Rapid Prototyping Überblick

Der Begriff Rapid Prototyping, wörtlich übersetzt „schneller Modellbau“, wird verschieden gebraucht, jedoch kann er ganz allgemein als eine schnelle Herstellungsmethode für Musterbauteile und Anschauungsmodelle bezeichnet werden.

Während historisch Modelle und Prototypen handwerklich erstellt wurden, sind durch die weitgehende Industrialisierung des Produktentwicklungsprozesses automatisierte Produktionsverfahren entstanden. Anstelle Modellbau mittels Kartonagen, Schaumstoffen und Holz oder Freiformen von Design-Entwürfen in Ton werden Urmodelle heutzutage computergestützt gefertigt,neben den dadurch erweiterten Möglichkeiten ist damit auch eine enorme Zeit- und Geldersparnis verbunden.

Bereits 1984 wurde mit der Stereolithographie das erste additive Verfahren von Chuck Hull, Gründer von 3D Systems, vorgestellt und durch sehr schnelle Etablierung des Verfahrens in der Produktentwicklung nur wenig später kommerzialisiert, in den Folgejahren wurden alternative Verfahren wie 3DP und FDM entwickelt und mit Patenten geschützt. Anfänglich wurden diese Verfahren hauptsächlich für Anschauungsmodelle mit niedrigen Anforderungen an mechanischen Eigenschaften und Oberfläche sowie Präzision genutzt, jedoch konnte die Qualität stetig durch Innovationen bei der maschinellen Ausstattung in Hard- und Software und neuer Materialien ganz wesentlich gesteigert werden, so dass heute viele Teile bereits als fertige Endprodukte eingesetzt werden können.

Die Grenzen zwischen Prototyp und finalem Endprodukt verschwimmen und somit kann man in vielen Fällen bereits von Rapid Manufacturing ( = „schnelle Produktion“) oder Direct Manufacturing (“direkte Produktion”) sprechen. Neu sind die nicht technischen Begriffe “3D-Druck”  bzw. “3D-Printing”, die mittlerweile umgangssprachlich für alle RP-Verfahren verwendet werden.

Funktionsweise Ablauf

Grundlage hierfür sind 3D – Konstruktionsdaten. Diese werden meist in einem CAD-Programm erstellt, mittlerweile auch oft über Reverse Engineering (Digitalisierung, Datenrückführung)-Technologien wie zum Beispiel 3D -Scanverfahren oder sie werden auch beispielsweise über Computertomographie gewonnen.

Das Übergabeformat in die Datenschnittstellen der entsprechenden Anlagen ist in der Regel das stl-Format. 2D – Zeichnungen und step- bzw. iges-Daten können diese ergänzen, um zusätzliche Informationen zu Oberfläche, Geometrie und Zusammenbau zu liefern.

Aus diesen Daten wird über verschiedene Verfahren ein Urmodell gebaut.

Verwendete Technologien

Es wird im wesentlichen unterschieden zwischen subtraktiven Verfahren, bei denen Rohmaterial durch mechanisches Abtragen von Material ( daher subtraktiv ) wie z.B. Fräsen, Drehen oder Bohren und elektrische Verfahren wie z.B. Funkerodieren bearbeitet wird, in der Regel CNC-gesteuert, um ein bestimmtes Objekt zu erzeugen. Bei der generativen Fertigung oder additiven Verfahren wird ein Gegenstand durch Hinzufügen und Aufbringen von Material ( daher additiv ) anhand digitaler Modelle in entsprechenden Datenformaten erzeugt.

Subtraktive Verfahren

In vielen Quellen werden die subtraktiven Technologien nicht mehr zum Rapid Prototyping gezählt, jedoch haben präzise gefräste Teile nach CAD-Daten in Originalmaterialien bezüglich Toleranz, Funktion und Belastbarkeit weiterhin ihre Berechtigung.

Additive Verfahren

Das Bauteil wird schichtweise aus flüssigen Materialien oder Pulver aufgetragen und gehärtet.

Dafür kommen ganz unterschiedliche Technologien zum Einsatz, die häufigsten werden im folgenden mit ihren Vor- und Nachteilen kurz erläutert:

Stereolithographieverfahren

Auch bekannt als STL oder SLA-Teile. Ein lichtaushärtender Kunststoff wird schichtweise aufgetragen, dieses Photopolymer bestehend aus flüssigen Duromeren oder Elastomeren, z.B. Epoxidharz, wird mit einem Laser gehärtet. Typische Schichtstärken sind 0,05 – 0,25 mm, bei Mikrostereolithographie kann die Genauigkeit auch bis zu 1-Mikrometerschichten betragen. Bei großen Teilen können Stützkonstruktionen notwendig sein. Die so gewonnenen Teile können direkt oder mit Teilekosmetik auch äußerlich mit angepasster Oberfläche, Farbe etc. und entsprechender Haptik eingesetzte werden. Eine größere Bedeutung kommt diesen Teilen jedoch als Urmodell für das Vakuumgussverfahren zu, wo es standardmäßig eingesetzt wird aufgrund den guten Oberflächeneigenschaften und Maßhaltigkeit.

– Selektives Lasersintern

Auch bekannt als SLS-VerfahrenThermoplaste wie z.B. Polycarbonat, Polyamid oder Polyvinylchlorid sowie Metalle oder Keramiken in Pulverformwerden schichtweise aufgebaut und mit einem Laser gehärtet. So können auch sehr komplexe Geometrien wie z.B. die wie ein dreidimensionales Netz aufgebaute Knochenstruktur im Modell aufgebaut werden oder auch Teile mit Hinterschnitten realisiert werden, die in herkömmlichen Fräs- und Drehverfahren oder in diversen Gießtechniken nicht umgesetzt werden können. SLS-Teile werden durch ihre mechanische Belastbarkeit, die durch Auswahl des richtigen Materials noch gesteigert werden kann gerne als Funktionsprototypen eingesetzt, jedoch können Sie durch Infiltrieren mit Harzen im Vakuum und dem damit verbundenem Verschluss der Poren sowie anderen Verfahren auch für weitere Prozesse wie z.B. Vakuumgießen oder anschließende Oberflächenbehandlung vorbereitet werden.

FDM, Fused Deposition Modeling

= „Schmelzschichtung“. Auch hier wird schmelzfähiger Kunststoff wie z.B. ABS oder Polylactide schichtweise aufgetragen, jedoch ist das Kunststoff- oder Wachsmaterial in drahtförmiger Form vorhanden, wird erwärmt und über eine frei verfahrbare Heizdüse aufgetragen und das Material härtet aus durch Abkühlen und das damit verbunden Erstarren des Materials. Die Schichtdicken können zwischen 0,025 – 1,25 mm liegen, die Wandstärken sollten mindestens 0,2 mm betragen. Herausragende Bauteile müssen unter Umständen mit Hilfe von Stützkonstruktionen aus Polystyrol oder auch Pappe gebaut werden, um die Maßhaltigkeit zu gewährleisten.

LOM, Laminated Object Manufacturing

Die Schichten bestehen aus Papier, jedoch existieren auch Systeme mit Keramik, Kunststoffen oder Aluminium. Es wird Schicht auf Schicht laminiert und dann jeweils nach jedem Auftrag die Kontur geschnitten, z.B. mit Messern, Heißdraht oder Laser. Wandstärken sind ab 2 mm realisierbar, die Schichtdicken des Papiers betragen 80 bis 150 µm. Die Aufbauzeiten liegen bei 2 -4 mm pro Stunde und wie bei jedem Verfahren sind diese Zeiten abhängig von der Geometrie und gewünschten Genauigkeit.

Multi-Jet Modeling (MJM)

oder Polyjet-Modeling. Ausgangsmaterial sind wachsartige Thermoplaste, UV-empfindliche Photopolymere, Sand, Metall- oder Glaspulver, die über einen Druckkopf aufgetragen werden, der über mehrere linear angeordnete Düsen verfügt und nach dem Prinzip eines Tintenstrahldruckers schichtweise das Material aufbaut.

Diese 3-D-Drucker können auch sehr feine Details mit einer Auflösung von 450 dpi oder sogar noch besser darstellen. Wie bei der Stereolithographie oder dem FDM-Verfahren müssen für überhängende Geometrien Stützkonstruktionen mitgebaut werden, bei diesem Verfahren aus niedrig schmelzendem Wachs oder nadelartiger Stützen aus Modellwerkstoff, daher wurden Zweikopfsysteme entwickelt die beides generieren können: Modellwerkstoff und spezielles Stützwachs.

Die Aushärtung der meist verwendeten UV-empfindlichen Photopolymere erfolgt über UV-Licht. Nicht nur der chemische Prozess ähnelt dem Stereolithographieverfahren, auch die Eigenschaften der Bauteile können mit den STL- /SLA-Teilen verglichen werden. Da jedoch diese Maschinen sehr kompakt sind, können sie im Gegensatz zu klassischen Stereolithographieanlagen auch in Büroräumen eingesetzt werden.

Eine weitere technologische Variante des MJM ist das Auftragen eines Klebstoffes auf pulvrige Substrate, wiederum ähnlich dem Prinzip eines Tintenstrahldruckers. In einer Art Wanne, die schrittweise abgesenkt werden kann, werden schichtweise Substrate aufgebracht. Nur die Stellen, die im Teil abgebildet werden sollen, werden mit Klebstoff besprüht. Der Vorteil ist, dass Stützstrukturen entfallen können, weil das Teil bis es fertig ist vom Substrat umgeben ist.

Daneben können durch verschiedene Pulverarten auch vielfältigere Materialien abgebildete werden, z. B. besteht die Option durch Verwendung von Metall- und Glaspulver im Verbund mit Klebstoff auch Metall- oder Glasmodelle herzustellen, die durch Sinterverfahren, anschließendes Wegbrennen des Kunststoffes und zur Erhöhung der Dichte bei Metallmodellen zusätzliche Infiltrierung dann auch wirklich massiv sind.