kontrolle über den Schmelzpool und damit ein besseres Defektmanagement. Moderne thermische Analysetechniken ermöglichen eine präzise Materialcharakterisierung unter Prozessbedingungen und helfen den Herstellern bei der Auswahl der richtigen Materialien und der Optimierung der Prozessparameter.
Materialien in der additiven Fertigung
AM eignet sich für eine breite Palette von Materialien, einschließlich:
- Polymere: Typische Vertreter sind PLA (ME), PA12 (PBF), Epoxidharz (PP), PMMA (BJ), flüssige Photopolymere (MJ), PVC (SL)
- Metalle: Metalllegierungen aus Aluminium, medizinisch verträgliche Titanlegierungen wie Ti64 und rostfreier Stahl werden in der Industrie sowie in der Luft- und Raumfahrtindustrie verwendet.
- Keramiken: Materialien wie Zirkoniumdioxid und Aluminiumoxid sind ideal für bioaktive und Hochtemperaturkomponenten.
- Biomaterialien: Hydrogele und Kollagen ebnen den Weg für bahnbrechende medizinische Anwendungen.
- Verbundwerkstoffe: Moderne faserverstärkte Polymere werden für strukturelle Anwendungen immer beliebter.
Bisher wurde der hohe Freiheitsgrad des additiven Verfahrens durch die begrenzte Verfügbarkeit von Materialien eingeschränkt. Durch die Einarbeitung von Füllstoffen und Additiven wird versucht, die Produktpalette ständig zu erweitern und neue Anwendungen zu entwickeln, die weitere thermische Analysen von teilweise neuen Materialmischungen erfordern.
Branchenübergreifende Anwendungen
Die Vielseitigkeit von AM erstreckt sich über alle Branchen, von der Luft- und Raumfahrt über die Automobilindustrie bis hin zum Gesundheitswesen und Bauwesen. Zum Beispiel:
- Luft- und Raumfahrt: Leichte, komplexe Geometrien verbessern Treibstoffeffizienz und Leistung.
- Gesundheitswesen: Maßgefertigte Implantate und Prothesen verbessern die Ergebnisse der Patienten.
- Bauwesen: Der 3D-Druck von Beton in großem Maßstab revolutioniert nachhaltige Baupraktiken.
Die thermische Analyse stellt sicher, dass diese Anwendungen strenge Anforderungen erfüllen, wie z.B. den Betrieb bei extremen Temperaturen oder unter mechanischer Belastung.
Vorteile und Zukunftspotenzial
AM bietet mehrere Vorteile gegenüber der traditionellen Fertigung:
- Komplexe Geometrien: Ermöglicht komplizierte Designs, die mit herkömmlichen Methoden nicht zu erreichen sind.
- Rapid Prototyping: Schnelle Erstellung von Prototypen aus 3D-Modellen
- Material-Effizienz: Reduziert den Abfall, indem nur das benötigte Material verwendet wird.
- Anpassung: Ermöglicht maßgeschneiderte Lösungen, insbesondere im Gesundheitswesen.
- Kosteneffizienz für kleine Serien: Kostengünstig für die Produktion von Kleinserien.
Zukünftige Fortschritte in der Materialwissenschaft und der Prozessautomatisierung, wie z.B. die KI-gestützte Optimierung, werden das Potenzial von AM ausschöpfen und den Herstellungsprozess für die Industrie 5.0 fit machen. Die thermische Analyse als Pre- und Postprozess wird ein konstanter Eckpfeiler bleiben und einen wichtigen Beitrag zur Entwicklung neuer Materialien und Prozesse leisten.
Wissenschaftliche Perspektiven
Jüngste Forschungen unterstreichen die Integration von Computermodellierung und Thermoanalyse [7] zur Simulation und Vorhersage der Wärmeverteilung in Echtzeit durch digitale Zwillinge, um die Prozesssteuerung und den Energieverbrauch zu optimieren. Die permanente Integration der thermischen Analyse in den Fertigungsprozess als In-situ- oder In-Prozess-Messverfahren stellt einen wesentlichen Schritt in der Weiterentwicklung des Prozessverständnisses dar.
- https://mitsloan.mit.edu/ideas-made-to-matter/additive-manufacturing-explained
- https://2onelab.com/de/lernen/blog/was-ist-additive-fertigung/
- https://www.3ddruck-transmit.de
- https://www.ingenieur.de/technik/fachbereiche/3d-druck/was-ist-additive-fertigung-definition-anwendung-potenzial/
- https://additive.industrie.de/werkstoffe-fuer-die-additive-fertigung/
- https://www.haw-landshut.de/aktuelles/beitrag/additive-fertigung-zu-studieren-waere-mein-traum
- https://www.materials.fraunhofer.de/de/strategische-initativen/materialien-fuer-die-additive-fertigung-.html
- https://www.chemietechnik.de/energie-utilities/materialien-fuer-die-additive-fertigung-im-ueberblick-393.html
- https://boehl-kunststofftechnik.com/additive-fertigung
- https://www.iph-hannover.de/de/dienstleistungen/fertigungsverfahren/additive-fertigung/
