• Rapid Prototyping 3D-Druck Material

Rapid Prototyping

Mit umfassender Lösungskompetenz in der generativen und subtrahierenden Fertigung und breit gefächertem Wissen über die zu verarbeitenden Werkstoffe sichern wir unseren Kunden ein effizientes, kundennahes und anforderungsunabhängiges Projektmanagement bei der Auswahl der richtigen Fertigungstechnologie.

Rapid Prototyping – Unsere Leistungen

  • Selektives Lasersintern (SLS): Schnelle, flexible und kostengünstige Präzisionsfertigung von Produkten, Formen/Werkzeugen oder Modellen direkt aus CAD-Daten.
  • Stereolithografie – (STL): Unmittelbare, materialvariable und preisgünstige Herstellung funktionsfähiger Bauteile und Designmuster.
  • 3D Druck / 3D Print (Polyjet): Herstellung von funktionsfähigen Präzisions- und Designmustern, Werkstücken und Konzeptmodellen mit außergewöhnlichen Bauraummaßen und über 140, auch kombinierbaren Materialoptionen.
  • 3D-Fräsen: Auf modernsten 5-Achs-CNC-Fräsen werden insbesondere Urmodelle, Designteile, Werkzeuge und vielschichtige Serienteile gefertigt, 2D + 3D.
  • Vakuumguss: Zum Ausgießen des Urmodells in einer Silikon-Vakuum-Form (Softtool) nutzen wir Polyurethan, je nach Anwendungszweck mit elastischer oder hochfester Konstitution.
  • Rapid Tooling (Spritzguss): Anhand von HSC-Fräsen stellen wir Spritzguss-Werkzeuge aus hochstabilem Aluminium her, die Basis, auf der hochwertige Spritzguss-Prototypen im Serienwerkstoff entstehen, ferner aus thermoplastischen Kunststoffen und Silikonen Spritzgussteile in Klein- und Großserienformaten.
  • Metallguss: Kosteneffiziente, formstabile Herstellung von mechanisch belastbaren Metallprototypen aus allen gängigen Aluminium- und Zinkdruckguss-Legierungen sowie verschiedenen Buntmetallen. Unser Vakuum-Differenzdruckguss befüllt die jeweilige Gießform in Perfektion.
Rapid Prototyping Verfahren
Rapid Prototyping Verfahren

Rapid Prototyping Definition

Rapid Prototyping – der Name ist quasi Programm. Wörtlich übersetzt bedeutet Rapid Prototyping „schneller Modellbau“. Dieser Begriff fungiert dabei als Oberbegriff für die unterschiedlichen Verfahren zur schnellen Fertigung von Musterbauteilen oder -gruppen; gerade Fertigungsmethoden, die auf CNC-Maschinen basieren, sind ein wesentlicher Bestandteil dieser Rapid Prototyping Technologie. Etabliert hat sich der Begriff zudem als Rahmenbegriff für zahlreiche 3D-Druckanwendungen. Dabei wird das Rapid Prototyping grundsätzlich eingesetzt, um aus dreidimensionalen CAD-Konstruktionsdaten (hier: Computer Aided Design; CAD) binnen eines kurzen Zeitraums physische Modelle anzufertigen. Somit erhalten Unternehmen dank des Rapid Prototypings die Möglichkeit, innovative Ideen respektive Visionen effizient und schnell in fertige Endprodukte umzusetzen.

Rapid Prototyping, das gemeinhin auch unter der Bezeichnung 3D-Druck bekannt ist, stellt eine additive Fertigungstechnologie statt. Dabei wird das Ziel verfolgt, vorhandene CAD-Daten in einem automatisierten Prozess schnell und direkt in Werkstücke umzusetzen. Bestenfalls erfolgt dies ohne jegliche manuelle Umwege, Handlungen und Formen. Unterstützt wird ein entsprechend schichtweiser Aufbau aus formneutralem oder auch formlosem Material durch das Nutzen von chemischen sowie physikalischen Effekten. Zu Beginn des eigentlichen Prozesses wird dann mittels einer CAD-Software oder eines artverwandten Modellierungsprogramms ein virtuelles Design entworfen. Im Folgenden liest der 3D-Drucker dann die entsprechenden Daten aus der jeweiligen CAD-Zeichnung. Dabei werden vom Drucker explizit Schichten von verschiedenen Materialien übereinandergelegt; in der Regel werden diese Schichten aus Pulver-, Flüssig- oder Plattenmaterial erstellt. Durch diesen schichtweisen Aufbau entsteht dann das physische Modell quasi aus einer Vielzahl von Querschnitten. Um die endgültige Form herzustellen, werden anschließend die virtuellen Querschnitte bzw. die einzelnen Schichten automatisch miteinander verbunden. Verfahren dieser Art, die seit den 1980er Jahren den Begriff des Rapid Prototypings prägen, sind in der Regel so bezeichnete Urformverfahren.

Um eine permanente und fehlerfreie Übersetzung bzw. Kommunikation zwischen dem verwendeten 3D-Prototyping-Gerät und der CAD-Software zu gewährleisten, wird eine im STL-Dateiformat angelegte Standardschnittstelle verwendet. Dabei wird in diesem STL-Dateiformat die Form einer Baugruppe oder eines Bauteils mit dreieckigen Flächen erschaffen bzw. nachgebildet. Mit dieser Technik können Modelle, Prototypen oder Werkzeuge weitaus schneller gefertigt werden als mit herkömmlichen Methoden. Allerdings können keine pauschalen Zeiten genannt werden, da die Herstellungsdauer gleich von mehreren Faktoren abhängig ist. So bestehen hier oftmals erhebliche Unterschiede zwischen den unterschiedlichen Herstellungsverfahren, zwischen der Größe und der jeweiligen Komplexität des Modells bzw. des Objekts, sowie auch zwischen der Druckfähigkeit und Qualität des vorhandenen 3D-Modells. So können in einigen Fällen mit Rapid Prototyping Systemen in nur wenigen Stunden entsprechende 3D-Modelle hergestellt werden; in aller Regel dauert die Erstellung eines äußerst komplexen Objekts nicht länger als lediglich wenige Tage. Diese explizit hohe Geschwindigkeit bei der Fertigung erlaubt es den Unternehmen somit, sowohl eher als auch häufiger Modelle respektive Prototypen zu verwenden. Dank der durch das Verfahren generierten Objekte können dabei sämtliche Funktionalitäten hervorragend überprüft werden.

Mittlerweile ist Rapid Prototyping auch eng verbunden mit den Begriffen bzw. Verfahren des Rapid Manufacturing (hier: schnelles Herstellen von Einzelstücken und Kleinserien) sowie des Rapid Tooling (schnelle Produktion von Werkzeugen). Im Gegensatz zum Rapid Prototyping und auch Rapid Tooling geht es beim Rapid Manufacturing dabei vorzugsweise um die Fertigung eines funktionierenden Endproduktes; zur Anwendung kommen dabei auch die Methoden der generativen Herstellung. Interessant ist das Rapid Manufacturing gerade für Bereiche, in denen individualisierte Bauteile respektive Produkte benötigt werden oder aber in denen extrem kundenorientiert und in vergleichsweise kleinen Stückzahlen produziert wird.

Rapid Prototyping Anwendungsbereiche

Das Hauptanwendungsgebiet des Rapid Prototypings ist die Herstellung von Modellen sowie Prototypen im Bereich Technischer Bauteile mit einer hohen Komplexität. Durch das Rapid-Prototyping-Verfahren kann die Entwicklung von Produkten im Hinblick auf Zeit, Kosten sowie Design eminent optimiert werden. Das Nutzen von CAD-Werkzeugen innerhalb des ganzheitlichen Designprozesses ist mittlerweile zum umfassenden Standard geworden. Dabei kommt es jetzt immer häufiger gerade in sehr frühen Projektstadien des zur Anwendung. Da die erzeugten Daten direkt für den automatisierten Modellbau verwendet werden, können erhebliche Kosten und Zeitressourcen eingespart werden. Gleichzeitig erhält der involvierte Designer einfachere und zugleich bessere Möglichkeiten, um den Entwurf an detaillierten, dreidimensionalen Modellen zu kontrollieren und gegebenenfalls zu optimieren. Je nach jeweiligem Projektstadium und Verwendung bzw. Einsatz des Modells unterscheiden sich dann auch die entsprechenden Anforderungen an das Prototyping-Verfahren.

In der Regel werden folgende Modelltypen für unterschiedliche Anwendungsbereiche gefertigt:

  • Design-Modelle (Ikonische Modelle): Modelle dieser Art sollen eine detaillierte optische Beurteilung eines Entwurfs oder Modells gewährleisten. Wichtig ist dabei, dass hierbei ein Höchstmaß an Detailgenauigkeit und Oberflächenqualität vorliegt. Demgegenüber sind die Anforderungen an die verwendeten Material vergleichsweise gering.
  • Ergonomie-Modelle: Anhand dieser Modelle lassen sich die Bedienungs- und Anwendungseigenschaften des jeweiligen Produkts exakt überprüfen. Während eine hervorragende Oberflächenqualität hier Priorität besitzt, sind die Anforderungen an Material und an Detailgenauigkeit eher gering.
  • Funktions-Modelle: Diese Modelle dienen der umfassenden Kontrolle einzelner Eigenschaften oder auch der jeweiligen Funktionen des Endprodukts. Insbesondere die Funktionalität, die Passgenauigkeit sowie die physikalische Eigenschaften stehen hier auf dem Prüfstand. Die Anforderungen an Oberflächenqualität, Detailgenauigkeit und Material sind je nach Anwendungszweck unterschiedlich.
  • Proportions-Modelle: Diese Modelle sollen detailliert die Proportionen sowie die Form eines Bauteils offenlegen. Modelle dieser Art können in der Regel preisgünstig und schnell hergestellt werden. Die Anforderungen an Detailgenauigkeit, Material und Oberflächenqualität sind vergleichsweise gering.
  • Technische-Prototypen: Anhand dieser Modelle kann exakt festgestellt werden, ob sämtliche Funktionsanforderungen des Endprodukts auch tatsächlich erfüllt werden. Hierbei bestehen sowohl am Material als auch an der Oberflächenqualität und der Detailgenauigkeit explizit hohe Anforderungen.

Rapid Prototyping Verfahren kommen mittlerweile in zahlreichen Branchen zur Anwendung. Im Folgenden sind exemplarische Beispiele einer branchenspezifischen Anwendung aufgelistet:

Rapid Prototyping in der Architektur

Seit etwa 2002 kommen Rapid-Prototyping-Verfahren in der Architektur zum Einsatz. Immer mehr Architekten überprüfen inzwischen ihren Entwurfgedanken mit dem Einsatz von Protoyping-Techniken. So entstehen hier oftmals beeindruckend präzise und filigran modellierte Modelle, mittels denen Optik, Funktionalitäten und Passgenauigkeit von Baukonstruktionen präzise veranschaulicht werden.

Rapid Prototyping in der Automobilindustrie

In der Automobilbranche wird Rapid Prototyping gerade im Hinblick auf kundenspezifischen Lösungen eingesetzt. Die Prototyping-Verfahren optimieren dabei die Herstellung von kleinen Serien sowie bei Baureihen mit verstärktem Individualisierungsbedarf. Im Fokus steht dabei sowohl die geometrische als auch die funktionale Bauteilsicherung. So lassen sich Bauteile anschließend direkt in Serienfahrzeugen einführen bzw. verbauen. Durch den Einsatz von Prototyping wird dabei zum einen maximale Designfreiheit erreicht. Zum anderen schafft eine Rapid-Prototyping-Anwendung die nötigen Voraussetzungen, leichte und gleichzeitig komplexe Komponenten für Autos zu entwickeln, die über einen explizit hohen Festigkeitswert verfügen.

Rapid Prototyping in der Flugzeugindustrie

In dieser Branche arbeitet jeder Flugzeugbauer mit 3D-Druckern. Während zum Beispiel EADS und Airbus schon länger mit Rapid-Prototyping-Verfahren bzw. 3D-Druckern in der Planung und im Modellbau arbeitet, setzt der US-Flugzeughersteller Boeing seit 2012 ebenfalls auf diese Technik. Die britische Luftfahrtfirma BAE nutzt das Verfahren, um beispielsweise Teile für einen Jet zu fertigen. MTU oder auch Rolls Royce testen demgegenüber etwa die Eigenschaften von per 3D-Druck gefertigten Antriebsschrauben.

Rapid Prototyping im Gesundheitswesen

Im Gesundheitswesen wird Rapid Prototyping vorzugsweise für den Bau von Implantaten und Prothesen verwendet. Dies offeriert die Möglichkeit, die jeweils individuell unterschiedliche Anatomie und Morphologie eines Patienten zu berücksichtigen, da dank der Rapid Prototyping Verfahren Prothesen sowie Implantate spezifisch auf die unterschiedlichen individuellen Verhältnisse und Maße angepasst werden können. In der Serienanfertigung ist dies nicht möglich.

Rapid Prototyping im Maschinenbau

Die innovativen Fertigungsmethoden rund um die Rapid Prototyping Verfahren ermöglichen von der Definition, Planung und Herstellung des Prototypenbau über die Konzeption von Ersatzteilen bis hin zur individualisierten Einzelteil- oder Massenfertigung eine sowohl effektive als aber auch ökonomische Alternative bei der Produktentwicklung. Insbesondere technisch herausfordernde und äußerst komplexe Bauteile stehen hier im Fokus.

Rapid Prototyping in der Raumfahrtindustrie

In dieser Branche steht das Rapid Prototyping absolut hoch im Kurs. So hat zum Beispiel 2012 die US-Weltraumbehörde NASA einen Test mit einem Raketentriebwerk absolviert, das komplett mittels 3D-Druck gefertigt wurde. Dabei wurden Produktionszeit und -kosten mithilfe des 3D-Drucks signifikant reduziert, wodurch sich völlig neue Möglichkeiten im Hinblick auf Missionen ergaben. Da sich mit den 3D-Druckern hochfeste Bauteile fertigen lassen, die weniger kostenintensiv sind, extreme Belastungen aushalten, schnell verfügbar sind, eine Gewichtsersparnis mitbringen und individuell angepasst werden können, werden immer mehr produzierende Unternehmen in der Raumfahrt auf die Prototyping-Verfahren mit 3D-Druckern umsteigen

Rapid Prototyping ist aber auch – gerade mit Blickrichtung auf die Zukunft – für die Raumfahrtindustrie in einem hohen Maße attraktiv: Denn es ist kostspielig, Fracht ins Weltall zu transportieren. Andererseits benötigt ein Team, die auf dem Mars oder dem Mond eine Station bauen soll, dafür die nötigen Tools in Form von Werkzeugen oder Ersatzteilen; oftmals müssen auch beschädigte Gegenstände repariert werden. Das 3D-Druckverfahren versetzt Astronauten diesbezüglich in die Lage, die benötigten Teile direkt vor Ort selbst anzufertigen.

Rapid Prototyping Verfahren

Weltweit sind mittlerweile über 30 unterschiedliche Verfahren bekannt. Im Laufe der vergangenen zehn Jahre haben sich daraus mehrere Verfahrensfamilien entwickelt, die sich industriell besonders bewährt haben. Entscheidende Kriterien sind dabei zum einen die jeweiligen Modelleigenschaften, aber auch die Instandhaltung, Instandsetzung oder etwa Updates sowie Upgrades.

Nachfolgende Verfahren gelten bis dato als die verbreitetsten Rapid Prototyping Techniken.

Stereolithografie (SLA)

Die Stereolithographie ist das älteste bekannte Prototyping-Verfahren. Dabei bietet es gleichzeitig die höchste Detaillierung, die besten Oberflächen sowie die höchste Exaktheit aller Techniken. Allerdings verfügt das Verfahren – im Vergleich zum Lasersintern und Extrusionsverfahren – über eine geringere thermische und mechanische Belastbarkeit. Im Rahmen der Stereolithographie wird flüssiges Kunstharz (hier: Epoxydharze, Acrylate) mit Hilfe eines ultravioletten Laserstrahls (Photopolymerisation) entsprechend ausgehärtet. Allerdings wird das jeweilige Modell lediglich zu rund 95 Prozent polymerisiert. Daher muss es nach der Reinigung in einer UV Kammer noch nachvernetzt werden. Außerdem wird dieses Verfahren vorzugsweise bei der Fertigung von individualisierten Produkten eingesetzt.

SLS Rapid Prototyping – Selektives Lasersintern

Bei dieser Rapid Prototyping Technik schmilzt bzw. sintert ein leistungsfähiger Laser das pulverförmige Ausgangsmaterial schichtweise; so wird fortlaufend die Geometrie einer jeden Schicht generiert. Dabei arbeiten die Sinterverfahren prinzipiell mit allen Materialien, die als thermoplastisch gelten. Dabei besteht auch die Möglichkeit, Metalle zu verarbeiten. Sowohl Selektives Lasersintern (SLS) als auch Selektives Laserschmelzen (SLM) eignen sich hervorragend für die Fertigung von Funktionsmodellen oder Kleinserien. Außerdem bilden Metallsinterverfahren wichtige Zugänge zur so bezeichneten generativen Fertigung. Im Gegensatz zur Stereolithografie verfügen die via SLS oder SLM gefertigten Modelle über einen geringeren Detaillierungsgrad sowie über rauere Oberflächen.

3D-Druck-Verfahren

Das 3D-Fräsen kommt vorzugsweise für die Fertigung von Werkzeugen, Urmodellen, Designelementen und auch komplexen Serienteilen zum Einsatz. Dabei wird dieses Verfahren oftmals zur Realisierung großer Bauteile aus Schäumen, Kunststoffen oder Ureol-PU-Harzen genutzt. Grundsätzlich können nahezu sämtliche Kunststoffe als Ausgangsmaterial verwendet werden. Für ein professionelles 3D-Fräsen ist dabei eine Maschine erforderlich, die mindestens fünf steuerbare bzw. gesteuerte Achsen aufweist. In der Regel lässt sich der Fräskopf zudem schwenken und das zu bearbeitende Werkstück wird auf einem angetriebenen Rundtisch positioniert. So kann dann jeder Punkt des jeweiligen Werkstücks ohne Probleme mit dem Fräser erreicht werden. Mittlerweile können auch Werkstoffe, die über einen Härtegrad von 60 HRC verfügen, mittels des 3D-Fräsens bearbeitet werden. Zudem ist inzwischen auch das Arbeiten mit kleinsten Fräserdurchmessern möglich; in der Regel in einer nacharbeitsfreien Qualität. Das Verfahren gilt prinzipiell als hochpräzise und wirtschaftlich.

Vakuumguss

Dieses Rapid Prototyping Verfahren kommt oftmals bei der Fertigung filigraner und gleichzeitig komplexer Geometrien zum Einsatz. Gerade bei Null- oder Vorserien, Präzisionsmustern oder Designteilen hat sich der Vakuumguss bewährt; eingesetzt wird das Verfahren auch häufig als Duplizierungsverfahren für der 3D-Druck oder für die Stereolithografie. Das Verfahren gilt als extrem wirtschaftlich, gewährleistet eine hohe Abbildungspräzision und erstellt grundsätzlich hochbelastbare Modelle. Beim Vakuumguss wird diesbezüglich die Vervielfältigung mittels einer entsprechenden Form aus Silikonkautschuk realisiert. Dabei wird eine Vakuumkammer zur Unterstützung herangezogen, die Lufteinschlüsse in Form respektive Werkstück verhindert. Als Ausgangsmaterial können schmelzfähige Wachsmaterialien, Zweikomponenten-Gießharze sowie niedrigschmelzende Metalllegierungen genutzt werden.

Rapid Tooling

Werden mittels der Technologie bzw. der Verfahren der Additiven Fertigung Werkzeugeinsätze, Kerne oder Kavitäten hergestellt, wird vom Rapid Tooling Verfahren gesprochen; auch für die Produktion von Matrizen und Formen kommt dieses Verfahren zum Einsatz. Das Rapid Tooling fungiert also als eine spezielle Anwendung im Werkzeug- und Formenbau für die Fertigung von Werkzeugen sowie auch Werkzeugbestandteilen; im Fokus stehen dabei insbesondere Kunststoffspritzwerkzeuge. In der Regel bildet das HSC-Verfahren (hier: High Speed Cutting) die technologische Grundlage für dieses Verfahren. Dieses lässt dabei auch die Herstellung transparenter Bauteile, strukturierter Oberflächen sowie polierter Hohlräume problemlos zu. Da zudem beim Rapid Tooling generell vielschichtige Anpassungen an Design und Maßen vorgenommen werden können, besteht hier eine weitaus höhere Kosteneffizienz gegenüber konventionellen Verfahren. So sind zum Beispiel Änderungen oder Optimierungen an Stahlwerkzeugen demgegenüber mit einem hohen zeitlichen und kostenintensiven Aufwand verbunden.

Fused Layer Modeling (FLM)

Bei dieser Technik, die auch als Extrusionsverfahren bekannt ist, wird das Objekt bzw. Modell durch ein lokales Anschmelzen unterschiedlicher Kunststoffe (Block oder Draht) in einer beheizten Düse mit anschließendem Extrudieren erzeugt. Zum Einsatz kommt dabei thermoplastische Materialien. Insbesondere das Fused Desposition Modeling (FDM), für das ein tröpfchenweiser Aufbau charakteristisch ist, wird häufig verwendet. Bei diesem Verfahren entstehen binnen kürzester Zeit robuste Kunststoffmodelle. Gerade im Hinblick auf Heimanwendungen stellt FDM das führende Verfahren dar. Grundsätzlich weisen FLM bzw. FDM eine hohe thermische und mechanische Belastbarkeit auf. Allerdings sind die Oberflächen vergleichsweise rau und auch der Detaillierungsgrad ist gegenüber anderen Verfahren eher gering.

Layer Laminate Manufacturing (LLM)

Layer Laminate Manufacturing (LLM) respektive Laminated Object Modelling (LOM): Bei diesem Verfahren schneidet ein Laser oder etwa ein Schneideplotter die Schichtkonturen aus Kunststoff-, Papier- oder Keramikfolie. Von der Funktionsweise her werden also – einfach ausgedrückt – dünne Papierschichten einzeln in Form geschnitten und anschließend miteinander verklebt. LOM arbeitet dabei als bekanntestes Verfahren innerhalb dieser Kategorie Papier in Rollenform, das auf einer Seite mit thermisch aktivierbarem Klebstoff beschichtet ist. Allerdings ist die Genauigkeit bei diesem Schicht-Laminat-Verfahren geringer als bei den meisten anderen Verfahren. Es kann auch in Farbe gedruckt werden. Aber die jeweiligen Ergebnisse präsentieren sich bei Weitem nicht so gleichmäßig wie beim ColorJet-Verfahren.

Weitere nennenswerte Rapid Prototyping Verfahren

Auch folgende Rapid Prototyping Verfahren verfügen über ein interessantes Potential, sind allerdings bis jetzt weniger bekannt:

  • Contour Crafting (CC): Innerhalb dieses Verfahrens wird mit Hilfe von computergestützten Anlagen bzw. Maschinen der Bau eines Gebäudes beschrieben. Die Funktionsweise ähnelt dabei dem FDM-Verfahren, allerdings steht ein größerer Bauraum zur Verfügung und als Material wird Beton genutzt.
  • Elektronenstrahlschmelzen: Im Prinzip ist das Elektronenstrahlschmelzen funktionell ebenso wie das Selektive Laserschmelzen aufgebaut. Allerdings kommt eben kein Laser zum Einsetzen; stattdessen wird das Metallpulver formgerecht von einer Elektronenquelle geschmolzen.
  • Laser Powder Forming (LPF): Dieses Verfahren wird in der Branche auch als Laser Engineered Net Shaping (LENS) bezeichnet. Bei diesem Verfahren wird ein Metallpulver durch eine Düsenvorrichtung aufgebracht. Direkt nach diesem Vorgang wird das Metallpulver an vorab bestimmten Stellen festgeschmolzen. Damit haben Wissenschaftler im Auftrag der NASA sogar schon Mondgestein in 3D gedruckt.
  • Space Puzzle Molding (SPM): Bei dieser Technik kommt Aluminium zum Einsatz, wobei die Gussform bzw. das Aluminiumwerkzeug aus zahlreichen Teilen zusammengesetzt wird. Bei anderen Verfahren der herkömmlichen Art wird die Gussform direkt aus einem Block gefräst.

Rapid Prototyping Material

Je nach angewendetem Verfahren kommen die unterschiedlichsten Materialien zum Einsatz.

Kunststoff Rapid Prototyping

Kunststoffe werden vorzugsweise beim Stereolithografie-Verfahren, Laminated Object Modelling, Fused Deposition Modeling, Multi Jet Modeling, Polyamidguss, Selektiven Laserschmelzen, Selektiven Lasersintern und beim Space Puzzle Molding verwendet. Beim Stereolithografie-Verfahren kommt zum Beispiel flüssige und lichthärtende Duromere oder Elastomere zum Einsatz, die dann schichtweise ausgehärtet werden. Demgegenüber werden etwa beim Multi Jet Modeling wachsartige Thermoplaste sowie UV-empfindliche Photopolymere verwendet. Auch das SLS-Verfahren nutzt Thermoplaste wie Polyamide, Polycarbonate und Polyvinychlorid. ABS wir vorzugsweise beim FDM eingesetzt. Kunststoffe haben dabei den Vorteil, dass sie hervorragende physikalische Eigenschaften aufweisen.

Rapid Prototyping Metall

Metalle finden Verwendung beim Elektronenstrahlschmelzen, Laserauftragsschwei0en, Laser Engineered Net Shaping, SLM, SLS sowie beispielsweise beim Multi Jet Modeling. Grundsätzlich muss dabei nach dem jeweiligen Aggregatzustand des Ausgangsstoffes explizit unterschieden werden. Für den eigentlichen Metallprozess rücken gerade pulverbasierte Verfahren in den Fokus, während zum Beispiel bei speziellen Stereolithographieverfahren und Schicht-Laminat-Verfahren feste oder flüssige Metalle verwendet werden. SLM Verfahren werden dagegen ausschließlich für den Metall 3D Druck genutzt. Zur Auswahl stehen grundsätzlich Metalle wie etwa Edelstahl, Aluminium, Titan oder Werkzeugstahl. Modelle aus Metall verfügen immer über extrem hohe Festigkeitswerte.

Rapid Prototyping Keramik

Auf Keramik als Material greifen die Prototyping-Techniken LOM, SLM und SLS zurück. Für diesbezüglich hergestellte Keramiken offenbaren sich vielfältige Einsatzbereiche und Anwendungsmöglichkeiten. Zu nennen sind dabei vornehmlich komplexe monolithische Keramiken in einer überschaubaren Stückzahl sowie Strukturen, die eine bestimmte Mikro- und Makroporosität erfordern (Reaktoren, Implantate etc.) oder mit vergleichsweise hohen Temperaturen beaufschlagt sind.

Sonstige Rapid Prototyping Materialien

Es existiert noch eine große Anzahl weiterer Materialien, die bei verschiedenen Prototyping-Verfahren genutzt werden können. So kommt etwa beim Contour Crafting Das Material Beton zum Einsatz. Demgegenüber kann Papier beim LOM verwendet werden. Mit Sand oder auch Glaspulver wird vorzugsweise beim Multi Jet Modeling experimentiert, während im Rahmen des Binder Jetting verschiedene Granulate und Pulverformen eine große Rolle spielen. Die Entwicklung hat hier aber längst noch nicht das Ende der Fahnenstange erreicht. Viele Unternehmen testen bereits anderweitige Materiallösungen. Selbst Mondstaub eignet sich nach Tests als Material für einige Prototyping-Verfahren.

Rapid Prototyping - Rapid Tooling

Rapid Prototyping Vorteile

Auch wenn gerade die Geschwindigkeit als ein wesentlicher Erfolgsfaktor des Verfahren gilt, stellt dies nicht den einzig nennenswerten Vorteil dar. Rapid Prototyping Verfahren bieten zusammenfassend Unternehmen gleich mehrere Vorteile:

  • Als wesentlichster Erfolgsfaktor bzw. Vorteil gilt die Geschwindigkeit.
  • Es ist eine stets zeitnahe und effektive Präsentation von Produkt- und Designideen möglich.
  • Eine Optimierung des Controllings im Hinblick auf eine stets schnell realisierbare Überprüfung von Passformen, Funktionalitäten oder auch Design ist grundsätzlich gewährleistet.
  • Die grundlegende Flexibilität zum Beispiel bei der Planung von Produkten oder bei Produktoptimierungen und Designveränderungen ist enorm hoch. So besteht zum Beispiel die Möglichkeit, in schneller Folge gleich mehrmals Veränderungen am Design vorzunehmen.
  • Außerdem sorgt Rapid Prototyping für eine Minimierung designbedingter Konstruktionsfehler und somit letztendlich auch für bessere Endprodukte.

Wer sich als Unternehmen auf die Produktion von einstelligen Stückzahlen oder lediglich von einigen Dutzend bis hin zu 300 oder 400 Stück fokussiert, dem offeriert das Rapid Prototyping Verfahren dann sowohl einen enormen Geschwindigkeits- als auch einen eminenten Kostenvorteil gegenüber herkömmlichen bzw. traditionellen Herstellungsverfahren. Das volle Potential der Rapid-Prototyping-Technik wird vor allem dann deutlich, wenn personalisierte oder individuelle Produkte für Kunden gefertigt oder eben komplexe dreidimensionale Objekte erstellt werden sollen. Möchte aber ein Unternehmen Baugruppen oberhalb von Kleinserien produzieren oder eine Großserienfertigung starten, stößt die Rapid Prototyping Technik dann allerdings an kostenbedingte Grenzen.

Aber auch im Hinblick auf das Müllaufkommen setzt die Technologie gegenüber anderen Verfahrenswegen regelrecht Maßstäbe. Da das PR-Verfahren auf den generativen Aufbau von Objekten basiert, fällt ein erheblicher Teil des normalerweise anfallenden Abfalls weg. Bei anderen Technologien entstehen nämlich alleine durch das erforderliche Spanen, Drehen Fräsen, Drehen oder Schleifen viel Müll bzw. Abfall. Wer hier also konsequent auf den 3D-Druck bzw. die PR-Technologie setzt, spart Kosten (für Müllentsorgung etc.) in einem nicht unerheblichem Rahmen.

Zudem schont PR auch nachhaltig Ressourcen. Denn bei explizit den Verfahren, die Pulver bzw. ein Pulverbett verwenden, lässt sich in der Regel ohne Probleme das nicht verbrauchte Material anschließend für weitere Drucke weiter verwenden. Allerdings muss hierbei beachtet werden, dass beispielsweise gerade beim FDM und SLA für einige Formen ein Stützmaterial (hier: Support) benötigt wird. Dieses muss dann direkt nach dem Druck wieder entfernt werden. Aber das Anfallen von Abfall kann hier oftmals durch eine geschickte Modellierung deutlich reduziert werden.

Die marktrelevante Positionierung bzw. die Etablierung des Rapid Prototypings hat zudem für Unternehmen einen weiteren vorteilhaften Fakt zur Folge. PR hat nämlich für eine beginnende Re-Regionalisierung gesorgt. So können sich immer mehr Unternehmen aufgrund der sinkenden Kosten im Hinblick auf Rapid Prototyping Anlagen selbst eine entsprechende Anlage zulegen. So sind diese Unternehmen dann in der Lage, eigenständige Prototypen, Modelle und Endprodukte stets zeitnah zu fertigen. Dadurch können die jeweiligen Unternehmen dann auf den Zukauf von Produkten oder Dienstleistungen von externen Anbietern verzichten. Und auch rein private Nutzer haben einen hohen Nutzen von dieser Technologie. So können sie zum Beispiel Gadgets oder Ersatzteile selbst herstellen, was die eigene Flexibilität und Unabhängigkeit gegenüber Herstellern und dem Handel deutlich erhöht.

In Studien ist zudem nachgewiesen worden, dass mit der Rapid Prototyping Technik schnell erstellte Anschauungsmodelle dabei helfen, die Motivation und das Engagement aller Prozessbeteiligten deutlich zu heben. Dies liegt vornehmlich daran, dass die am Herstellungsprozess beteiligten Mitarbeiter bei einem realen Modell viel eher Fehler und Schwachstellen in der Konstruktion oder Konzeption identifizieren können. Dies ist ein nicht zu unterschätzender Faktor. Denn je früher Konstruktions- bzw. Planungsfehler schon bei der eigentlichen Produktplanung von den involvierten Mitarbeiters erkannt werden, desto weniger aufwändig und deutlich kostengünstiger können diese wieder behoben bzw. optimiert werden.

Hintergründe und Geschichte des Rapid Prototyping

Die ersten Rapid Prototyping Systeme, die auf der Stereolithografie-Technologie basierten, kamen bereits im Jahr 1987 auf den Markt. Charles W. Hull hatte das Verfahren rund sechs Jahre lang bei der Firma UVP (Ultra Violet Products) entwickelt, bevor er es sich 1986 in den USA patentieren ließ. Quasi gleichzeitig entwickelten Wissenschaftler in Japan und Frankreich artverwandte respektive ähnliche Verfahren, die ebenfalls patentiert wurden. Allerdings gelang es Hull mit seiner neu gegründeten Firma 3D-Systems als erstem Hersteller, ein marktfähiges Produkt zu präsentieren. So stellte er im November 1987 an der AutoFact in Detroit die erste marktfähige Maschine (SLA 1) der Öffentlichkeit vor. Nur wenige Monate später lieferte 3D-Systems bereits die ersten Maschinen an Kunden aus.

Mittlerweile haben sich neben diesem ursprünglichen Verfahren noch zahlreiche weitere Protoyping-Technologien entwickelt. Als die wichtigsten Techniken bzw. Verfahren gelten dabei – wie zuvor detailliert skizziert – das selektive Lasersintern (kurz: SLS; Selektive Laser Sinterung), das Fusel Deposition Modering (FDM) sowie das Laminate Objekt Manufacturing (LOM). Diesbezüglich präsentierte das Unternehmen Lysistratas im April 1992 das – auf Basis der FDM Technologie entwickelte – branchenweit erste 3D-Rapid-Prototyping-System. Demgegenüber stellte das Unternehmen Objekt im April 2000 erstmalig ein 3D-Rapid-Prototyping-System vor, dass auf der PolyJet-Technologie basierte. Wissenschaftler und Forscher gehen gemeinhin davon aus, dass das Rapid Prototyping in der nahen Zukunft als bestimmender Megatrend für mächtig Furore sorgen wird.