Additive Fertigung

Grundsätzlich bezeichnet die additive Fertigung (engl. Additive Manufacturing (AM)) ein Produktionsverfahren, bei dem dreidimensionale Objekte durch schicht- oder schrittweises (inkrementelles) Auftragen von Material entstehen. Es unterscheidet sich grundlegend von subtraktiven oder formgebenden Methoden, bei denen Material entfernt oder in Form gepresst wird, etwa beim Fräsen oder Gießen. Im weitesten Sinne gehören auch manuelle bzw. handwerkliche Methoden – wie etwa die schichtweise Herstellung einer Stampflehmwand – zu den additiven Verfahren. Spricht man heute von additiver Fertigung, ist aber in der Regel die Erstellung von Bauteilen, Gebäuden oder Produkten auf Basis digitaler Daten und Technologien gemeint.  

Gallerie

Oftmals wird der 3D-Druck fälschlicherweise mit additiver Fertigung gleichgesetzt und synonym verwendet. Vielmehr umfasst die additive Fertigung aber als übergeordnete Kategorie viele verschiedene Fertigungstechnologien, darunter den 3D-Druck unterschiedlichster Materialien.

Gallerie

Voraussetzung: Digitale Planung

Der Prozess beginnt in der Regel mit der Erstellung eines digitalen 3D-Modells des Objekts, typischerweise mithilfe einer CAD-Software. Dieses Computermodell dient als Vorlage für den physischen Gegenstand. Die Daten werden anschließend an einen Roboter gesendet, der das digitale Abbild präzise nachbildet. Materialität und Vorgehensweise variieren dabei je nach gewählter additiver Fertigungstechnologie: Wird ein 3D-Drucker bzw. ein Roboterarm mit Extruder verwendet, muss das digitale Modell vorab in hunderte oder tausende horizontale Schichten geteilt werden, das sogenannte Slicing. Die Software generiert dabei eine Datei mit spezifischen Anweisungen für den Roboter. Diese legt genau fest, wie die Schichten aufzutragen sind und wie stark diese jeweils sein müssen. Auch robotische Wickelverfahren gehören zu den additiven Fertigungsmethoden. Der Wickelprozess entlang vorgegebener Bahnen wird dafür vorab programmiert und anschließend an den Roboterarm gesendet. Dadurch können die Fasern in sehr dichten und komplexen Muster um einen Kern herumgewickelt und anschließend gehärtet werden.

Gallerie

Gängige additive Fertigungsverfahren

Zu den wichtigsten und am weitesten verbreiteten additiven Fertigungstechnologien gehören unter anderem:

• 3D-Druck / Extrusionsverfahren
• Schmelzschichtverfahren (FFF: Fused Filament Fabrication oder FDM: Fused Deposition Modeling)
• Selektives Lasersintern (SLS: Selective Laser Sintering)
• Binder Jetting (Freistrahl-Bindemittelauftrag)
• Stereolithografie (SLA)
• Digital Light Processing (DLP)
• Robotergestütztes Filament-Wickeln (AFP: Automatisierte Faserplatzierung)

Gallerie

Formfreiheit, Materialreduktion, Zeitersparnis

Entscheidender Vorteil gegenüber herkömmlichen Fertigungsverfahren in der Architektur ist die hohe Formfreiheit. Es können komplexe Geometrien und Bauteile schnell und unkompliziert umgesetzt werden, die mit traditionellen Mitteln gar nicht oder nur mit sehr hohem Aufwand realisierbar sind. Dadurch werden potenziell die Bauzeiten verkürzt und es können maßgeschneiderte Elemente direkt auf der Baustelle produziert werden. Die digitale Planung erlaubt zudem die schnelle Erstellung von Entwurfsvarianten, die mit wenig Aufwand durch den Roboter in physische Modelle und Prototypen übersetzt werden können. Außerdem kann der Materialaufwand erheblich minimiert werden: Das Material wird mit additiven Verfahren gezielt nur dort aufgetragen, wo es strukturell nötig ist. Zudem entfällt z.B. beim 3D-Betondruck die Notwendigkeit von Schalungen, sodass Bauabfälle durch ausgediente Schalungen reduziert werden. Je nach Verfahren können viele Materialien verarbeitet werden: Kunststoffe, Beton, Metall, Harz und mittlerweile auch Glas, aber auch natürliche Baustoffe wie Lehm, Keramik und Sand. Daher ist die Materialwissenschaft eng mit der Forschung im Bereich additiver Fertigungsverfahren verbunden.

Fachwissen zum Thema