Additive und subtraktive Fertigung: Rivalität oder Ergänzung?

Während sich immer mehr Unternehmen für die additive Fertigung entscheiden, ist die subtraktive Fertigung immer noch die am häufigsten genutzte Fertigungsmethode in der Industrie. Derzeit wird der 3D-Druck hauptsächlich als Ergänzung zu den subtraktiven Fertigungsmethoden eingesetzt. Wie der Name schon sagt, wird bei diesen Verfahren im Gegensatz zur additiven Fertigung Material abgetragen, um ein Teil in der gewünschten Größe herzustellen. Sie werden heute in vielen Industriezweigen eingesetzt, z. B. in der Luft- und Raumfahrt, der Automobilindustrie, bei Metallarbeitern und vielen mehr.

Genau wie die additive Fertigung und ihre zahlreichen Verfahren gibt es auch viele subtraktive Fertigungsmethoden – Sie haben bestimmt schon einmal den Begriff „CNC-Bearbeitung“ gehört. Dieser Begriff steht für Computer Numerical Control und umfasst Techniken zur Materialabtragung, die auf einem numerischen Programm basieren, das die Werkzeugmaschinen steuert. Man spricht hier von Bohren, Drehen, Fräsen oder auch Reiben. Die CNC-Bearbeitung ist heute mit einer breiten Palette von Materialien kompatibel, von Kunststoffen bis hin zu Metallen. Nicht alle subtraktiven Fertigungstechniken nutzen ein numerisches Programm – wir werden daher in einem zweiten Schritt auf einige Stanzmethoden zurückkommen.

Bild: Protolabs

Die Verfahren der CNC-Bearbeitung besser verstehen

Wie bereits erläutert, umfasst die CNC-Bearbeitung mehrere Verfahren; wir beginnen mit dem Drehen und Bohren. Bei diesen wird ein Werkstück verwendet, das sich auf einer Drehachse bewegt. Die Energie für die Bearbeitung des Werkstücks wird durch die Bewegung des Werkstücks selbst aufgebracht. Mit diesen Methoden lassen sich alle modellierten Teile durch Rotation herstellen. Konkret handelt es sich um eine 2D-Zeichnung, die entlang einer Rotationsachse unendlich oft nachgebildet wird und so ein 3D-Modell bildet. Trotz ihrer unterschiedlichen Namen sind Drehen und Reiben sehr ähnlich, da sie beide das gleiche Prinzip verwenden. Der Hauptunterschied besteht darin, dass das Aufbohren im Inneren des Werkstücks stattfindet, während das Drehen außerhalb des Werkstücks stattfindet. Mit Dreh- und Bohrmaschinen lassen sich Teile aus Holz, Metallen und bestimmten Kunststoffen herstellen. Sie werden heute in vielen Industriezweigen eingesetzt, z. B. in der Automobilindustrie, der Luft- und Raumfahrt, der Medizintechnik und der Dekorationsindustrie.

Kommen wir nun zu einer anderen Technik, dem Fräsen. Das Fräsen ist aufgrund seiner Präzision, der Möglichkeit, Teile mit inneren Hohlräumen zu schaffen, und der Fähigkeit, ein Werkstück zu bearbeiten, eine echte Bereicherung für den Fertigungsprozess. Bei dieser Technik werden Fräser eingesetzt, mit denen das Material seitlich geschnitten werden kann. Wenn sich der Fräser also im Material befindet, kann er sich senkrecht dazu bewegen und entlang seines Verlaufs Material abtragen. Fräsen ist mit vielen Materialien kompatibel, da es eine Vielzahl von austauschbaren Werkzeugen gibt, die für verschiedene Aufgaben und Materialien geeignet sind. Dennoch hat diese Methode einige Nachteile, die sie schwer zugänglich machen können. Beispielsweise ist die Bearbeitung eines Werkstücks oft in mehrere Schritte unterteilt, und diese erfordern regelmäßig einen Werkzeugwechsel.

Das Fräsverfahren

Beim Bohren und Fräsen werden sehr ähnliche Werkzeuge verwendet, die jedoch nicht verwechselt werden sollten. Bohren dient lediglich dazu, mithilfe eines Bohrers runde Löcher zu erzeugen. Während das Fräsen eine größere Freiheit bei der Herstellung bietet, vor allem weil man Löcher oder Formen mit einem größeren Durchmesser als dem eigenen herstellen kann, werden beim Bohren Löcher mit einem Durchmesser gebohrt, der dem des Bohrers entspricht. Trotz seiner vielen Vorteile ist das Fräsen beim Erzeugen von Löchern viel langsamer als das Bohren, weshalb sich das Bohren eher dazu eignet, mehrere gleiche Schnitte hintereinander auszuführen.

Während die CNC-Bearbeitung viele verschiedene Techniken umfasst, geht es bei der subtraktiven Fertigung nicht nur um diese. Auch andere Methoden, wie z. B. das Stanzen, werden in vielen Bereichen eingesetzt.

Eine Vielzahl von Schneidetechniken

Während einige auf das Laserschneiden zurückgreifen, wie z. B. die Automobilindustrie, die mithilfe eines Lasers präzise Teile wie Bremsbeläge herstellt, entscheiden sich andere für die Elektroerosion. Diese auch als EDM (Electrical Discharge Machining) bezeichnete Technik gibt es in drei Formen: Drahterodieren, Senkerodieren und Schnellbohren, das sich vom herkömmlichen Bohren dadurch unterscheidet, dass mithilfe einer Elektrode feinere und tiefere Löcher erzeugt werden können. Auch wenn diese verschiedenen Methoden relativ langsam sind, unterscheiden sie sich von den anderen durch ihre Präzision. Da sie mit elektrischen Entladungen arbeitet, kann die EDM Werkstücke aus Beton, Stein, Metallen und vielen anderen Materialien herstellen.

Zur Electrical Discharge Machining kommt noch das Laserschneiden hinzu. Sie ermöglicht es, mit einem Laser mit einer Leistung von mehreren hundert Watt verschiedene Materialien schnell und präzise zu schneiden – zum Beispiel Teile bis zu einer Größe von 1 mm² mit einer Toleranz von plus/minus 20 Mikrometern. Neben dem Schneiden können Lasermaschinen auch gravieren. Laserschneidemaschinen gibt es in zwei Formen: CO2-Laser und Faserlaser, die zum Schneiden und Gravieren von Metallen verwendet werden. Trotz ihrer Vorteile haben Laserschneider einige Nachteile; beim Betrieb einer solchen Maschine können schädliche Dämpfe freigesetzt werden. Da Laser das Material durch Hitze schneiden, können die Laser selbst außerdem überhitzen. Daher müssen sie gekühlt werden, was häufig zusätzliche Maschinen erfordert.

Zu den wichtigsten Verfahren der subtraktiven Fertigung und genauer gesagt des Schneidens gehört schließlich das Wasserstrahlschneiden. Dieses Verfahren beruht auf der Verwendung eines Wasserstrahls, der zusammen mit einem Abrasivmittel mit hoher Geschwindigkeit auf die Oberfläche des Materials trifft. Dadurch wird das Material geschrumpft und getrennt, um die gewünschte endgültige Form zu erhalten. Um diesen Wasserstrahl zu erzeugen, ist ein Hochdruckkompressor erforderlich. Die Art des Wasserstrahls und das Material beeinflussen die Tiefe und Geschwindigkeit des Schnitts. Diese Technik ist in der Luftfahrt-, Automobil- und Maschinenbauindustrie sehr beliebt. Sie bietet insbesondere eine hohe Präzision, ist mit vielen Materialien kompatibel und im Gegensatz zu verschiedenen subtraktiven Verfahren nicht schädlich. Während andere Verfahren Späne, Staub oder Rauch erzeugen, fallen beim Wasserstrahlschneiden alle diese Abfälle weg, da der Wasserstrahl sie auf seinem Weg mit sich nimmt.

Das Wasserstrahlschneidverfahren (Bild: Fogepack Systèmes)

Nachteile und Vorteile im Vergleich zur additiven Fertigung

Wie bereits erwähnt, liegt der größte Vorteil der subtraktiven Fertigungsverfahren wahrscheinlich in ihrer Fähigkeit, eine hohe Maßgenauigkeit zu bieten. Im Gegensatz zu den meisten 3D-Druckverfahren, die auf Wärme angewiesen sind, um zu funktionieren, können bei der subtraktiven Fertigung Teile bei Raumtemperatur hergestellt werden, wodurch Probleme mit der Maßgenauigkeit vermieden werden, die mit der Arbeit (Schrumpfung/Schrumpfung) der Materialien zusammenhängen.

Um die Maßgenauigkeit bei der subtraktiven Fertigung zu gewährleisten, muss eine gewisse Umgebung garantiert werden. Wenn man z. B. ein Teil aus einem Stahlblock entwerfen möchte, ist es zwingend erforderlich, das Material mindestens drei Tage vorher in den Raum zu bringen, in dem der Zuschnitt stattfinden soll, da es sonst seine Dimensionen je nach Temperatur und Luftfeuchtigkeit verändern wird.

Subtraktive Fertigungsverfahren profitieren ebenfalls von einer größeren Auswahl an kompatiblen Materialien. Im Vergleich zum 3D-Druck, bei dem man mehrere Drucker, die auf verschiedenen Verfahren basieren, besitzen muss, wenn man unterschiedliche Materialien verwenden möchte, ist es möglich, Teile aus Metall, Kunststoff oder Holz auf ein und derselben Maschine herzustellen.

Die subtraktive Fertigung bietet eine hohe Maßgenauigkeit

Subtraktive Fertigungsverfahren haben jedoch erhebliche Nachteile. Zunächst einmal hinterlassen die verschiedenen Produktionsmethoden im Gegensatz zum 3D-Druck große Mengen an Abfall, während die additive Fertigung dadurch besticht, dass nur so viel Material wie nötig verwendet wird. Insbesondere bei der maschinellen Bearbeitung müssen Späne und Staub während des Fertigungsprozesses abgesaugt werden, um unnötige Materialüberschüsse zu vermeiden, die den Schneidprozess behindern könnten. Neben dem Staub, der bei der subtraktiven Fertigung entsteht, kann auch Rauch freigesetzt werden, der für die Arbeiter sehr schädlich sein kann, was bei der Verwendung von Lasern oder EDM-Verfahren häufig der Fall ist.

Außerdem bietet die subtraktive Fertigung nicht die gleiche Freiheit bei der Herstellung wie der 3D-Druck – ein Teil, das auf einmal gedruckt werden kann, erfordert manchmal mehrere Arbeitsschritte, die Verwendung verschiedener Maschinen und die Aufteilung in mehrere Teile, die wieder zusammengesetzt werden müssen, um durch die subtraktive Fertigung repliziert werden zu können.

Schließlich ist es schwieriger, komplexe Geometrien mit spanabhebenden Verfahren herzustellen. Die additive Fertigung ermöglicht eine größere Freiheit bei der Gestaltung. Mit anderen Worten: Der Designer muss sich nicht mit den Einschränkungen durch die verwendeten Werkzeugmaschinen auseinandersetzen und kann daher seiner Fantasie freien Lauf lassen, da er nicht durch die Herstellungskapazitäten eingeschränkt ist.

Die subtraktive und die additive Fertigung ergänzen sich.

Auch wenn die beiden Technologien regelmäßig gegeneinander ausgespielt werden, haben sie derzeit noch ganz unterschiedliche Anwendungsbereiche. Und das ist auch der Grund, warum sie in den meisten Fällen komplementär eingesetzt werden. Seit Beginn seines starken Wachstums wird der 3D-Druck am häufigsten für die Herstellung von Prototypen verwendet. Aufgrund der Vorteile, die die 3D-Technologien bieten, können mehrere Teile schnell und kostengünstig hergestellt werden und bieten somit die Möglichkeit, verschiedene Iterationen durchzuführen. Sobald die Form, die Materialien und die Teile festgelegt sind, können sie mithilfe subtraktiver Fertigungsmethoden in großen Stückzahlen hergestellt werden. Verschiedene Verfahren wie das Laser- und Wasserstrahlschneiden ermöglichen es, in kurzer Zeit eine große Anzahl von Teilen zu entwerfen. Andere Methoden, wie die CNC-Bearbeitung, können jedoch sehr zeitaufwendig sein. Diese Technik erfordert insbesondere einen wichtigen Programmierschritt sowie eine fast notwendige menschliche Präsenz. Heute wird die CNC-Bearbeitung vor allem bei der Herstellung von Spritzgussformen eingesetzt, einer formgebenden Fertigungstechnik.

Darüber hinaus ermöglicht die subtraktive Fertigung zwar die Reparatur von Gegenständen, doch der 3D-Druck bietet in diesem Bereich noch mehr Möglichkeiten. Hier ist insbesondere das Verfahren der Materialabscheidung unter konzentrierter Energie (DED) zu nennen, das unter anderem die Reparatur von Metallteilen ermöglicht, ohne dass diese ausgetauscht werden müssen. Konkret ist die Technologie in der Lage, Material zu einem bereits vorhandenen Teil hinzuzufügen, wodurch unnötige Baugruppen oder der Austausch großer Teile vermieden werden können. Ganz allgemein ermöglichen 3D-Technologien die Reproduktion von fehlerhaften oder verwitterten Teilen, und das alles auf Abruf und in kleinen Stückzahlen. Anstatt etwas wegzuwerfen, kann der Nutzer sein Teil reparieren und die Umweltbelastung minimieren.

Die DED-Technologie ermöglicht die Reparatur von Teilen (Bild: AdvancedPowders)

Trotz ihrer Unterschiede und Verfahren gehen die subtraktive und die additive Fertigung oft Hand in Hand. Aufgrund ihrer jeweiligen Eigenschaften ergänzen sich die beiden Fertigungsverfahren und ermöglichen die schnelle Herstellung präziser Teile, die bisher nicht vorstellbar waren. Die Organisation Hybrid Advanced Manufacturing – Integrating Technologies hat sich zum Ziel gesetzt, Unternehmen die Designfreiheit der additiven Fertigung und die Präzision der subtraktiven Fertigung zu bieten.

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*Titelbildnachweis: Turcon