Rapid Prototyping
Inhaltsverzeichnis
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.
Grundprinzip
Nach der Entwicklung der CAD/CAM-Technologien und der immer stärkeren Verbreitung von PC basierenden 3D-Programmiersystemen, ist der Grundstein für die direkte Modellherstellung auf der Basis von 3D-CAD Konstruktionsdaten gelegt wurden. Diese Modellherstellungsmethode wird von dem Rapid Prototyping-Verfahren, ein Oberbegriff für die schnelle Herstellung von Modellen und Prototypen, konsequent genutzt. Bei diesem Verfahren kann auf den Einsatz von Formen und Werkzeugen verzichtet werden. Die hierdurch erzielten Kosten- und Zeitreduzierung machen die Prototypenfertigung auch für Kleine und mittelständische Unternehmen immer interessanter. Neben der schnellen Verfügbarkeit von Prototypen ist auch die Möglichkeit der kurzfristigen Änderungen und Verbesserungen während der Entwicklung gegeben.
Bei allen bislang bekannten Verfahren zur Urmodellherstellung im Rahmen des Rapid Prototyping-Prozesses ist der generelle Ansatz das schichtweise Aufbauen von Bauteilen. Ausgangspunkt ist jeweils die Bereitstellung von komplett beschriebenen Geometrien auf der Basis von CAD-Daten.
Allgemeine Vorgehensweise
1.) Ein Modell oder eine Modellkomponente wird auf einem 3D-CAD/CAM-System entworfen. Das Volumenmodell, das das physikalische Bauteil repräsentiert, muss durch geschlossene Oberflächen dargestellt werden. Somit müssen die Daten die innere und äußere Kontur vollständig wiedergeben. Für einen sogenannten Vollkörper entfällt natürlich die Angaben der inneren Kontur, da die Äußere Kontur bereits eindeutig das einzuschließende Volumen darstellt. 2.) Die 3D-CAD Modelldaten werden anschließend in ein Austauschdatenformat übertragen, das als STL-Format bezeichnet wird (jedoch bedeutet STL an dieser Stelle nicht wie oft verbreitet »Stereolithografie« sondern »Standard Transformation Language«). Das STL-Datenformat nähert die Oberflächen durch Polygone an, wobei für komplexe Flächen sehr viele Polygone notwendig sind, um eine ausreichende Annäherung zu erhalten. STL- Dateien können eine sehr hohe Datenmengen beinhalten und somit den Datentransfer erschweren. 3.) In letzten Schritt wird das 3D-Modell im Slice- Prozess in einzelne Schnittebenen (Schichten) zerlegt und sukzessive mit dem jeweiligen Verarbeitungsverfahren physikalisch aufgebaut. Die verwendeten Rapid Prototyping-Werkstoffe, die bei diesen Verfahren zum Einsatz kommen, wie z.B. Kunststoffe, Wachse, Harze und Papier, machen den Einsatz der für Funktionstests und auch für Absicherungen, insbesondere Falltests und Thermische Absicherungen, nur sehr eingeschrängt möglich. Hierfür eignen sich eher die gießtechnischen Nachfolgeverfahren, beispielsweise Kunststoff-Vakuumgießen mit Polyurethan- Gießharzen zur Herstellung von funktionsfähigen Prototypen in Kunststoff.
Rapid Prototyping-Verfahren
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:
Reinigen mit ChemikalienNachhärten
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
Solid Ground Curing (SGC)
Das Solid Ground Curing-Verfahren arbeitet ebenfalls mit einem flüssigen, lichthärtendem Harz. Die Aushärtung erfolgt jedoch durch eine Flächenbelichtung. Ein rechnergesteuerter Maskengeneator erzeugt für jede neue Schicht ein Negativ des jeweiligen Bauteilquerschnitts auf einer mit Toner beschichteten Glasplatte. Diese sogenannte Maske wird über der Harzschicht positioniert und wenige Sekunden mit UV-Licht belichtet. Dabei dringen das UV-Licht in den durchsichtigen Maskenbereichen durch und härtet den Harz aus. Im nächsten Schritt wird das flüssig gebliebene Harz abgesaugt und durch Wachse ersetzt. Ein anschließendes Überfräsen sorgt für eine genaue Schichtdicke. Diese Oberfläche dient wiederum als Grundfläche für die nächste Sicht. Nach der Fertigstellung des gesamten Prototyps wird das noch übriggebliebene stützende Wachs ausgelöst. Mit diesem Verfahren können nicht nur Hinterschnitte sonder auch ineinander verschachtelte und zueinander bewegliche Bauteile gefertigt werden.
Bauprozess:
Ein Laserstrahl härtet schichtweise polymere Flüssigkeit aus.
Postprozess:
Reinigen mit ChemikalienNachhärten
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
Fused Deposition Modelling (FDM)
Hierbei wird der Modellwerkstoff in Drahtform einem verfahrbaren, temperaturgeregelten Heiz- und Förderkopf, auch als Förderdüse bezeichnet, zugeführt und auf Schmelztemperatur gebracht. Durch eine Düse wird dann ein sehr dünner Faden auf die jeweils vorige Querschnittsschicht aufgetragen und kühlt dort wieder ab (erstart). Bei diem Auftragen der sogenannten Filmente entstehen Bindenähte, Kerben und kleine Hohlräume, die im in dem Finalen Prototypen Schwachstellen darstellen.
Bauprozess:
Ein Laserstrahl härtet schichtweise polymere Flüssigkeit aus.
Postprozess:
Reinigen mit ChemikalienNachhärten
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:
Reinigen mit ChemikalienNachhärten
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 ChemikalienNachhärten
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 ChemikalienNachhärten
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
