3D Rapid Prototyping: Verfahren und Anwendungen

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Rapid Prototyping (RP) ist zurzeit in aller Munde, viele Forscher sprechen davon, dass die Technologie eine der bestimmenden Megatrends der nahen Zukunft ist. Doch was ist eigentlich unter diesem Begriff zu verstehen? Der Begriff Rapid Prototyping hat sich quasi als Oberbegriff für viele 3D-Druckanwendungen etabliert. Aber auch andere Fertigungsmethoden die auf CNC-gesteuerte (Computerized Numerical Control) Maschinen zurückgreifen, sind Teil der RP-Technologie. Ursprünglich wurde mit Rapid Prototyping, dem Wortsinn entsprechend, das schnelle Herstellen von Prototypen und Modellen beschrieben. Mittlerweile werden darunter auch die Begriffe Rapid Tooling (das schnelle Herstellen von Werkzeugen) und Rapid Manufacturing (das schnelle Herstellen von Kleinserien und Einzelstücken) zusammengefasst. Bei der Fülle an Begriffen und Verfahren kann man leicht den Überblick verlieren. Im folgenden Artikel erhalten Sie von uns eine kurze Zusammenfassung über alles Wichtige, was Sie über die Technologie des Rapid Prototyping wissen sollten.

Der Begriff Rapid Prototyping

Die Bezeichnung Rapid Prototyping beschrieb anfänglich nur die Verfahren zur schnelleren Herstellung von Modellen, Mustern oder auch einfachen Prototypen mithilfe von generativen Herstellungsverfahren. Ausgangspunkt ist das Vorhandensein von digitalen, dreidimensionalen Konstruktionsdaten. Wichtig für die Umsetzung dieser Technologie war die Entwicklung einer Datenschnittstelle die eine exakte Beschreibung der Geometrien des Objekts vornimmt und von den Rapid-Prototyping-Anlagen verwendet werden kann. Dies wurde mit der Entwicklung des Datenformates STL (STereoLithography) geschaffen. Die STL-Schnittstelle wurde ursprünglich für das Stereolithografieverfahren entwickelt und hat sich dann als Datenstandart bewährt.

Mit der Zeit wurden unter Rapid Prototyping auch die Begriffe Rapid Tooling und Rapid Manufacturing zusammengefasst. Unter Rapid Tooling wird das schnelle Herstellen von Werkzeugen und Werkzeugeinsätzen, unter Zuhilfenahme der gleichen Verfahren wie beim Rapid Prototyping, verstanden. Beim Rapid Manufacturing geht es im Gegensatz zum RP und RT um die Herstellung eines funktionierenden Endproduktes. Dabei werden wie bei den anderen beiden Rapid-Verfahren auch Methoden der generativen Herstellung verwendet. Insbesondere für Bereiche in denen Individualisierte Produkte oder Bauteile gebraucht werden oder kundenorientiert und in kleinen Stückzahlen hergestellt wird, ist das Rapid Manufacturing interessant.

Beispiel Protoytyp Greifhand gerfertigt im PolyJet Verfahren

Beispiel Prototyp einer Greifhand, gefertigt im PolyJet-Verfahren


Fertigungsverfahren des Rapid Prototyping

Seit Chuck Hull 1984 mit der Erfindung des Stereolithografieverfahrens die Grundlage für das Rapid Prototyping gelegt hat, haben sich noch eine Vielzahl anderer Fertigungsverfahren entwickelt. Nachfolgen finden Sie eine kleine Zusammenfassung der verbreitetsten Verfahren. Wenn Sie sich ausführlicher informieren möchten, finden Sie auf unseren detaillierten Verfahrensseiten weitere Informationen.

  • 3D-Pulverdruck: Eine Vielzahl Zehntelmillimeter dicker Schichten aus Polymergips werden Vollfarbig miteinander verklebt. Aufgrund der Vollfarbigkeit besonders für Anschauungs-/Ausstellungsmodelle beliebt.
  • Fused Deposition Modeling (FDM): Das Objekt wird aus geschmolzenem Kunststoff von einem Extruder tröpfchenweise aufgebaut. Ermöglicht schnelle, robuste Kunststoffmodelle. Führendes Verfahren für Heimanwendungen.
  • Stereolithografie (SLA): Ein flüssiges Kunstharz wird mit Hilfe eines Lasers ausgehärtet. Ermöglicht sehr genaue und detaillierte Modelle, kommt auch bei der Herstellung individualisierter Produkte zu Anwendung.
  • PolyJet: Ein Druckkopf bringt kleine Tropfen eines photosensitiven Polymers auf eine Werkplattform auf, was sogleich mittels eines UV-Lasers ausgehärtet wird. Die Kombination von mehreren Materialien ist schon während des Drucks möglich. Dies bietet die Möglichkeit sehr realistischer Prototypen.
  • Selektives Lasersintern (SLS)/Selektives Laserschmelzen (SLM): Mittels eines leistungsfähigen Lasers wird das pulverförmige Ausgangsmaterial in Form geschmolzen/gesintert. Beide Verfahren sind gut für die Herstellung von Funktionsmodellen oder Kleinserien. Sie bieten die Möglichkeit Metalle zu verarbeiten.
Prototyp Gehäuse gefertigt im Stereolithgrafie Verfahren

Beispiel Prototyp Gehäuse, gefertigt im Stereolithografie-Verfahren

Folgende Rapid Prototyping-Verfahren sind weniger bekannt aber dennoch interessant:

  • Contour Crafting: beschreibt den Bau eines Gebäudes mithilfe von Computergestützen Maschinen. Es funktioniert ähnlich dem FDM-Verfahren, allerdings mit Beton und einem größeren Bauraum. (Mehr Infos: Wikipedia)
  • Laminated Object Modelling: Dabei werden einzelne dünne Papierschichten in Form geschnitten und miteinander verklebt. Man kann damit ähnlich wie beim ColorJet-Verfahren in Farbe drucken, allerdings sind die Ergebnisse beim LOM weniger gleichmäßig. (Mehr Infos: Wikipedia)
  • Elektronenstrahlschmelzen: funktioniert im Prinzip so wie das Selektive Laserschmelzen, nur das kein Laser sondern eine Elektronenquelle das Metallpulver in Form schmilzt. (Mehr Infos: Wikipedia)
  • Laser Engineered Net Shaping: auch „Laser Powder Forming“ genannt, ist ein Verfahren bei dem ein Metallpulver durch eine Düse ausgebracht wird und sofort durch hochenergetische Laser an den vorbestimmten Stellen festgeschmolzen wird. Damit haben Wissenschaftler im Auftrag der NASA sogar schon Mondgestein 3D-gedruckt. (Mehr Infos: Wikipedia (Englisch))
  • Space Puzzle Molding: das Aluminiumwerkzeug (die Gussform) wird aus vielen Teilen zusammengesetzt, statt aus (meist) zwei Teilen, die aus einem Block gefräst werden. (Mehr Infos: Wikipedia)
Mondgestein 3D-Druck

3D-gedrucktes (LENS Verfahren) Mondgestein. Bild: Washington State University


Das sind die Vorteile des Rapid Prototyping.

Der große Vorteil der Rapid-Prototyping- Verfahren ist, dass man sehr viel schneller zum Modell, Prototyp oder Werkzeug gelangt. Die Herstellungsdauer variiert zwischen den gewählten Herstellungsverfahren und ist auch von der Größe und Komplexität des Objekts, sowie der Qualität und Druckfähigkeit des vorhandenen 3D-Modells abhängig. In aller Regel dauert die Erstellung des Objekts nicht länger als wenige Tage. Diese hohe Geschwindigkeit bei der Herstellung ermöglicht es viel eher und öfter Modelle/Prototypen zu verwenden. Als Anschauungsmodelle oder Funktionsmodelle eigenen sich RP-Objekte hervorragend und helfen so nachweislich die Motivation aller Beteiligten zu heben und auch Fehler in der Konstruktion oder Konzeption werden mit einem realen Modell besser und schneller ersichtlich. Je früher Konstruktionsfehler erkannt werden umso kostengünstiger und aufwandsparender können sie behoben werden.

Neben der Geschwindigkeit bringen die Rapid Prototyping Technologien noch einen weiteren Vorteil mit sich. Durch den generativen Aufbau von Objekten fällt ein großer Teil des Abfalls weg, der bei anderen Verfahren wie etwa dem Spanen, Fräsen, Drehen oder Schleifen entstehen würde. Dies ist nicht nur aus Kostengründen zu berücksichtigen sondern schont auch Ressourcen. Bei den Verfahren die ein Pulverbett verwenden kann das nicht benötigte Material meist problemlos für weitere Drucke wiederverwendet werden. Beim SLA und FDM und Polyjet-Verfahren ist für manche Formen ein Stützmaterial (Support) notwendig, das nach dem Druck entfernt werden muss. Durch eine geschickte Modellierung kann dieses aber auf ein Minimum reduziert werden.

Das Rapid Prototyping, stößt dann an seine kostenbedingten Grenzen, wenn Sie vorhaben eine normale (oberhalb von Kleinserien) oder Großserienfertigung zu beginnen. Doch bei einstelligen Stückzahlen oder einigen Dutzend bis hin zu wenigen Hundert Stück bieten Ihnen die RP-Verfahren nicht nur einen Geschwindigkeits- sondern auch einen Kostenvorteil, gegenüber traditionellen Herstellungsverfahren. Und grade wenn sie personalisierte oder individuelle Produkte für Ihre Kunden anbieten oder selbst dreidimensionale Objekte erstellen wollen entfalten die Verfahren, die unter dem Begriff Rapid Prototyping zusammengefasst werden, ihr Potential.

Eine weiterer Trend der mit der Etablierung des Rapid Prototyping einher geht, ist eine beginnende Re-Regionalisierung. Die weiter sinkenden Anschaffungskosten für Rapid-Prototyping-Anlagen machen es immer mehr Unternehmen möglich sich selbst eine Anlage zu kaufen und eigenständig ihre Modelle, Prototypen oder Endprodukte herzustellen. Dies erspart es ihnen solche Dienstleistung oder Produkte von anderen Anbietern einzukaufen. Privaten Nutzern erlaubt diese Technologie, Ersatzteile oder Gadgets selbst herzustellen und sich unabhängig von anderen Herstellern oder Lieferanten zumachen. Jeder kann nun zu einem „Hersteller“ werden, das einzige was Sie dazu brauchen ist ein 3D-Drucker und ein druckfähiges digitales 3D-Modell.

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