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Rapid Prototyping

Wenn sich die Besatzungsmitglieder der “Enterprise” mit Hilfe ihres Replikators Dinge beschafften, die sie für ihren Alltag im Raumschiff brauchten, fanden die Zuschauer solche Szenen vor allen Dingen amüsant. Vermutlich konnten sich zu dieser Zeit nur die wenigsten vorstellen, dass es tatsächlich möglich sein könnte, mit Hilfe eines kleines Gerätes und einer Datei kompliziert geformte Teile herzustellen. Was noch vor wenigen Jahrzehnten als Science-Fiction daherkam, wird mit Rapid Prototyping und 3D-Druck zunehmend zur Realität.

Innovative Produkte und individuelles Design sind gefragt

Fast alle Güter, die heute unser Leben bestimmen, haben von der ersten Idee bis zum fertigen Produkt einen langen Weg zurückgelegt. Bis in mühseliger Kleinarbeit aus der ersten Skizze ein Serienprodukt wird, können mitunter Monate oder sogar Jahre vergehen. Das wird zunehmend zum Problem. Die Innovationszyklen werden immer kürzer. Außerdem wächst die Zahl der Kunden, die sich nicht mit Massenprodukten zufriedengeben. Sie suchen nach Dingen, die einzigartig aussehen und in jeder Hinsicht ihre individuellen Wünsche erfüllen. Mit dem Rapid Prototyping eröffnet sich ein Weg, diesen Konflikt zu lösen.

Warum ist Modellbau so wichtig?

gears-686316_1280Von fast jedem Produkt, das in größeren Stückzahlen produziert werden soll oder das sehr komplex aufgebaut ist, gibt es zunächst ein Modell. So ein dreidimensionales, physisches Objekt ist ein identisches Abbild oder besitzt alle wichtigen Eigenschaften des Vorbildes. Bei sehr großen Objekten (Architektur, Schiffbau, Luft- und Raumfahrt) wird das Modell maßstabsgetreu gefertigt. Dieser Aufwand einerseits getrieben, um der Phantasie der Entscheider, die in einem Unternehmen oder einer Institution von einem neuen Projekt überzeugt werden müssen, mit Hilfe eines physischen Anschauungsmodell ein wenig auf die Sprünge zu helfen. Sie können das neue Produkt in die Hand nehmen, spüren das Material und die Entscheidung bekommt mit Hilfe eines Modells eine solide Basis

Darüber hinaus lassen sich anhand des Modells zum Beispiel mögliche Schwachstellen der Konstruktion frühzeitig erkennen. Außerdem werden Muster des neuen Produkts ebenfalls gebraucht , um Marktanalysen und Wirtschaftlichkeitsuntersuchungen zu erstellen. Für spezielle formgebende Verfahren wie zum Beispiel Spritzguss ist exaktes Modell die unabdingbare Voraussetzung für die Produktion. Bei solchen Verfahren wird das Modell als Prototyp für die Herstellung der Gussform benötigt.

Rapid Prototyping – der Modellbau der Zukunft

Schneller Modellbau, wie sich der Begriff ‘Rapid Prototyping’ vereinfacht ins Deutsche übersetzen lässt, ist die Herstellung von Musterteilen mit Hilfe digitaler Konstruktionsdaten. Unter diesem Sammelbegriff werden mittlerweile verschiedenen Fertigungsverfahren zusammengefasst, mit denen sich selbst Teile mit sehr komplizierter Form oder geringer Wandstärke zeit- und kostengünstig fertigen lassen.

Der traditionelle Musterbau ist sehr zeitaufwändig. Wer als Modellbauer in einem Unternehmen tätig ist, muss handwerklich begabt sein und über hohe Fertigkeiten in mehreren Technologiebereichen verfügen. In den vergangenen Jahrzehnten bestimmten spanende Methoden die Arbeit des Modellbauer. In der überwiegenden Mehrzahl der Fälle wird die gewünschte Form bisher aus einem Werkstück aus Holz, Kunststoff oder Metall durch Drehen, Fräsen oder Bohren herausgearbeitet. In vielen Fällen ist dazu die Anfertigung spezieller Werkzeuge erforderlich. Das ist material-, zeit- und damit kostenaufwändig. Bei der Herstellung von Spritzgussteilen ist darum der Bau der Gussform einer wichtiger Faktor in der Kalkulation.

Additive Verfahren eröffnen völlig neue Möglichkeiten

Beim Rapid Prototyping kommen überwiegend additive Verfahren zum Einsatz. Das heißt, die Form wird nicht durch Abtragen von Werkstoff, sondern durch Hinzufügen von Material aufgebaut. Diese Entwicklung begann Ende der achtziger Jahre mit der Stereolithografie. Es folgten weitere Verfahren, mit denen sich völlig neue Chancen auftaten. Und es ist abzusehen, dass die Entwicklung noch nicht abgeschlossen ist. Zu den Materialien, die bisher beim Rapid Prototyping bevorzugt zum Einsatz kommen zählen bisher Kunststoffe und Metalle. Aber auch aus Papier, Keramik und sogar Beton werden mit neu entwickelten Verfahren Prototypen hergestellt.

Modellbau im eigenen Hause oder Vergabe an Dienstleister?

Es ist abzusehen, dass in Zukunft fast jedes Unternehmen seinen Modellbau neu ausrichten muss. Doch nicht für jeden wird sich die Anschaffung der vergleichsweise teuren Anlagen lohnen. Als Alternative bieten sich Dienstleister an, die über Anlagen und das spezielle Know-How verfügen. Auf dem Informationsportal Vioproto.de können sich Interessenten leicht einen Überblick über entsprechende Angebote verschaffen.

Die wichtigsten technologische Verfahren, die bisher beim Rapid Prototyping zum Einsatz kommen:

– Selektives Laser-Sintern: Schichtweiser Aufbau der Form aus pulverförmigem Material, das durch Laser geschmolzen wird
– Laminated Object Modelling (LOM): Übereinanderkleben von Materialschichten und Beschneiden mit Laserstrahl
– Stereolithographie: Aushärten lichtempfindlicher Kunstsoffe
– Fuse Deposition Modelling: Bildung der Form durch schichtweises Auftragen von Kunststoff, der als Faden zugeführt wird

Laser-Sintern (SLS)

Zu den wichtigsten Verfahren beim Rapid Prototyping, zählt das Laser-Sintern. SLS eignet sich hervorragend, um Bauteile schnell und präzise herzustellen. Ausgangsstoff ist ein pulverförmiges Material, das schichtweise nach der Vorgabe der CAD-Konstruktionszeichnung aufgetragen und mit Hilfe eines Lasers verschmolzen wird. Es entsteht ein Teil, das mechanisch und thermisch sehr belastbar ist. Bei Bedarf lassen sich die Oberflächen des Werkstücks weiter bearbeiten. Weitere Informationen über zum Thema Laser-Sintern findet man z.B. auch auf http://vioproto.de/rapid-prototyping/sls/.

Vorteile des Laser-Sinterns:

– Ermöglicht Herstellung komplizierter Formen (Hohlräume, Hinterschneidungen)
– Herstellung von Formen und Werkzeugen entfällt
– Innerhalb kurzer Zeit entsteht ein einsatzfähiges Modell
– Präzise Fertigung gestattet modularen Aufbau komplexer Formen in geforderten Abmessungen

 

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