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Rapid Prototyping

Unter dem Sammelbegriff Rapid Prototyping versteht man eine Reihe verschiedener neuer Fertigungsverfahren, die das Ziel haben, vorhandene CAD-Daten möglichst ohne manuelle Umwege direkt und schnell in Werkstücke umzusetzen. Lesen Sie hier wie Rapid Prototyping genau funktioniert und auf was Sie achten sollten bei Rapid Prototyping.

Rapid Prototyping

Unter dem Sammelbegriff Rapid Prototyping versteht man eine Reihe verschiedener neuer Fertigungsverfahren, die das Ziel haben, vorhandene CAD-Daten möglichst ohne manuelle Umwege direkt und schnell in Werkstücke umzusetzen. Es handelt sich in der Regel um Urformverfahren, die das Werkstück schichtweise aufbauen.

Als Grundlage des Rapid Prototyping dienen 3D-CAD-Daten, aus denen dann Volumenmodelle, konvertiert ins STL-Datenformat, erstellt werden.

Diese konvertierten STL-Dateien werden an die Rapid Prototyping Anlagen gesendet, die dann direkt mit der Energie von Laserstrahlen den Prototyp Punkt für Punkt, Schicht für Schicht aufbauen. Diese Herstellmethoden werden deshalb auch oft als "generative Fertigungsverfahren" bezeichnet.

Rapid Prototyping: Modelbau / Prototypen

Die ersten Verfahren hatten das Ziel, Anschauungsmodelle zu erzeugen, aber mittlerweile wird die ganze Palette der Entwicklungsstufen abgedeckt: Proportions-, Ergonomie-, Design- und Funktionsmodelle und Prototypen mit Gebrauchseigenschaften.
Rapid Prototyping wird verstärkt in der Entwicklung, im Industriedesign und im Formenbau angewendet.
Weitere Einsatzgebiete sind die Herstellung von Ersatzteilfertigungen, Messe-, Präsentations- und Vertriebsprototypen, Urmodell für Abgüsse aus Silikonformen, Geometrieprototypen, Angebotsmuster für Lieferanten, Maßstabsmodelle, Konzeptmodelle, Reverse Engineering und Nachbau von computertomographischen Daten (Medizin).

Rapid Prototyping: Kleinserien automatisiert erstellen

Unter bestimmten Voraussetzungen findet Rapid Prototyping auch Einsatz in der Serienproduktion. Die Wirtschaftlichkeit hängt zum einen von der Teilegröße und zum anderen von der Stückzahl ab. Eine Daumenregel ist: je kleiner die Teile desto größer die wirtschaftliche Stückzahl. Teile mit wenigen Zentimeter Außenabmessung sind bereits des öfteren in Stückzahlen von mehreren hundert Stück mit z. B. Laser Sintern hergestellt worden.

Vorteilhaft ist dabei die Verfügbarkeit der Teile innerhalb weniger Arbeitstage. Da keine Werkzeugkosten anfallen, sind trotz höherem Einzelteilpreis die Gesamtkosten zur Teileherstellung deutlich geringer.

Bei konstruktiven Änderungen in der laufenden Serie werden die Teile einfach mit den neuen Konstruktionsdaten gebaut. Im Vergleich zur konventionellen Herstellung mit Spritzguss fallen bei Änderungen Werkzeugfolgekosten und Produktionsverzögerungen bedingt durch den Formenbau an. Mit dem Rapid Prototyping sind verschiedene Produkt- bzw. Teilevarianten ohne zusätzliche Kosten und Zeitverlust verfügbar.

Rapid Prototyping: SLS – Selektives Lasersintern, SLA – Stereolithographie, FDM – Fused Deposition Modeling, Vakuumguß

SLS:
Beim Selektiven Lasersinter – Verfahren (SLS), auch Schichttechnologie, handelt es sich um ein Verfahren lokalen Aufschmelzens von pulverförmigem Ausgangsmaterial durch einen CO2-Laser. Der Werkstoff wird schichtweise auf eine Teileplattform aufgebaut. Mit den vorliegenden Dateninformationen, im STL – Format des 3D-CAD-Modells, wird das Bauteil schrittweise in einem Pulverbett erzeugt. Die Daten steuern den Laserstrahl entlang des Bauteilquerschnittes. Schicht für Schicht erfolgt die Bearbeitung um eine Dicke von 0,1 – 0,2 mm. Bei der Absenkung der Teileplattform stellt der Pulverbehälter die Pulvermenge für eine weitere Schicht zur Verfügung. Die vom Laser zugeführte Energie wird vom Pulver absorbiert und führt zu einer lokalen Verfestigung des Materials.

SLA:
Das Stereolithographie – Verfahren (SLA) arbeitet ähnlich dem Lasersinterverfahren. 3D-CAD-Daten (STL – Daten) werden in 2D-Querschnitte umgewandelt. Ein Computer gesteuerter UV-Laserstrahl bildet die jeweiligen Konturen der Schichten auf einem flüssigen Polymerharz ab. Dort, wo der Laserstrahl auf das Harz trifft, härtet dieses aus. Das entstehende Kunststoff-Modell wird um eine Schichtdicke in das Harz abgesenkt und die nächste, darüber liegende Schicht kann ausgehärtet werden.

FDM:
Der FDM-Prozess selbst beginnt mit der Aufbereitung der STL-Daten in der zum System gehörenden Software. Damit wird das zu erstellende Modell für den Bauprozess in die richtige Lage positioniert und im Anschluß daran in mathematisch berechnete Schichten zerlegt (Slicen). Die Stützkonstruktionen werden, soweit sie erforderlich sind, automatisch berechnet. Danach werden die aufbereiteten Daten an die FDM-Anlage übertragen.

Der FDM Prozess:
Das Modellmaterial liegt in Drahtform auf leicht nachladbaren Spulen vor. Es wird in den in x und y verfahrbaren FDM-Maschinenkopf gezogen, dort aufgeschmolzen und anschließend durch die Düse auf die Bauplattform aufgebracht, wobei sich das Material sofort verfestigt und durch thermisches Verschmelzen verbindet. Das Modell wird so Schicht für Schicht erzeugt. Nach Fertigstellung des Modells steht dieses ohne großen Nachbearbeitungsaufwand als Funktionsteil, z.B. für Einbauuntersuchungen, Strömungsversuche und Funktionstests zur Verfügung.

Vakuumguss:
Das Vakuumgießen ist eine Abformtechnik zur Herstellung von Kunststoffteilen, welches z.B. Lasersinter-Prototypen, Stereolithographiemodelle oder Frästeile als Urmodell nutzt. Die Vervielfältigungen erfolgt in Silikonformen mit seriennahen Kunststoffen (Polyurethan – Gießharzen).
Heutige Vakuumgussmaterialien decken einen großen Bereich kommerzieller Kunststoffe ab und liefern Funktionsteile, die bezüglich einiger Eigenschaften mit späteren spritzgegossenen Großserienteilen verglichen werden können.

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