Zusammenfassung

Die additive Fertigung ist der dritte Fertigungsweg. Die ersten beiden sind das Abtragen von Werkstoff (Fräsen, Drehen, Bohren) und das Formen von Werkstoff (Gießen, Schmieden, Pressen, Spritzgießen). Die additive Fertigung ersetzt diese beiden Ansätze nicht. Sie fügt einen dritten Weg hinzu, den schichtweisen Aufbau eines Bauteils aus einem 3D-Modell.

Der größte Fehler, den ich in Unternehmen sehe, ist, die additive Fertigung als einen weiteren Weg zur selben, bereits vorhandenen Konstruktion zu behandeln. Ein Bauteil, das für die CNC-Bearbeitung oder den Guss konstruiert wurde, funktioniert fast nie wirklich gut, wenn es ohne Änderungen in den 3D-Druck übernommen wird. Und wenn es ganz ohne Änderungen funktioniert, ist das ein Zeichen dafür, dass das Bauteil wahrscheinlich gar nicht gedruckt werden sollte, weil keiner der Vorteile genutzt wird und der Preis höher sein wird.

Deshalb gibt es DfAM (Design for Additive Manufacturing). Das ist ein Ansatz, der von den Möglichkeiten und Grenzen der Technologie selbst ausgeht und nicht von Gewohnheiten, die sich bei anderen Fertigungsverfahren gebildet haben.

Drei Fertigungswege im Vergleich

Die internationale Norm ISO/ASTM 52900 definiert die additive Fertigung als das Verbinden von Werkstoffen zur Herstellung von Bauteilen aus 3D-Modelldaten, in der Regel Schicht für Schicht, im Gegensatz zu subtraktiven und formgebenden Verfahren. Die Norm selbst ordnet sie also als dritten Weg ein, nicht als Ersatz.

Den Begriff „konventionelle Fertigung“ für die ersten beiden Wege mag ich nicht. Auch die additive Fertigung wird konventionell, deshalb sollte sie nicht als etwas Exotisches dargestellt werden. Die eigentliche Frage ist nicht, welches Verfahren moderner ist, sondern welches zu einem bestimmten Bauteil passt.

Abtragen von Werkstoff Formen von Werkstoff Hinzufügen von Werkstoff (additiv)
Prinzip Überschüssiges Material wird von einem Rohteil abgetragen Der Werkstoff wird in einer Form oder einem Gesenk geformt Das Bauteil wird Schicht für Schicht aus einem 3D-Modell aufgebaut
Typische Verfahren Fräsen, Drehen, Bohren, Schleifen Gießen, Schmieden, Pressen, Spritzgießen Pulverbettfusion, Materialextrusion, Photopolymerisation, DED
Bauteilspezifisches Werkzeug Nicht nötig, es werden Standardschneidwerkzeuge verwendet Form oder Gesenk erforderlich, oft teuer Nicht nötig
Geometrie Begrenzt durch die Zugänglichkeit für das Werkzeug Begrenzt durch die Entformbarkeit Innere Kanäle und komplexe Formen sind möglich
Größte Stärke Präzise Oberflächen, Toleranzen Hohe Stückzahlen, niedrige Stückkosten Niedrige und mittlere Stückzahlen, komplexe Geometrie, Konsolidierung

Die Geschichte dieses dritten Wegs, von den ersten Patenten bis zum Auslaufen der Schlüsselpatente, behandelt der Beitrag Eine kurze Geschichte der additiven Fertigung. Hier konzentriere ich mich darauf, was dieser dritte Weg für die Konstruktion bedeutet.

Warum DfAM unverzichtbar ist und nicht optional

Der schichtweise Aufbau eröffnet Möglichkeiten, die mit den anderen beiden Verfahren unmöglich oder wirtschaftlich nicht zu rechtfertigen sind. Werden diese Möglichkeiten nicht genutzt und das Bauteil einfach aus einer für die Zerspanung gedachten CAD-Datei übernommen, erhält der Kunde ein teureres Bauteil ohne jeden Vorteil. Darüber, wann die additive Fertigung sinnvoll ist und wann nicht, habe ich gesondert geschrieben.

Vor der eigentlichen Konstruktion ist es sinnvoll, eine Produktionsanalyse durchzuführen, damit Sie wissen, was von dem Bauteil tatsächlich verlangt wird, bevor Entscheidungen über die Geometrie fallen.

Drei Beispiele zeigen, worum es geht.

Generatives Design

Generatives Design entfernt auf Basis einer FEM-Analyse (Finite-Elemente-Methode) und der realen mechanischen Eigenschaften des Werkstoffs Material dort, wo es nicht zur Lastaufnahme beiträgt. Das Ergebnis ist ein leichteres Bauteil, das genauso gut oder besser funktioniert als das Original. Topologieoptimierung und generatives Design sind im Kern dieselbe Idee, daher verwende ich einen Begriff. Am wichtigsten ist das in der Luft- und Raumfahrt und in der Automobilindustrie, wo jedes Gramm direkte Kosten verursacht.

Konsolidierung von Baugruppen

Nach meiner Erfahrung ist die Konsolidierung von Baugruppen heute das Hauptthema. Hier wird am meisten Geld und Zeit gespart. Mehrere Teile, die früher verschraubt, verschweißt oder verklebt wurden, werden als ein einziges Bauteil konstruiert. Mögliche Schwachstellen verschwinden, und die Montage wird kürzer. Ausführlicher behandle ich das im Beitrag über die Konsolidierung von Baugruppen.

BMW hat das schon früh erkannt. Bereits 2018 gab BMW bekannt, in zehn Jahren eine Million 3D-gedruckte Bauteile gefertigt zu haben, und die Halterung des Verdeckmechanismus für den i8 Roadster war das erste gedruckte Metallbauteil in seiner Serienfertigung. Diese Halterung ist 44 % leichter als die Halterung des Vorgängermodells und wurde so konstruiert, dass sie ohne Stützstrukturen gedruckt werden kann, mehr als 600 Stück in einem einzigen Baujob.

Ein gutes aktuelles Beispiel sind faltbare Smartphones. 2023 stellte Honor für das Magic V2 eine Abdeckung der Scharnierwelle aus einer Titanlegierung vor, gefertigt durch Laserstrahlschmelzen im Pulverbett (PBF-LB). 2025 druckte OPPO Scharnierteile aus Titan Grade 5 für das Find N5. Ich würde nicht sagen, dass es faltbare Smartphones ohne 3D-Druck nicht geben könnte, aber er hat so kleine und dünne Scharnierteile in so hohen Stückzahlen möglich gemacht, was mit anderen Verfahren sehr kompliziert wäre.

Innere Geometrien und konturnahe Kanäle

In Werkzeugen für das Kunststoffspritzgießen und den Druckguss können additiv gefertigte Kühlkanäle der Form der Werkzeugkavität folgen. Gebohrte Kanäle sind auf den geraden Weg des Bohrers beschränkt. Deshalb heißen sie konturnah (englisch conformal), weil sich ihre Form an die Geometrie der Kavität anpasst beziehungsweise diese nachbildet. Dieser Unterschied wirkt sich direkt darauf aus, wie gleichmäßig und wie schnell das Werkzeug abkühlt, und damit auf die Zykluszeit. In einer Studie aus dem Jahr 2023 verkürzte ein Werkzeugeinsatz mit konturnahen Kanälen, gefertigt im Metall-3D-Druck, den Spritzgießzyklus um 38 % gegenüber konventionellen Kanälen.

Fünf Grundprinzipien des DfAM

Fünf Grundprinzipien des DfAM, von der Last bis zur Nachbearbeitung

Erstes Prinzip, in Lasten denken

Man geht nicht davon aus, was mit anderen Verfahren machbar ist. Statt zu fragen, ob sich das Bauteil herstellen lässt, lautet die richtige Frage, wo das Bauteil tatsächlich Last trägt und wo Material entfernt werden kann.

Zweites Prinzip, Bewusstsein für Anisotropie

Anisotropie bedeutet, dass die Werkstoffeigenschaften von der Richtung abhängen. Bei den meisten additiven Fertigungsverfahren hängen die mechanischen Eigenschaften von der Orientierung der Schichten ab. Ein Bauteil, das in einer Richtung eine Last hält, kann in einer anderen versagen. Deshalb wird die Bauteilorientierung im Voraus geplant, entsprechend der realen Last im Einsatz.

Drittes Prinzip, Stützstrukturen schon in der Konstruktionsphase planen

Stützstrukturen, manchmal auch Supports genannt, sind keine nachträgliche Korrektur, sondern fester Bestandteil des Prozesses. Das Bauteil wird so konstruiert, dass es an kritischen Flächen so wenig Stützen wie möglich braucht, denn das Entfernen von Stützen hinterlässt Spuren und erfordert zusätzliche Nachbearbeitung. Das ist besonders beim Metalldruck wichtig. Weniger Stützen erleichtern die Nachbearbeitung erheblich und senken direkt die Bauteilkosten.

Viertes Prinzip, Wandstärke nach der realen Last

Hier gibt es zwei getrennte Grenzen. Die erste ist die physikalische Grenze der Anlage, der Düsendurchmesser oder die Größe des Laserspots, die die dünnste Bahn festlegt, die die Anlage überhaupt auftragen kann. Die zweite, oft wichtigere, ist, dass die dünnste druckbare Bahn noch keine funktional tragende Wand bedeutet. Eine Wand kann druckbar sein und trotzdem unter ihrer Last im Einsatz versagen. Die Wandstärke wird daher nach der realen Last festgelegt und nicht nur danach, was die Anlage drucken kann.

Fünftes Prinzip, Nachbearbeitung und ihre Reihenfolge

Wenn ein Bauteil nach dem Druck gestrahlt, infiltriert, wärmebehandelt oder zerspant werden muss, muss die Geometrie Raum für diese Arbeitsgänge lassen. Dazu gehört ein Bearbeitungsaufmaß dort, wo später Material abgetragen wird. Die Reihenfolge der Arbeitsgänge ist ebenso wichtig. Eine Wärmebehandlung nach der Fertigbearbeitung statt davor kann zum Beispiel die Maße oder Eigenschaften des Bauteils verändern und den vorherigen Schritt zunichtemachen.

Wie stark die Nachbearbeitung die Kosten beeinflusst, zeigt das Honor-Scharnier. Laut der Zeitschrift Metal AM kostet das gedruckte Rohteil etwa 4 Dollar, während Schleifen und Polieren rund 40 Dollar hinzufügen.

DfAM ist nicht universell, es hängt vom Verfahren ab

Die Regeln für den FDM-Druck mit kurzfaserverstärkten Carbon-Filamenten sind nicht dieselben wie die Regeln für SLS-Pulververfahren oder für DED-Verfahren, bei denen zum Beispiel der Drahtdurchmesser eine der grundlegenden Randbedingungen ist. Jede Technologie hat ihre eigenen Grenzen beim Überhangwinkel, bei der minimalen Wandstärke, beim Bedarf an Stützstrukturen und bei den verfügbaren Werkstoffen. Einen Überblick über die Unterschiede nach Technologie bieten die Beiträge zu Technologien und Verfahren.

Bei den Werkstoffen sind realistische Erwartungen angebracht. Nach meiner Schätzung gibt es heute mehrere Tausend qualifizierte Werkstoffe für die additive Fertigung. Für das Ingenieurwesen insgesamt nennt Ashby 160.000 oder mehr verfügbare Werkstoffe. Fast jeder Werkstoff lässt sich für die additive Fertigung entwickeln oder anpassen, aber das ist ein teurer und langwieriger Prozess, der sich nur in Sonderfällen lohnt. Für die überwiegende Mehrheit der Anwendungen muss das Projekt zu dem passen, was derzeit auf dem Markt verfügbar ist. Wie man das angeht, erkläre ich im Beitrag Wie Sie den richtigen Werkstoff ohne Rätselraten auswählen.

Deshalb erfolgt ernsthaftes DfAM immer im Kontext einer bestimmten Anlage und eines bestimmten Werkstoffs, nicht als abstraktes Regelwerk. Für Metallbauteile aus dem Laserstrahlschmelzen im Pulverbett können Sie mit Dokimion eine erste Geometrieprüfung durchführen.

Häufig gestellte Fragen

Was bedeutet es, dass die additive Fertigung der dritte Fertigungsweg ist? Bauteile lassen sich durch Abtragen von Werkstoff (Zerspanung), Formen von Werkstoff (Gießen, Schmieden, Spritzgießen) oder schichtweises Hinzufügen von Werkstoff herstellen. Die additive Fertigung ist dieser dritte Weg. Sie ersetzt die ersten beiden nicht, sondern ergänzt sie dort, wo sie einen Vorteil bringt.

Was ist DfAM? DfAM (Design for Additive Manufacturing) ist die Konstruktion für die additive Fertigung. Es ist ein Ansatz, der von den Möglichkeiten und Grenzen einer bestimmten Drucktechnologie ausgeht statt von Regeln, die aus der Zerspanung oder dem Guss übernommen wurden.

Kann ich ein Bauteil drucken, das für die CNC-Bearbeitung konstruiert wurde? In der Regel ja, aber es ist selten sinnvoll. Ein solches Bauteil ist meist teurer und nutzt keinen der Vorteile der additiven Fertigung. Wenn das Bauteil ganz ohne Änderungen gut funktioniert, ist das oft ein Zeichen dafür, dass es nicht gedruckt werden sollte.

Warum heißen Kühlkanäle konturnah? Weil ihre Form der Form der Werkzeugkavität folgt beziehungsweise sie nachbildet. Gebohrte Kanäle können nur gerade verlaufen. Konturnahe Kanäle kühlen das Werkzeug gleichmäßiger und verkürzen den Zyklus, in einer Studie aus dem Jahr 2023 um 38 %.

Warum ist die Bauteilorientierung so wichtig? Bei den meisten additiven Fertigungsverfahren hängen die Bauteileigenschaften von der Richtung relativ zu den Schichten ab. Ein Bauteil kann in einer Richtung fest und in einer anderen schwächer sein. Deshalb wird die Orientierung bereits in der Konstruktionsphase nach der realen Last gewählt.

Gelten für alle Technologien dieselben DfAM-Regeln? Nein. Überhangwinkel, minimale Wandstärke, Bedarf an Stützstrukturen und verfügbare Werkstoffe unterscheiden sich zwischen FDM, SLS, DED und der Pulverbettfusion von Metall. DfAM erfolgt immer für eine bestimmte Anlage und einen bestimmten Werkstoff.

Quellen