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Additive Manufacturing / 3D-Drucken

Die additive Fertigung, auch als Additive Manufacturing oder allgemein als 3D-Druck bezeichnet, ist der schichtweise Aufbau von Bauteilen und technischen Prototypen direkt aus dem 3D CAD-Modell. Als Werkstoffe oder Materialien kommen Metalle, Kunststoffe und Keramiken zum Einsatz.

Additive Fertigungsverfahren

Das Prinzip der additiven Fertigung unterscheidet sich bedeutend von den herkömmlichen Fertigungsverfahren. Durch den schichtweisen Auftrag von Material wird die Fertigung komplexer dreidimensionaler Strukturen ohne Werkzeuge und ohne Formen möglich, die mit herkömmlichen Fertigungsverfahren nur sehr teuer oder gar nicht realisierbar wären. Ausserdem wird dabei nur so viel Material verbraucht, wie tatsächlich für das Bauteil notwendig ist.

Im Rahmen der angewandten Forschung und Entwicklung sind wir tätig in:

Selektives Laserschmelzen (SLM)

Prozessbild - ein Turbinenrad wird mit selektivem Laserschmelzen hergestellt
Ein Turbinenrad wird mit selektivem Laserschmelzen hergestellt

Beim Selektiven Laserschmelzen (eng. Selective Laser Melting SLM) werden metallische Bauteile ausgehend von einem 3D CAD-Modell schichtweise aufgebaut. Dafür werden 20 – 100 µm dicke Schichten Metallpulver aufgetragen und mittels Laser selektiv aufgeschmolzen. Anschliessend wird die Arbeitsplattform abgesenkt, eine weitere Pulverschicht aufgetragen und erneut mittels Laser an den gewünschten Stellen aufgeschmolzen. Die Schmelze verbindet sich jeweils mit dem darunter liegenden Material und ermöglicht so den Aufbau von komplexen Strukturen mit einem Volumengehalt von über 99,8 Prozent. Je nach Grösse können die Bauteile innerhalb weniger Stunden oder Tage gefertigt werden.

Die additiv gefertigten Produkte können je nach Anwendung spanend nachbearbeitet, oberflächenbehandelt oder wärmebehandelt werden, bevor sie ihre Funktion als fertige Bauteile ausüben. Additive Fertigungsverfahren eignen sich vor allem für Prototypen, kleine Stückzahlen, kundenspezifische Bauteile und komplexe Strukturen.

SLM-Prozesskette

Vor der effektiven Fertigung von Bauteilen mittels SLM sind verschiedene vorbereitende Prozessschritte und je nach Anwendung eine Nachbehandlung nötig. Als Ausgangslage dient immer ein 3D CAD-Modell, das für den SLM Prozess optimiert, in Schichten zerlegt und schliesslich in den Maschinencode konvertiert wird. Das gedruckte Bauteil kann je nach Anwendung nachbehandelt werden. In folgendem Bild sind die verschiedenen Prozessschritte anhand eines Beispielbauteils dargestellt. Der SLM-Prozess ist auch im Film "der erste 3D-Druck-Flaschenöffner der Welt" zu sehen.

Unsere additive Fertigung

Maschinenlabor zum Selektiven Laserschmelzen

Am Zentrum für Produkt- und Prozessentwicklung (ZPP) arbeiten wir mit den SLM-Maschinen AM250 und AM400 von Renishaw. Es können Bauteile bis zur Maximalgrösse von 250x250x300 mm gefertigt werden. Wir verarbeiten folgende Werkstoffe mit einer Laserleistung von 50 bis 400W:

  • rostfreien Edelstahl (1.4404, 316L)
  • Werkzeugstahl (1.2709)
  • Titan (Ti6Al4V)
  • Alu (AlSi10Mg)
  • weitere Werkstoffe auf Anfrage

Projektbeispiele

Hydraulikblock gewichtsoptimiert und als Wärmetauscher
Galley in Titan
Gehäuse Druckkopf für Keramikdrucker
Mischelemente additiv gefertigt
Hybridspritzgusswerkzeug mit innenliegender konturnahen Kühlung

Fused Deposition Modelling (FDM)

Ein neues Radkonzept für BICAR zur Visualisierung in FDM gedruckt
Ein neues Radkonzept für BICAR zur Visualisierung in FDM gedruckt.

Beim Fused Deposition Modelling (FDM), dem am weitest verbreiteten 3D-Druckverfahren, wird ein in Drahtform vorliegendes thermoplastisches Material (z.B. ABS) über Düsen aufgeschmolzen und auf das Bauteil extrudiert. Dort wo die Modelllagen überragen, wird Stützmaterial aufgetragen, das nach dem Herstellungsprozess durch Auswaschen wieder entfernt wird. Die Schichtbildung erfolgt durch Wärmeleitung beim Kontakt mit dem schon teilfertigen Modell.

Die Grösse des Arbeitsraums ist limitiert, beim 3D-Drucker des Zentrums für Produkt- und Prozessentwicklung (ZPP) ist dieser 203x203x305mm. Grössere Modelle werden geteilt und nach der Fertigung zusammengefügt. Falls notwendig können die fertigen Modelle noch nachbehandelt werden (z.B. Sandstrahlen, Schleifen, Lackieren, Verchromen, etc.).

Projektbeispiele

Schnittmodell eines Montagewerkzeuges (Elektroschrauber), 3D-gedruckt in Kunststoff (ABS)
Schnittmodell eines Montagewerkzeuges (Elektroschrauber), 3D-Druck aus Kunststoff (ABS)