Rapid Prototyping ist ein schneller Entwurfsprozess, der die Entwicklung einer Idee, die Erstellung eines Prototyps und die Prüfung eines physischen Teils, Modells oder Gebäudes mithilfe eines computergestützten 3D-Designs (CAD) umfasst. Die Herstellung des Teils, Modells oder der Baugruppe erfolgt in der Regel durch additive Fertigung, die auch als 3D-Druck bezeichnet wird. Die additive Fertigung beschreibt die Technologie, mit der 3D-Objekte durch schichtweises Auftragen von Material hergestellt werden.
Es gibt zwei Arten von Prototypen, die zur Beschreibung eines Produkts verwendet werden. Ein High-Fidelity-Prototyp ist ein Prototyp, bei dem der Entwurf dem geplanten Endprodukt entspricht. Bei einem Low-Fidelity-Prototyp hingegen besteht ein deutlicher Unterschied zwischen dem Prototyp und dem Endprodukt.
Wie funktioniert Rapid Prototyping?
Rapid Prototyping (RP) beschreibt eine Vielzahl unterschiedlicher Fertigungstechnologien. Die am häufigsten verwendete RP ist die additive Fertigung. Andere Technologien, die allgemein für RP verwendet werden, sind jedoch Gießen, Formen, Extrudieren und Hochgeschwindigkeitsbearbeitung.
Bei der Verwendung der additiven Fertigung für das Rapid-Prototyping-Verfahren können verschiedene etablierte Verfahren zum Bau von Prototypen verwendet werden.
Diese Verfahren sind:
- Subtraktiv: Ein Materialstück wird durch Schleifen, Drehen oder Fräsen in die gewünschte Form gebracht.
- Komprimierend: Ein halbfester oder flüssiger Werkstoff wird vor dem Aushärten in die gewünschte Form gebracht, wie beim Gießen, Formen oder Drucksintern.
Welche Arten von Rapid Prototyping gibt es?
Stereolithographie (SLA) oder Bottich-Photopolymerisation
Dies ist ein additives Fertigungsverfahren, das schnell und kostengünstig ist. Diese Technik war die allererste funktionierende Methode des 3D-Drucks. Es funktioniert mit einem Tank mit lichtempfindlicher Flüssigkeit. Diese Flüssigkeit wird dann mit Hilfe eines computergesteuerten ultravioletten (UV) Lichts Schicht für Schicht in einen Festkörper verwandelt. Dieser Prozess ist irreversibel, und die SLA-Teile können nicht in die flüssige Form zurückverwandelt werden.
Selektives Lasersintern (SLS)
SLS ist eine additive Fertigungstechnologie, die für die Herstellung von Prototypen aus Metall und Kunststoff verwendet wird. Dabei werden Pulverschichten zur Herstellung eines Prototyps verwendet, wobei ein Hochleistungslaser zum Erhitzen und Sintern des pulverförmigen Materials eingesetzt wird. SLS-Teile sind schwächer als SLA-Teile. SLS ist jedoch kostengünstig, erfordert einen geringen Zeit- und Arbeitsaufwand und bietet eine hohe Produktivität. Außerdem ist die Oberfläche des fertigen Produkts rau und erfordert mehr Arbeit, um das fertige Produkt zu erhalten.
Fused Deposition Modelling (FDM) oder Material Jetting
FDM ist ein additives Fertigungsverfahren, das erschwinglich, schnell, billig und einfach zu handhaben ist. Das macht es ideal für die Produktentwicklung. FDM kann in vielen nicht-industriellen Desktop-3D-Druckern eingesetzt werden. Es erzeugt ein physisches Objekt von unten nach oben, indem es thermoplastisches Filament verwendet, das in einer Druckdüse geschmolzen wird. Die Druckdüse bewegt sich hin und her und trägt den flüssigen Kunststoff mit Hilfe eines Computerprogramms Schicht für Schicht auf.
Selektives Laserschmelzen (SLM) oder Pulverbettfusion (PBF)
Dieses Verfahren ist bei den Fans der additiven Fertigung sehr beliebt, da es relativ kostengünstig ist und hochfeste, vielseitige Teile herstellt. SLM wird in der Regel von Unternehmen der Automobil-, Luft- und Raumfahrt-, Medizin- und Verteidigungsindustrie eingesetzt. Bei der PBF-Methode wird entweder ein Elektronenstrahl oder ein Hochpulverlaser verwendet, um Materialpulver schichtweise aufzuschmelzen und miteinander zu verschmelzen, um entweder einen Prototyp oder ein Produktionsteil herzustellen. Für PBF kann jedes beliebige Pulvergrundmaterial verwendet werden, aber zu den am häufigsten verwendeten Materialien gehören Kobalt-Chrom-Legierungen, Aluminium, Edelstahl, Kupfer und Titan.
Laminated Object Manufacturing (LOM) oder Blechlaminierung
Dies ist ein relativ kostengünstiges Verfahren, das nicht so komplex ist wie SLM oder SLS. Der Vorteil von LOM ist, dass keine besonderen Kontrollbedingungen erforderlich sind. Beim LOM-Verfahren werden Kunststoff-, Metall- und Keramikmaterialien, die bereits mit Laserstrahlen oder einem anderen Schneidemechanismus zur Erstellung des CAD-Entwurfs geschnitten wurden, Schicht für Schicht zusammengefügt. Jede Materialschicht wird mit Klebstoff auf die vorhergehende geklebt, bis das Bauteil fertig ist. Ein Problem bei dieser Art der additiven Fertigung ist, dass keramische Teile dekubiert werden müssen, was arbeitsintensiv ist und längere Bearbeitungszeiten mit sich bringt.
Digital Light Processing (DLP)
DLP ist dem SLA-Verfahren insofern sehr ähnlich, als auch bei DLP die Polymerisation von Harzen verwendet wird, die mit Hilfe einer Lichtquelle ausgehärtet (gehärtet) werden. Die DLP-Lichtquelle besteht aus UV-Licht aus einem Projektor, während die SLA-Lichtquelle aus UV-Laserstrahlen besteht. Obwohl DLP schneller und billiger als SLA ist, benötigt DLP in der Regel Stützstrukturen und eine Aushärtung nach dem Bau.
Eine andere Form von DLP ist die Continuous Liquid Interface Production (CLIP). CLIP nutzt die digitale Lichtprojektion, um ein Teil zu formen, das kontinuierlich aus einer Wanne gezogen wird und keine Schichten verwendet. Während das Material aus der Wanne gezogen wird, wird eine Folge von UV-Bildern auf das Teil projiziert, um seine Form zu verändern. Dadurch wird das Teil gehärtet und der Prototyp entsteht.
Binder Jetting
Mit dieser additiven Fertigungstechnik können ein oder mehrere Teile gleichzeitig gedruckt werden. Im Vergleich zu SLS sind die hergestellten Teile nicht so stabil. Bei diesem Verfahren werden mit Hilfe von Düsen flüssige Bindemittel aufgesprüht, um Pulverpartikel zu verbinden, die eine Schicht des Teils bilden. Schicht für Schicht wird das Pulver hinzugefügt, mit einer Walze verdichtet und verteilt, und es wird Bindemittel hinzugefügt. Letztendlich entsteht das Teil durch das Aufschichten von Pulver und Bindemittel. Nach der Fertigstellung wird das Teil in einem Ofen ausgehärtet, um das Bindemittel abzusengen, wodurch das Pulver mit dem fertigen Produkt verschmilzt.
Anwendungen
Diese Verfahren werden von Produktdesignern, Ingenieuren und Entwicklungsteams zur schnellen Herstellung von Prototypenteilen eingesetzt. Prototypen sind für Produktdesigner äußerst vorteilhaft, da die Teile bei der Visualisierung, dem Entwurf und der Entwicklung des Herstellungsprozesses vor der Massenproduktion helfen.
Rapid Prototyping gibt es seit den späten 1980er Jahren und wurde ursprünglich zur Herstellung von Teilen und maßstabsgetreuen Modellen für die Automobilindustrie verwendet. Seitdem wurde es in einer Vielzahl von Branchen wie der Medizintechnik und der Luft- und Raumfahrt eingesetzt. Eine Anwendung in der Dentalindustrie ist die Herstellung verschiedener Zahnformen wie Kronen.
Schließlich ist Rapid Tooling eine weitere Anwendung von RP, die es ermöglicht, ein Produkt schnell und billig herzustellen. Es handelt sich um die Herstellung einer Form in einem verkürzten Zeitraum. Beim Rapid Tooling wird ein Teil wie ein Ultraschallsensorkeil erstellt und als Werkzeug in einem anderen Prozess verwendet.
Was sind die Vorteile?
Die Liste der Vorteile von Rapid Prototyping ist endlos. RP ermöglicht es Produktdesignern, Ingenieuren und Produktentwicklungsteams, sich bereits zu Beginn des Design- und Herstellungsprozesses ein umfassendes Bild davon zu machen, wie ihr Produkt aussehen oder funktionieren wird. So können Änderungen oder Verbesserungen bereits in den frühen Phasen des Prozesses vorgenommen werden, was dem Designer Zeit und Geld spart. Die Dauer des RP-Verfahrens kann von ein paar Tagen bis zu Monaten reichen und hängt weitgehend von der verwendeten additiven Fertigungstechnik ab.
Zwei weitere wichtige Vorteile von RP sind Kosteneffizienz und Präzision. RP ist eine äußerst erschwingliche Methode zur Herstellung von Prototypen, da es sich um ein automatisiertes Verfahren handelt, für das nicht viele Mitarbeiter benötigt werden. Es ist auch kosteneffektiv, weil RP schnell handeln und Probleme lösen kann, um das Risiko kostspieliger Fehler in der Fertigungsphase zu verringern. RP ist ein äußerst präzises Verfahren, da es mit computergestützten Designs (CAD) verwendet werden kann. Dadurch wird weniger Material vergeudet, und man braucht keine Spezialwerkzeuge, um Prototypen für jedes einzelne Produkt zu erstellen.
RP ermöglicht es Designern, ihre einzigartigen Ideen Vorstandsmitgliedern, Kunden und Investoren auf eine Weise zu präsentieren, die es ihnen ermöglicht, das Produkt zu verstehen und zu befürworten. Kunden und Auftraggeber können den Konstrukteuren ein genaueres Feedback geben, da sie sehen können, wie das Produkt tatsächlich aussehen wird, und zwar anhand des physischen Produkts, das sie sehen und anfassen können, anstatt sich etwas vorstellen oder in einer 2D-Zeichnung betrachten zu müssen.
Schließlich macht das RP-Verfahren es überflüssig, dass maßgeschneiderte Produkte von Grund auf neu entwickelt werden müssen. Es ist ein interaktiver Prozess, der es ermöglicht, die Bedürfnisse der Kunden mit erschwinglichen Mitteln in das Design zu integrieren. Dank dieses Prozesses bietet RP den Kunden eine größere Auswahl und Flexibilität.
Wie hoch sind die Kosten?
Die Kosten sind sehr unterschiedlich und hängen von einer Vielzahl verschiedener Faktoren ab. Zu diesen Faktoren gehören die physische Größe des Teils, die Bearbeitungsmethode, die Stückzahl, die Oberflächenbearbeitung, das Volumen oder die Menge des für die Herstellung des Teils verwendeten Materials, die Arbeitskosten und der Umfang der erforderlichen Nachbearbeitung.