Rapid Prototyping

Prototypen sind bei vielen Entwicklungsaufgaben die ersten realen Modelle des geplanten Produktes oder Bauteils. Das Design wird zumeist am PC mit modernen CAD-Systemen entwickelt und die Produktion erfolgt seit eingen Jahren verstärkt mittels additiver Fertigungsverfahren wie dem Rapid Prototyping. Schneller und kostengünstiger soll das gegenüber konventioneller Fertigung sein, doch die Technik dazu ist relativ neu. Welche Vorteile bietet das Rapid Prototyping für die Produktentwicklung wirklich? Was gibt es zu beachten? Und was kostet es? Mehr dazu in diesem Beitrag.

Was ist Rapid Prototyping?

Rapid Prototyping bedeutet ganz allgemein den schnellen Aufbau eines ersten Modells bzw. Prototypens. Dabei werden Verfahren zur kurzfristigen additiven Fertigung von Bauteilen aus formlosem Material genutzt. Grundlage für den Aufbau der Strukturen sind CAD-Daten, welche von 3D-Druckern innerhalb von ca. 1 – 5 Tagen zu realen 3D-Modellen verarbeitet werden. Dadurch wird es Unternehmen und Entwicklern möglich, schon in der frühen Entwicklungsphase erste Bauteilmodelle zu bauen. Daran können dann bereits Fehler und Konstruktionsschwachstellen erkannt und frühzeitg behoben werden, bevor in späteren Entwicklungsphasen für die Fehlerbeseitigung immense Kosten anfallen würden.

Grundlagen des Verfahrens

Es gibt verschiedene Verfahren, mit welchen man schnell Prototypen aufbauen kann. Grundsätzlich verfolgen aber alle Verfahren den gleichen Ansatz, welcher wie folgt beschrieben werden kann:

Ein Modell oder ein Bauteil wird mittels CAD-CAM Systemen modelliert. Die resultierende Bauteildatei muss dabei das Innenleben, die Außenflächen sowie die Bauteilgrenzen der Struktur spezifizieren. Die CAD-Datei muss geschlossene Oberflächen besitzen und ein geschlossenes Volumen aufweisen. Das stellt sicher, dass alle horizontalen Querschnitte aus geschlossenen Kurven aufgebaut werden können. Dies ist für ein gutes Ergebnis unentbehrlich.
Das CAD-Modell ist anschließend in das „STL“-Dateiformat zu konvertieren. Im STL-Format wird die Bauteiloberfläche durch Polygone angenährt. Komplizierte Geometrien erfordern mehr Polygone und es resultieren so größere Dateien.
Ein spezielles Computerprogramm („Slicer„) analysiert die STL-Datei und schneidet das Modell in horizontale Querschnitte. Diese werden anschließend systematisch neu aufgebaut. Durch die Erstarrung von z. B. Flüssigkeiten oder Pudern entsteht dann das 3D-Modell.

Welches Material wird eingesetzt?

Beim Rapid Prototyping gibt es je nach Verfahren und Drucker unzählige verschiedene Materialen. Die drei großen Bereiche stellen dabei Kunststoffe, Metalle und Keramiken. Aber auch Beton, Sand, Glas und sogar Schokolade werden teilweise eingesetzt.

Kunststoff

Kunstoffe kommen verstärkt bei FDM, MJM, SLS und SLA zum Einsatz. Dabei werden zum Einen flüssige und lichtaushärtende Duromere und Elastomere genutzt, die unter UV-Licht aushärten. Andererseits kommen aber auch ABS und Thermoplaste wie Polycarbonat, Polyamid und Polyvinylchlorid zum Einsatz.

Metall

Metalle werden beim Laserauftragsschweißen, metallischem SLS, SLM und auch MJM verwendet. Bei Metallen werden verstärkt pulverbasierte Ausgangsstoffe verarbeitet, feste und flüssige Ausgangsformen sind jedoch bei manchen Verfahren auch möglich. Verarbeitet werden bisher hauptsächlich Aluminium, Titan und Edelstähle.

Keramik

Die Verfahren SLM und SLS nutzen Keramiken. Damit werden Strukturen für ganz bestimmte Einsätzbereiche gefertigt, etwa wenn eine bestimmte Porosität gefordert wird oder wenn hohe Einsatztemperaturen vorliegen. Dafür nutzt man dann hauptsächlich komplexe monolithische Keramiken wie Zirkonoxid.

Vorteile – Nachteile

Vorteile von Rapid Prototyping

allgemein schnelles Herstellverfahren
kostengünstige Verfahren
detailgetreue Umsetztung digitaler Produktentwürfe
stark verkürzte Produktentwicklungszeiten
Minimierung von Konstruktionsfehlern und Verbesserung der Produktqulität

Nachteile

mechanische und optische Eigenschaften schwanken je nach Verfahren
häufig nur eine begrenzte Oberflächenqualität erreichbar
momentan nur bei kleinen Stückzahlen wirtschaftlich

Zukunftsaussichten

Das Rapid Prototyping kann bereits als ein etabliertes Herstellverfahren angesehen werden. Im Prototypenbau ist die technologische Reife des Verfahrens schon sehr hoch und die Anwendungspotentiale sind gut bekannt. In anderen Bereichen besteht hingegen noch großes Potential, welches in den nächsten 10 Jahren weitere Optimierungen gerade bei den Fertigungsverfahren nach sich ziehen wird. Geschwindigkeit, Abmessungen und Präzision werden zunehmen.