Additive vs. Subtraktive Fertigung: Ein umfassender Vergleich

Einführung

In der heutigen Fertigung werden komplizierte Entwürfe durch den Einsatz verschiedener Materialien und Verfahren in greifbare Objekte verwandelt. Die beiden gängigsten dieser Verfahren sind die additive und die subtraktive Fertigung. Natürlich verwenden Sie diese beiden Begriffe vielleicht nicht in Ihrer täglichen Konversation, aber ich bin sicher, Sie kennen die Verfahren, die mit diesen Begriffen verbunden sind: 3D-Druck, Laserschneiden, Plasmaschneiden und CNC fallen alle unter einen dieser beiden Begriffe.

Beide Verfahren sind zwar auf die Herstellung des Endprodukts ausgerichtet, aber die Funktionsweise ist genau umgekehrt. Dieser Artikel vergleicht und kontrastiert die additive und die subtraktive Fertigung in Bezug auf ihre Unterschiede, die Verwendung in der Industrie und die Entscheidung zwischen den beiden Verfahren.

Was ist Additive Fertigung?

AM oder 3D-Druck ist ein Verfahren zur schichtweisen Herstellung von Objekten durch Auftragen von Material auf die Oberfläche des Objekts. Am Anfang dieses Verfahrens steht in der Regel ein digitales Modell, das mit Hilfe eines computergestützten Entwurfs (CAD) erstellt werden kann. Das CAD-Modell wird dann in viele dünne Schichten in Form von Querschnittsschichten aufgeteilt. Die Maschine für die additive Fertigung nimmt dann diese digitalen Entwürfe auf und trägt entsprechend den Querschnittsschichten des herzustellenden Objekts Schicht für Schicht Material auf oder verfestigt es und baut das endgültige Objekt mit komplizierten Geometrien auf.

Die additive Fertigung umfasst eine Vielzahl von Technologien, wie z. B.:

• Fused Deposition Modeling (FDM)
• Stereolithographie (SLA)
• Selektives Laser-Sintern (SLS)
• Direktes Metall-Laser-Sintern (DMLS),
• Binder Jetting (BJ)
• Gerichtete Energieabscheidung (DED)
• Bogenkaschierung (SL)
• Herstellung laminierter Objekte (LOM)
• Selektive Abscheidungsbeschichtung (SDL)
• Digitale Lichtverarbeitung (DLP)
• Kontinuierliche Flüssigkeitsgrenzflächenproduktion (CLIP)

Bei all diesen Verfahren werden unterschiedliche Methoden der Materialabscheidung und -verfestigung angewandt, aber das Konzept des schichtweisen Auftragens ist das gleiche. Die additive Fertigung bietet die Möglichkeit, komplizierte Strukturen direkt aus dem Entwurf ohne den Einsatz von Werkzeugen und Formen herzustellen, was neue Möglichkeiten für Design und Produktion eröffnet, insbesondere bei kleinen Teilen.

Was ist subtraktive Fertigung?

Bei der subtraktiven Fertigung (SM) handelt es sich um ein konventionelles Fertigungsverfahren, bei dem von einem festen Materialblock oder Werkstück schrittweise Material abgetragen wird, um die gewünschte Form zu erhalten. Dies geschieht normalerweise durch verschiedene Bearbeitungsverfahren. Auch die subtraktive Fertigung basiert im Allgemeinen auf einem digitalen Modell, das in Anweisungen für computergesteuerte Maschinen wie CNC-Fräsen und -Drehmaschinen umgewandelt wird. Diese Maschinen verwenden Schneidwerkzeuge, um Material aus dem Werkstück herauszuschneiden, bis das Endprodukt hergestellt ist.

Zu den gängigen subtraktiven Fertigungstechniken gehören:

• Fräsen
• Wenden
• Bohren
• Schleifen
• Schneiden
• Elektrische Funkenerosion (EDM)
• Wasserstrahlschneiden
• Laserschneiden
• Plasmaschneiden

Es ist ein bewährtes und weit verbreitetes Verfahren zur Herstellung von Teilen mit hoher Genauigkeit und guter Oberflächengüte für eine breite Palette von Werkstoffen.

Hauptunterschiede: Additive vs. Subtraktive Fertigung

Obwohl beide Verfahren mit Rohmaterialien oder digitalen Entwürfen beginnen und darauf abzielen, fertige Teile herzustellen, unterscheiden sich additive und subtraktive Fertigung stark in ihren Herstellungsmethoden und Merkmalen. Die Kenntnis dieser Unterschiede ist wichtig, um den richtigen Ansatz für eine bestimmte Anwendung zu wählen.

Materialabfälle

Die subtraktive Fertigung beginnt mit einem großen Stück Material, und der Prozess des Schneidens und Entfernens von Material, um die gewünschte Form des Produkts zu erhalten, bedeutet, dass eine große Menge an Material in Form von Spänen, Schnitzeln oder Abschnitten verschwendet wird. Obwohl ein Teil dieser Abfälle wiederverwertet werden kann, bedeutet dies in vielen Fällen, dass die Rohstoffe weniger effizient genutzt werden.

Andererseits wird bei der additiven Fertigung relativ wenig Material im Herstellungsprozess verschwendet. Da das Material nur dort hinzugefügt wird, wo es benötigt wird, ist auch die Materialverschwendung bei diesem Verfahren geringer. Dadurch entsteht oft der Eindruck, dass es sich um ein umweltfreundlicheres Verfahren handelt. Dies mag zwar zutreffen, doch muss man sich die Details jedes Verfahrens ansehen, um festzustellen, ob es für die jeweilige Anwendung das beste ist.

Auswahl des Materials

Die subtraktive Fertigung bietet im Vergleich zur additiven Fertigung in der Regel ein breiteres Spektrum an Materialoptionen. Nahezu jedes Material, das bearbeitet werden kann, einschließlich verschiedener Metalle (Stahl, Aluminium, Edelstahl, Kupfer, Messing usw.), Kunststoffe, Holz, Verbundwerkstoffe und Keramik, kann mit herkömmlichen subtraktiven Fertigungsverfahren, einschließlich Laserstrahlschneidetechniken, bearbeitet werden.

Obwohl die additive Fertigung ihre Materialanwendung stetig ausweitet, ist die Bandbreite der effizient einsetzbaren Werkstoffe immer noch recht begrenzt. Die Auswahl an Werkstoffen für bestimmte additive Fertigungsverfahren kann begrenzt sein, und einige von ihnen erfordern möglicherweise spezielle Geräte oder Bedingungen für die Verarbeitung. Die additive Fertigung ist jedoch besonders nützlich für die Herstellung von Teilen aus verschiedenen Werkstoffen in einem einzigen Arbeitsgang, was mit den herkömmlichen Methoden des Materialabtrags möglicherweise nicht möglich ist.

Komplexität der Produktgestaltung

Die additive Fertigung eignet sich hervorragend für die Herstellung komplexer und komplizierter Formen, die mit den herkömmlichen Methoden des Materialabtrags nicht hergestellt werden können. Komplexe Geometrien wie innere Gitter, komplexe Kurven und feine Details können mit additiven Verfahren leicht hergestellt werden, ohne dass spezielle Werkzeuge oder mehrere Einrichtungsvorgänge erforderlich sind.

Die subtraktive Fertigung ist ein sehr genaues Verfahren zur Herstellung von Teilen, hat aber den Nachteil, dass die Reichweite der Schneidwerkzeuge und der Vorrichtungen begrenzt ist. Für komplizierte innere Merkmale oder Hinterschneidungen sind unter Umständen mehrere Werkzeuge und Vorrichtungen erforderlich, was den Prozess verlängert und verteuert.

Produktionsvolumen

Die subtraktive Fertigung ist in der Regel produktiver und wirtschaftlicher für die Massenproduktion von Komponenten mit einfachen Formen in verschiedenen Werkstätten. Nach dem Einrichten der Werkzeuge und dem Einrichten ist der Zeitaufwand für die Herstellung jedes Teils geringer als bei der additiven Fertigung.

Die additive Fertigung eignet sich am besten für die Kleinserienfertigung, das Prototyping und die Herstellung von Einzelstücken, bei denen die Kosten für die Einrichtung der subtraktiven Fertigung sehr hoch wären. Doch die Verbesserungen in der Technologie der additiven Fertigung machen sie auch für die Produktion mittlerer Stückzahlen möglich.

Fertigungsgeschwindigkeit

Die Geschwindigkeit, mit der additive und subtraktive Verfahren hergestellt werden können, hängt stark von der Komplexität des Teils und der Anzahl der zu produzierenden Teile ab. Bei Prototypen und Kleinserien komplizierter Teile kann die additive Fertigung schneller sein, da sie keine Werkzeuge und komplizierten Einrichtungsvorgänge erfordert.

Bei großen Stückzahlen relativ unkomplizierter Bauteile können die ausgereiften und effizienten Verfahren der subtraktiven Fertigung jedoch eine wesentlich kürzere Gesamtproduktionszeit ermöglichen.

Die Fertigungszeit bei der additiven Fertigung hängt von der Größe und Komplexität des Teils ab, da jede Schicht aufgetragen und verfestigt werden muss. Bei der subtraktiven Fertigung hängt die Bearbeitungszeit von der Menge des zu schneidenden Materials und der Art der auszuführenden Arbeiten ab.

Genauigkeit und Toleranz

Die subtraktive Fertigung, insbesondere die Präzisionsbearbeitung, ist in der Lage, ein hohes Maß an Genauigkeit und geringe Toleranzen zu gewährleisten. CNC-Maschinen können sich mit hoher Genauigkeit bewegen und schneiden, was die Herstellung von Teilen mit Toleranzen von wenigen Mikrometern ermöglicht.

Die additive Fertigung verbessert zwar die Genauigkeit, hat aber im Allgemeinen größere Toleranzen als die subtraktiven Verfahren. Die Präzision der durch additive Fertigung hergestellten Teile hängt von der Art des verwendeten Materials, der Art der im Fertigungsprozess eingesetzten Technologie und den Einstellungen der Maschine ab.

In Fällen, in denen die Abmessungen des Produkts sehr genau sein müssen und die Toleranzen sehr gering sind, ist die subtraktive Fertigung am besten geeignet.

Oberflächengüte

Mit subtraktiven Fertigungsverfahren wie Zerspanen und Schleifen lassen sich sehr glatte und hochwertige Oberflächen erzeugen. Diese Schneidwerkzeuge können Oberflächen mit geringer Rauheit erzeugen, was bedeutet, dass eine anschließende Endbearbeitung nicht erforderlich sein kann.

AM-Teile werden in der Regel schichtweise hergestellt, weshalb die Oberfläche der Teile nicht so glatt ist wie die von Teilen, die im subtraktiven Fertigungsverfahren hergestellt werden. Obwohl Techniken wie Schleifen, Polieren und Beschichten angewendet werden können, um die Oberflächenbeschaffenheit der additiv gefertigten Teile zu verbessern, erhöhen diese zusätzlichen Prozesse den Zeit- und Kostenaufwand für die Produktion.

In einigen Fällen, in denen die Oberflächenbeschaffenheit ein wichtiger Faktor ist, ist es sinnvoller, die subtraktive Fertigung einzusetzen.

Additive vs. Subtraktive Fertigung: Anwendungen in der Industrie

Sowohl die additive als auch die subtraktive Fertigung haben in verschiedenen Branchen weite Verbreitung gefunden, wobei sie die einzigartigen Stärken der jeweiligen Verfahren nutzen.

Anwendungen der Additiven Fertigung

Die additive Fertigung hat mit ihrer Fähigkeit, komplexe und kundenspezifische Teile herzustellen, mehrere Branchen revolutioniert. Zu den wichtigsten Anwendungen in der Industrie gehören:

Luft- und Raumfahrt

Luft- und Raumfahrtanwendungen wie die Herstellung von Leichtbaustrukturen für Flugzeuge und Space Shuttles, Prototyping und Werkzeugbau. Die Fähigkeit von AM, komplizierte Strukturen mit minimalem Materialeinsatz herzustellen, ist entscheidend für die Gewichtsreduzierung und die Verbesserung der Treibstoffeinsparung bei Luft- und Raumfahrtanwendungen. Außerdem ermöglicht es schnelle Zyklen in den Entwurfs- und Testphasen des Entwicklungsprozesses.

Medizinische

Herstellung von Implantaten, Prothesen, Zahnersatz oder sogar chirurgischen Schablonen, die auf jeden einzelnen Patienten zugeschnitten sind. Mit AM erreicht der Grad der Individualisierung ein erstaunliches Niveau, was zu gut sitzenden und damit effizienteren medizinischen Geräten für die Patienten führt. Die Technologie ermöglicht auch die Entwicklung komplexer, intern strukturierter und poröser Gewebe, die das Wachstum nützlicher Materialien fördern.

Automobilindustrie

Schnelles Prototyping, Werkzeugbau, Herstellung von Spezialprodukten und -elementen, Ersatzteile. AM ermöglicht ein schnelles Prototyping und die Erstellung komplizierter Entwürfe, ohne dass kostspielige Formen und Gesenke erforderlich sind. Es ermöglicht auch die Herstellung kleiner Mengen spezieller Komponenten und Ersatzteile bei Bedarf, wodurch die Lagerkosten minimiert werden.

Architektur

Herstellung von detaillierten Architekturmodellen und Prototypen. AM kann Architekten dabei helfen, genauere und detailliertere physische Modelle ihrer Entwürfe zu erstellen, die ihnen helfen, ihre Ideen zu erklären und die Strukturen, die sie bauen werden, zu visualisieren.

Anwendungen der subtraktiven Fertigung

Die subtraktive Fertigung ist in vielen Industriezweigen noch immer weit verbreitet, da sie eine hohe Genauigkeit, eine gute Oberflächengüte und niedrige Kosten bei großen Stückzahlen ermöglicht. Zu den wichtigsten industriellen Anwendungen gehören:

Automobilindustrie

Die subtraktive Fertigung ist in der Automobilindustrie für die Herstellung einer Vielzahl wichtiger Teile weit verbreitet. Dazu gehören Motorteile wie Zylinderköpfe und Motorblöcke, Fahrwerks- und Aufhängungsteile, die sehr genau und stabil sein müssen. Die subtraktive Fertigung eignet sich ideal für die Massenproduktion, da sie effizient große Mengen an Produkten mit gleichbleibender Qualität und Leistung liefert, um den Bedarf der Automobilindustrie an Millionen von Fahrzeugen zu decken.

Luft- und Raumfahrt

Die subtraktive Fertigung ist in der Luft- und Raumfahrtindustrie weit verbreitet, um komplizierte und hochfeste Strukturteile für Flugzeuge und Raumfahrzeuge herzustellen. Komponenten wie Aluminium, Titan und andere spezielle Legierungen werden nach den erforderlichen Spezifikationen für Gewicht und Festigkeit geschnitten und geformt. Diese Verfahren tragen dazu bei, die erforderliche Detailgenauigkeit und die Qualität des Materials zu erreichen, was für die Sicherheit von Luft- und Raumfahrzeugen, die unter schwierigen Bedingungen eingesetzt werden, von entscheidender Bedeutung ist.

Elektronik

Die subtraktive Fertigung ist auch bei der Herstellung elektronischer Geräte weit verbreitet, insbesondere bei der Herstellung von Gehäusen und Verkleidungen für verschiedene Geräte und Ausrüstungen. Zerspanung und Fräsen werden eingesetzt, um Metalle und Kunststoffe so zu schneiden und zu formen, dass sie sich den Konturen des Gehäuses anpassen, die inneren Teile schützen und das Aussehen verbessern. Auch bei der Herstellung von Kühlkörpern und anderen Teilen mit bestimmten thermischen und elektrischen Eigenschaften werden die subtraktiven Verfahren eingesetzt.

Medizinische

Die subtraktive Fertigung ist im medizinischen Bereich für die Herstellung verschiedener medizinischer Geräte und Instrumente weit verbreitet, die eine hohe Genauigkeit erfordern und häufig biokompatible Materialien verwenden. Das reicht von chirurgischen Instrumenten über orthopädische Implantate bis hin zu Teilen von Diagnosegeräten. Feine Merkmale und glatte Oberflächen sind für die Sicherheit und Effizienz medizinischer Geräte, die Patienten helfen, unerlässlich und werden durch Bearbeiten und Schleifen erreicht.

Wie wählt man zwischen additiver und subtraktiver Fertigung?

Die Entscheidung zwischen additiver und subtraktiver Fertigung hängt von mehreren Faktoren ab, die von der jeweiligen Anwendung und den Fertigungsanforderungen abhängen. Im Folgenden sind einige der Faktoren aufgeführt, die bei der Entscheidung berücksichtigt werden sollten:

Art des Materials

Die Art des Materials, das Sie wählen, kann manchmal ein entscheidender Faktor sein. Wenn Sie es mit Materialien wie bestimmten Stählen, Metallen oder Aluminiumlegierungen zu tun haben, dann sind die subtraktiven Fertigungsverfahren effektiver.

Erlaubt das Design jedoch die Verwendung von Materialien, die durch AM leichter zu verarbeiten sind oder bessere Leistungen erbringen, wie z. B. Thermoplaste, dann ist AM sowohl im Herstellungsprozess als auch in der Endanwendung klar im Vorteil.

Produktionsvolumen

Bei geringem Produktionsvolumen, insbesondere bei komplizierten Teilen oder Kleinserien, kann AM aufgrund der geringen Werkzeugkosten und der Fähigkeit, komplexe Formen ohne zusätzliche Werkzeuge zu erzeugen, wirtschaftlicher sein.

Mit steigendem Produktionsvolumen werden die Stückkosten der subtraktiven Fertigung jedoch günstiger, insbesondere bei komplexen Geometrien. Subtraktive Verfahren werden in der Regel in der Großserienfertigung bevorzugt, da der Prozess schneller abläuft, sobald die Werkzeuge eingerichtet sind.

Nachhaltigkeit

Zu den weiteren Faktoren, die berücksichtigt werden können, gehören die Faktoren der Nachhaltigkeit. Einer der Vorteile der additiven Fertigung ist, dass sie in einigen Fällen dazu beitragen kann, den Materialverlust zu minimieren. Allerdings sollten auch der Energieverbrauch und die Recyclingfähigkeit der bei der AM verwendeten Materialien berücksichtigt werden.

Bei der subtraktiven Fertigung fällt Ausschuss an, der jedoch in den meisten Fällen wiederverwendet werden kann (insbesondere Metalle). Es ist möglich, dass eine Lebenszyklusanalyse erforderlich ist, um zu entscheiden, welche Option für eine bestimmte Anwendung nachhaltiger ist.

Genauigkeit und Toleranzen

Wenn die Anwendung hohe Präzision und geringe Toleranzen erfordert, ist die subtraktive Fertigung, insbesondere die Präzisionsbearbeitung, die am besten geeignete Methode.

Obwohl die Genauigkeit der additiven Fertigung zunimmt, ist sie bei Anwendungen mit kritischen Toleranzen immer noch nicht so präzise wie die subtraktive Fertigung.

Anforderungen an Festigkeit und Dauerhaftigkeit

Die mechanischen Eigenschaften der durch additive und subtraktive Fertigung hergestellten Teile unterscheiden sich in Bezug auf Festigkeit und Haltbarkeit je nach Material und Verfahren.

Bei der subtraktiven Fertigung, insbesondere bei Knetmetallen, entstehen aufgrund des kontinuierlichen Faserverlaufs des Materials Teile mit hoher Festigkeit und Haltbarkeit.

AM-Teile können je nach Technologie und verwendetem Material anisotrope Eigenschaften oder eine geringere Gesamtfestigkeit aufweisen und schwächer sein als Teile, die durch subtraktive Fertigung hergestellt werden.

Für tragende oder stark beanspruchte Anwendungen ist es jedoch sicherer, herkömmliche Werkstoffe im subtraktiven Fertigungsverfahren zu verwenden.

Teil Design

Die Komplexität des Teiledesigns spielt eine große Rolle. Im Vergleich zu subtraktiven Verfahren ist die additive Fertigung in der Lage, komplexe Geometrien, innere Gitter und komplizierte Kurven zu erzeugen, die mit subtraktiven Verfahren manchmal nicht oder nur sehr schwer zu realisieren sind.

Wenn der Entwurf jedoch nicht sehr komplex ist und durch Ausschneiden von Material aus einem Block hergestellt werden kann, ist es vorteilhafter, die subtraktive Fertigung zu verwenden.

Vorlaufzeit

Da für die meisten additiven Fertigungsverfahren keine Werkzeuge erforderlich sind, können schnelle Prototypen und Kleinserien oft in einem Bruchteil der Zeit hergestellt werden. Dies ist zwar richtig, aber bei der Herstellung großer Mengen führt das subtraktive Fertigungsverfahren in Verbindung mit einer hohen Prozesseffizienz zu besseren Vorlaufzeiten, nachdem die erste Einrichtung abgeschlossen ist.

Kosten

Schließlich sind auch die Kosten ein sehr wichtiger Faktor, der nicht außer Acht gelassen werden darf. Die Kosten für Material, Ausrüstung, Arbeit und Nachbearbeitung sollten zwischen dem additiven und dem subtraktiven Fertigungsverfahren verglichen werden. Welches Herstellungsverfahren am kostengünstigsten ist, hängt von der Anwendung, der Anzahl der zu fertigenden Teile und der Komplexität des Teils ab.

TZR: Ihr Partner in der subtraktiven Präzisionsfertigung

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Schlussfolgerung

Additive und subtraktive Fertigung sind zwei unterschiedliche, aber wichtige Fertigungsmethoden in der heutigen Welt. Sie haben alle ihre Vor- und Nachteile und werden je nach Aufgabenstellung in verschiedenen Bereichen eingesetzt. Die Entscheidung zwischen ihnen hängt von der Bewertung der Bedürfnisse des jeweiligen Projekts ab.

Es liegt auf der Hand, dass sowohl die additive als auch die subtraktive Fertigungstechnik mit dem Fortschritt der Fertigungstechnologien auch in Zukunft von Bedeutung sein wird. Daher ist es wichtig, die Unterschiede zwischen ihnen und die Faktoren zu verstehen, die für ihre Wahl ausschlaggebend sind, um die richtige Wahl zu treffen und den Fertigungsprozess eines jeden Projekts zu verbessern.

FAQS

F: Ist die additive Fertigung umweltfreundlicher als die subtraktive Fertigung?

A: Die additive Fertigung reduziert in der Regel den Materialabfall, hat aber einen höheren Energieverbrauch. Andererseits kann die subtraktive Fertigung mehr Abfall produzieren, nutzt aber traditionelle Fertigungsverfahren.

F: Welches Herstellungsverfahren ist für das Rapid Prototyping am besten geeignet?

A: Die additive Fertigung ist im Allgemeinen besser für das Rapid Prototyping geeignet, da sie flexible Designiterationen und eine schnelle Herstellung von Prototypen ermöglicht. Außerdem ermöglicht sie die Entwicklung komplizierter Geometrien, die mit konventionellen Fertigungstechniken nicht hergestellt werden können.

F: Kann die subtraktive Fertigung harte Materialien verarbeiten?

A: Ja, die subtraktive Fertigung eignet sich besonders für die Bearbeitung harter Werkstoffe wie Titanlegierungen, gehärtete Stähle und rostfreie Stähle, die die Schneidwerkzeuge bei der Bearbeitung weniger leicht beschädigen.