Rapid Prototyping: Unterschied zwischen den Versionen

Version vom 24. März 2009, 03:05 Uhr

Rapid Prototyping (deutsch: schneller Prototypenbau)

Beim Rapid Prototyping handelt es sich um sogenannte generative Fertigungsverfahren. Bei diesem Urformverfahren, werden die Werkstücke schichtenweise aufgebaut aus formlosem oder formneutralem Material unter Nutzung physikalischer und/oder chemischer Effekte, ganz im Gegensatz zu der Zerspanung, wo die Bauteile durch einen Werkstoffabtrag entstehen. Grundvoraussetzung für diesen Schichtenauftrag ist die lückenlose Volumenbeschreibung anhand von 3D-CAD Konstruktionsdaten des Bausteils in einem geeigneten Programmformat. Rapid-Prototyping-Verfahren sind somit Fertigungsverfahren, die das Ziel haben, vorhandene CAD-Daten möglichst schnell und ohne manuelle Umwege direkt und schnell in Werkstücke umzusetzen. Wenn diese Grundvoraussetzungen vorhanden sind kann ein Prototyp innerhalb von nur Minuten gefertigt werden. Je nach Verfahren werden die Teile als Funktionsteil oder als Anschauungsmodell verwendet.

Im folgenden wird ein kurzer Überblick über die bedeutendsten Rapid Prototyping-Verfahren gegeben.

Stereolithografie (STL)

Das Stereolithographieverfahren ist das Rapid Prototyping-Verfahren mit der weitesten Verbreitung. Das Verfahren zeichnet sich besonders durch einen Grad an Präzision aus. Ein Behälter der Stereolithographiemaschine enthält ein flüssiges, lichthärtendes Polymer, das Punkt für Punkt in Schichten ausgehärtet wird. Dies geschieht durch eine rechnergesteuerte Laser-Scanneinheit, welche die Schichtkontur der Querschnittsgeometrie auf die Oberfläche des Harzbades zeichnet. Die ausgehärtete Schicht wird auf einem in z-Richtung verschiebbare Trägerplatte die sich auf dem sogenannten Tisch befindet ca. um 0,1mm abgesenkt, und darauf wird anschließend eine nächste Querschnittsschicht gebildet. Jede neue Schicht verbindet sich mit der unteren. Dieser Vorgang wiederholt sich solange bis der Prototyp als sogenanntes Grundteil vollständig aufgebaut ist. In der Nachbearbeitung wird dieses Grundteil unter UV-Bestrahlung vollständig ausgehärtet, eventuell maschinell nachgearbeitet und falls noch erforderlich gespachtelt und lackiert.

Bauprozess:

Ein Laserstrahl härtet schichtweise polymere Flüssigkeit aus.

Postprozess:

Nachhärten

Manuelles Finishen

Vorteile:

Relativ hohe Genauigkeit und Oberflächengüten

Geeignet für komplizierte Strukturen und dünne Rippen

Kontinuierliche Prozessverbesserungen

Nachteile:

Schwierig quantifizierbares Schrumpfen und Verziehen

Notwendige Supportstrkturen

Material-Resriktion

Aufwendiger Postprozess

Selektives Lasersintern (SLS)

ist ein Verfahren, um räumliche Strukturen durch Sintern aus einem pulverförmigen Ausgangsstoff herzustellen.

Es ist ein generatives Schichtbauverfahren: das Werkstück wird Schicht für Schicht aufgebaut. Durch die Wirkung der Laserstrahlen können so beliebige dreidimensionale Geometrien auch mit Hinterschneidungen erzeugt werden, z. B. Werkstücke, die sich in konventioneller mechanischer oder gießtechnischer Fertigung nicht herstellen lassen.

Das Pulver wird auf eine Bauplattform mit Hilfe einer Rakel oder Walze vollflächig in einer Dicke von 0,001 bis 0,2 mm aufgebracht. Die Schichten werden durch eine Ansteuerung des Laserstrahles entsprechend der Kontur des Bauteils schrittweise in das Pulverbett gesintert oder eingeschmolzen. Die Bauplattform wird nun geringfügig abgesenkt und eine neue Schicht aufgezogen. Das Pulver wird durch Anheben einer Pulverplattform oder als Vorrat in der Rakel zur Verfügung gestellt. Die Bearbeitung erfolgt Schicht für Schicht in vertikale Richtung, dadurch ist es möglich, auch hinterschnittene Konturen zu erzeugen. Die Energie, die vom Laser zugeführt wird, wird vom Pulver absorbiert und führt zu einem lokal begrenzten Sintern oder Verschmelzen von Partikeln unter Reduktion der Gesamtoberfläche (Sintern).

Bauprozess:

Ein Laserstrahl härtet schichtweise polymere Flüssigkeit aus.

Postprozess:

Nachhärten

Manuelles Finishen

Vorteile:

Relativ hohe Genauigkeit und Oberflächengüten

Geeignet für komplizierte Strukturen und dünne Rippen

Kontinuierliche Prozessverbesserungen

Nachteile:

Schwierig quantifizierbares Schrumpfen und Verziehen

Notwendige Supportstrkturen

Material-Resriktion

Aufwendiger Postprozess

3D Printing

Das 3D Drucken ist ein Verfahren zum schnellen Erstellen von Prototypen ,bei dem Zellulosepulver durch Einspritzen eines Bindemittels gezielt an einzelnen Stellen verfestigt werden. Dieses Funktionsprinzip wird für unterschiedliche Anwendungsfälle eingesetzt.

So verwenden einerseits Maschinen, die in einer Büroumgebung betrieben werden können, dieses Prinzip zur Herstellung von Proportionsmodellen. Andererseits gibt es aber auch Anlagen, die für die Fertigung von Prototypen oder sogar von Produktionswerkzeugen ausgelegt sind, und daher dem Bereich Rapid Tooling zuzuordnen sind.

Diese Verfahren unterscheiden sich hauptsächlich durch die verwendeten Ausgangswerkstoffe. Das Grundprinzip des Modellbauprozesses ist jedoch immer gleich und wird im folgenden zunächst am Beispiel einer "bürotauglichen" Anlage beschrieben

Bauprozess:

Ein Laserstrahl härtet schichtweise polymere Flüssigkeit aus.

Postprozess:

Reinigen mit Chemikalien

Nachhärten

Manuelles Finishen

Vorteile:

Relativ hohe Genauigkeit und Oberflächengüten

Geeignet für komplizierte Strukturen und dünne Rippen

Kontinuierliche Prozessverbesserungen

Nachteile:

Schwierig quantifizierbares Schrumpfen und Verziehen

Notwendige Supportstrkturen

Material-Resriktion

Aufwendiger Postprozess

Laserstrahl-Generieren

ist ein generatives Fertigungsverfahren auf Pulverbasis. Beim Generieren wird der pulverförmige Werkstoff kontinuierlich mittels Zufuhrdüsen in den fokussierten Laserstrahl eingebracht. Der Aufbau von Bauteilen erfolgt schichtweise. Das Pulver wird mit dem Laserstrahl aufgeschmolzen und schmelzmetallurgisch mit der unteren Schicht verbunden. Beim Laserstrahl-Generieren können nahezu alle metallischen Legierungen verwendet werden.

Es kann unter anderem als Verfahren für Rapid Prototyping, Rapid Tooling und Rapid Manufacturing eingesetzt werden.

Als Strahlquelle kommen CO2-, Nd:YAG- und Diodenlaser im gepulsten und kontinuierlichen Betrieb mit Laserleistungen von 100 W bis mehreren kW zum Einsatz. Als Handhabungssysteme werden kartesische Anlagen mit 3 - 5 Achsen oder Roboter verwendet. Die erreichbare Bauteilkomplexität sowie die Maßgenauigkeit ist beim Laserstrahl-Generieren signifikant geringer als beim SLM-Verfahren, die Aufbaurate ist jedoch deutlich höher.

Bauprozess:

Ein Laserstrahl härtet schichtweise polymere Flüssigkeit aus.

Postprozess:

Reinigen mit Chemikalien

Nachhärten

Manuelles Finishen

Vorteile:

Relativ hohe Genauigkeit und Oberflächengüten

Geeignet für komplizierte Strukturen und dünne Rippen

Kontinuierliche Prozessverbesserungen

Nachteile:

Schwierig quantifizierbares Schrumpfen und Verziehen

Notwendige Supportstrkturen

Material-Resriktion

Aufwendiger Postprozess