Dank Rapid Prototyping können Modelle und Bauteile innerhalb kürzester Zeit hergestellt werden.
Additive Fertigungstechnologien ermöglichen Produktentwicklern und Ingenieuren eine wesentliche Verkürzung der Design-Zeitpläne sowie signifikante Kosteneinsparungen.
Der Rapid Prototyping Prozess hat viele weitere Vorteile, die weit über die Optimierung des Design-to-Production Workflows hinausgehen.
Was ist Rapid Prototyping? — Definition
Der Begriff „Rapid Prototyping“ kommt aus dem Englischen und bedeutet „schnelle Mustererstellung”.
Die konventionelle Fertigung von Prototypen umfasst nicht nur eine sehr lange Planungsphase, sondern häufig auch die Notwendigkeit von speziell angefertigten Gussformen und Werkzeugen.
Trotz diesem zeitintensiven und teuren Prozess gibt es keine Gelinggarantie, denn selbst schwerwiegende Fehler sind nicht immer in den technischen Zeichnungen erkennbar.
„Rapid Prototyping löst diese Problematiken und ermöglicht das frühestmögliche Überprüfen der Funktionalität von Bauteilen.”
Tim Michael Funk, Geschäftsführender Gesellschafter FUNK MASCHINENBAU GmbH & Co. KGGrundlegend für den Rapid Prototyping Prozess sind additive Fertigungsverfahren, die auch synonym als 3D-Druck bezeichnet werden.
Übersicht von Rapid Prototyping Verfahren
Die Auswahl des passenden 3D-Druckverfahrens ist beim Rapid Prototyping abhängig von verschiedenen Faktoren, die im Vorfeld sorgfältig abgewogen werden müssen.
Dazu zählen:
- Material- und Genauigkeitsanforderungen
- Größe der Teile
- Oberflächenbeschaffenheit
- Material- und Maschinenkosten
- Fertigungsgeschwindigkeit
In dieser Übersicht sind einige der Rapid Prototyping Verfahren aufgeführt, die in der Industrie zum Einsatz kommen:
| Verfahren | Erklärung |
|---|---|
| MJF: HP Multi Jet Fusion | Generierung von hochdetaillierten Kunststoffteilen, indem Binder und Pulver zur Verschmelzung von Schichten verwendet werden. |
| SLS: Selektives Lasersinterverfahren | Durch das Verschmelzen von Pulvermaterialien entsteht ein festes 3D-Modell. |
| SLA: Stereolithographie | Flüssiges Harz wird schichtweise mit Hilfe eines UV-Lasers ausgehärtet, um das gewünschte 3D-Modell zu erstellen. |
| CARBON DLS: Carbon Digital Light Synthesis™ | Photopolymerisation ist die Basis für dieses Verfahren, um robuste, funktionale Teile aus Kunststoff herzustellen. |
| FDM: Fused Deposition Modeling | Umfasst alle Verfahren, die erhitzten, geschmolzenen Werkstoff nutzen, um das Modell aufzubauen. |
| MJP: Multi Jet Printing MJP | Bei MJP wird Tintenstrahldrucktechnik verwendet, um präzise Kunststoffmodelle mit glatten Oberflächen und hoher Detailgenauigkeit zu erzeugen. |
| 3D-Druck mit Endlosfasern: Kohlefaser, Kevlar und Glasfaser | Endlosfasern werden in Kunststoffe integriert, um Festigkeit und Leichtigkeit zu kombinieren — ideal für funktionsfähige Teile. |
| SLM: Selektives Laserschmelzen | Hier wird ein Laser genutzt, um Metallpulver in Schichten zu schmelzen und komplexe Metallkomponenten herzustellen. |
| DMP: Direct Metal Printing | Basiert auf der gleichen Idee wie SLM, jedoch unter Verwendung von Metallpulver und einem Laser, um präzise Metallteile zu erzeugen. |
Hybride Bauweise
Oftmals bietet eine ganzheitliche Betrachtung des Projektes, sowie eine hybride Bauweise, also die Kombination verschiedener Fertigungsverfahren, die beste Lösung!
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Rapid Prototyping und die Vorteile der additiven Fertigung
Während bei konventionellen spanenden Verfahren Material vom Ausgangsstück entfernt wird, um die gewünschte Form zu erhalten, platziert man bei additiven Methoden das Material nur an den benötigten Stellen.
Im Vergleich zu vielen subtraktiven Verfahren, gibt es weniger Materialverschwendung und kürzere Fertigungszeiten, da der gesamte Produktionsablauf effizienter ist.
Diese weiteren Vorteile bietet additive Fertigung für Unternehmen:
| Vorteil | Beschreibung |
|---|---|
| Reduktion der Fertigungskosten um bis zu 80 % |
|
| Optimierung der Entwicklungszeiten |
|
| Gestaltungsfreiheit |
|
| Funktionsintegration |
|
| Verantwortungsbewusster Umgang mit Ressourcen |
|
| Verkürzung der Produktions- und Lieferzeiten |
|
| Reverse Engineering |
|
10er-Regel der Fehlerkosten
Die Kosten der Fehlerbehebung steigen in jeder Phase — von der Planung über Entwicklung bis hin zur Fertigung, jeweils um den Faktor 10.
Dank dem 3D-Druck können Konstruktionsfehler wesentlich früher in der Prozesskette erkannt und kostengünstig behoben werden.
Effizientere Prozesskette dank Rapid Prototyping
Die Prozesskette der Modellherstellung beim Rapid Prototyping lässt sich in 4 wesentlichen Schritten zusammenfassen:
| Schritt | Beschreibung | |
|---|---|---|
| 1. | Digitales Modell importieren | Import des 3D-Modells in die Softwareumgebung |
| 2. | Vorbereitung für das jeweilige Verfahren | Segmentierung und Aufteilung des Modells in Schichten |
| 3. | Anfertigung | Druck des physischen Modells |
| 4. | Nachbearbeitung | Eventuell notwendige Schritte, wie z.B. Entfernen von Stützstrukturen, ätzen oder polieren |
Die schnelle Verfügbarkeit von physischen Produktmodellen sorgt dafür, dass die Entwurfs‑, Konstruktions- und Produktionsplanungsphase eher erfolgen können.
Weiterhin sind bereits in der Produktionsentwicklungsphase vollständig ausgearbeitete Daten vorhanden.
Deshalb ist eine Parallelisierung mit der Produktionsplanung nicht mehr notwendig.
Die Zeiteinsparung bei Rapid Prototyping Verfahren lässt sich im direkten Vergleich zu Simultaneous Engineering gut verdeutlichen:
FUNK Wissensdatenbank
In der FUNK Wissensdatenbank finden Sie Whitepaper und Erfahrungsberichte mit Einblicken aus der Praxis zu allen wichtigen Themen rund um 3D-Druck bzw. additive Fertigung.
Rapid Prototyping und Industrie – Fazit
Rapid Prototyping kann in jeder Phase des Produktentwicklungszyklus und für beliebige Komponenten oder Teilkomponenten eingesetzt werden.
Dadurch bieten sich in nahezu jeder Industrie erhebliche Vorteile:
Rapid Prototyping bietet Unternehmen die Möglichkeit, individuelle Kundenwünsche rasch umzusetzen, Ersatzteile herzustellen und agil auf sich wandelnde Marktbedingungen zu reagieren.
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Quellen
Berger, U., Hartmann, A., Schmid, D. (2013). Additive Fertigungsverfahren. Haan-Gruiten: Verlag Europa-Lehrmittel.
Autor: Tim Funk