Rapid Technologie Die wichtigsten Verfahren für das schnelle Erstellen von Prototypen

Autor / Redakteur: Dipl.-Ing. Ullrich Höltkemeier / Karl-Ullrich Höltkemeier

Rapid Prototyping, der schichtweise Aufbau seriennaher Prototypen, auf der Basis von 3D-CAD-Daten. konstruktionspraxis stellt die wichtigsten Verfahren vor.

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Orange County Choppers benutzt einen Stratasys Fortus 400mc 3D Production System für ihre Bedürfnisse im Bereich Additive Fertigung.
Orange County Choppers benutzt einen Stratasys Fortus 400mc 3D Production System für ihre Bedürfnisse im Bereich Additive Fertigung.
(Bild: OCC)

Rapid Prototyping ist eine Bezeichnung für Verfahren, die auf der Basis einer dreidimensionalen Geometriebeschreibung die schnelle Herstellung von Modellen, Musterteilen und Prototypen ermöglichen.

Vorraussetzungen für Rapid Prototyping ist ein vollständiges und konsistentes 3D-CAD Modell auf einem leistungsfähigen Rechner, die exakte Beherrschung numerischer Steuerungstechnik und die Anwendung von Lasertechnologie sowie die Auswahl geeigneter Materialien für das Modell.

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Allen Verfahren gemeinsam ist, dass aus dem rechnerinternen 3D-Modell senkrecht zur Herstellebene dünne Querschnitt(Schnitte) abgerufen werden, die von einem Laserstrahl nachgefahren werden und im jeweiligen Kunststoffmaterial durch Aushärtung unter Temperatur schichtweise den Körper aufbauen.

Die Maßgenauigkeit und Oberflächengüte des entstandenen Modells reicht an die Qualität konventionell gefertigter Produkte heran.

Folgende Rapid-Prototyping-Verfahren haben sich entwickelt:

Stereolithographie (SLA oder STL)

SLA ist eines der ausgereiftesten generativen Verfahren zur Erstellung von RP-Modellen (Rapid-Prototyping Modellen) anhand 3D-Volumendaten. Das Verfahren zeichnet sich durch eine sehr hohe Darstellungsgenauigkeit im Bezug auf Geometrie und Maßhaltigkeit aus. Ein UV-Laser härtet nacheinander aufgetragene dünne Schichten aus Epoxid- oder Acrylharz aus.

Selektives Lasersintern (SLS oder LS)

Das Lasersintern ist ein schnelles und hoch automatisiertes generatives Verfahren, bei dem hochwertige CO2-Laser die Teile Schicht für Schicht aus pulverförmigem Material erstellen und versintern. Die steuerungstechnische Basis für die Laser wird automatisch aus den 3D-CAD-Geometriedaten gewonnen. Ausgangsmaterial sind Schichten aus pulverförmigem Kunststoff oder Metall.

Fused Deposition Modeling (FDM)

Hier werden leicht schmelzbare Kunststoffe in Drahtform zum fertigen Bauteil extrudiert. Stützgeometrien entfernt man danach im Wasserbad oder mit Ultraschall. Als Werkstoff kommt meist das Polymer ABS zur Verwendung.

Schicht-(Laminat)Verfahren (LLM)

Beim Layer-Laminate-Manufacturing werden die Schichtkonturen mittels eines Lasers oder eines Schneidplotters aus Papier-, Kunststoff-, oder Keramikfolie ausgeschnitten und vor oder nachher automatisch verklebt.

Das Material macht`s

Die ersten Rapid Prototyping-Verfahren hatten das Ziel, Anschauungsmodelle zu erzeugen, mittlerweile aber wird die ganze Palette der Entwicklungsstufen abgedeckt: Proportions-, Ergonomie-, Design- und Funktionsmodelle, Prototypen und Endprodukte mit Gebrauchseigenschaften. Verarbeitet werden zahlreiche Materialien nach verschiedenen Prinzipien:

  • Papier und andere Folien werden schichtweise übereinandergeklebt und von einem Laserstrahl beschnitten: Laminated Object Modelling (LOM)
  • lichtempfindlicher Kunstharz wird von einem Laserstrahl ausgehärtet: Stereolithografie (STL oder SLA)
  • Kunststoff wird als Faden zugeführt, geschmolzen und schichtweise aufgetragen: Fused Deposition Modelling (FDM)
  • herkömmliche Sintermetalle können auch gezielt durch Laser gesintert werden: selektives Lasersintern (SLS))
  • pulverförmiger Stoffe bis hin zu Metallen werden vom Laserstrahl aufgeschmolzen und binden sich in flüssiger Phase: Selective Laser Melting (SLM)
  • Gusssand, Marmor und ähnliches können mit Bindemitteln gemischt und durch Laser verbunden werden.

3D-Drucker

3D-Printing ist eines von mehreren generativen Fertigungsverfahren für Rapid Prototyping-, Rapid Tooling- oder Rapid Manufacturing-Anwendungen. Es ist ein Binderverfahren, das sich eng an das 2D-Printverfahren von Tintenstrahldruckern anlehnt und aus CAD-Daten schichtweise ein Modell aufbaut. Ausgangspunkt ist ein Granulat- oder Pulverbett.

Im 3D-Drucker werden die Pulverteilchen durch einen externen Binder miteinander verklebt, der dazu definiert eingespritzt wird. In einem nachgeschalteten Prozess muss der Binder wieder ausgetrieben und das Modell nachversintert werden.

Ein Digital Fabricator (kurz Fabber) ist ein Gerät, das materielle, 3-dimensionale Gegenstände aus auf Computern gespeicherten CAD-Daten erzeugt. Grundlegende Klassen dieses Maschinentyps sind subtraktive Fabrikatoren, die den gewünschten Gegenstand durch Abtragen bzw. Abtrennen von Material herstellen und additive Fabrikatoren, die den Gegenstand aus dem Grundwerkstoff aufbauen, insbesondere 3D-Drucker.

Ein 3D-Drucker ist eine Maschine, die dreidimensionale Werkstücke aufbaut. Sie sind eine spezielle Unterart der Maschinenklasse der digitalen Fabrikatoren.

Der Produkt-Aufbau erfolgt computergesteuert aus einem oder mehreren flüssigen oder pulverförmigen Werkstoffen nach vorgegebenen Maßen und Formen (CAD). Typische Werkstoffe für das 3D-Drucken sind Kunststoffe, Kunstharze, Keramiken und Metalle.

Die Entwicklung von 3D-Druckern stellt einen gewaltigen Wandel (zum nachhaltigen Produzieren) dar und kann ein jahrhundertealtes Prinzip beenden, nämlich Produkte aus Rohlingen und nur mit großen Verschnittmengen herzustellen. 3D-Drucker setzen nur soviel Material ein, wie tatsächlich benötigt wird. „Je kleiner die Stückzahl und je komplizierter das gewünschte Bauteil geformt sei, desto eher rechnet sich der 3D-Druck“, so ein Fachmann.

Kopieren was Spaß macht

Mit einer neuen Art von 3D-Druckern kopiert man alles, was Spaß macht: Kaffeetassen aber auch Klorollen-Halter. Der RigidBot beispielsweise ist einer dieser neuen 3D-Drucker. Bereits für 325 Dollar gibt es ihn in der kleinsten Ausführung als Bausatz.

Wer auf „German Engineering“ abfährt, der ist beim Fabbster von der Firma Sintermask gut aufgehoben. Der 3D-Drucker arbeitet ähnlich wie alle Geräte in diesem Preisbereich und erhitzt Kunststoff, um ihn anschließend mittels einer Düse schichtweise auf einen Objektträger zu „drucken“. Der MakerBot Replicator ist momentan vermutlich der bekannteste Drucker auf dem Markt. Der Replicator 2 verarbeitet ebenfalls Kunststoff in Rollenform und kommt fertig montiert für 2.200 US-Dollar (etwa 1700 Euro) daher.

Fachmesse Rapid.Tech

Am 14. und 15. Mai 2013 treffen sich Neueinsteiger und Experten zum 10. Mal auf der Erfurter Rapid.Tech, um neueste Ergebnisse, Trends und Möglichkeiten generativer Fertigungsverfahren kennen zu lernen. Neben dem Fachforum Luftfahrt wird es außerdem Foren zur Medizin- und Dentaltechnik, eine Anwendertagung, den Konstrukteurstag und ein Forum der Fraunhofer-Allianz Generative Fertigung geben.

Parallel dazu hat die FabCon 3.D auf dem Erfurter Messegelände Premiere. Sie wird dem aktuellen Hype rund um Fabber, Maker und 3D-Drucker erstmals im deutschsprachigen Raum eine Plattform bieten. Den Besucher erwarten neben einem kreativen Workshop- und Vortragsprogramm eine umfassende Ausstellung. Rund 25 Aussteller – vom Hersteller kommerzieller 3D-Drucker bis zu den Betreibern von Hackerspaces – werden die aktuellen Trends und Errungenschaften dieses Milliardenmarktes präsentieren.

* Dipl.-Ing. Ullrich Höltkemeier, Chefredaktion konstruktionspraxis

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