3D-Druck-Verfahren für Prototyping und Produktion

Bei der Produktentwicklung ist dies anders. Die Produkte von heute werden so entwickelt, dass sie in Größenordnungen von mehreren tausend oder hunderttausend Stück hergestellt werden können. Sowohl Einzelteile als auch montierte Produkte können während des Entwicklungsprozesses gebaut und getestet werden. Dies erklärt zum Teil die heutzutage hohe Innovationsrate von Produkten. Dadurch lastet jedoch ein hoher Druck auf dem Prototyping-Verfahren. Neue Produkte müssen die Erwartungen der Käufer in einem wettbewerbsintensiven Markt erfüllen oder übertreffen. In vielen Fällen liegt ihr Mehrwert in ihrer Innovation, d.h. der Tatsache, dass sie sich von allen bisherigen Produkten und Entwicklungen am Markt unterscheiden. Die Produkte müssen schnell entwickelt und auf den Markt gebracht werden, um sich gegen Wettbewerber durchzusetzen. Ein intelligentes Prototyping kann beim Erreichen all dieser Ziele helfen. Dabei liegt die Herausforderung in der Auswahl des richtigen Prototyping-Verfahrens zu jedem Zeitpunkt der Entwicklung.

Die additive Fertigung oder der 3D-Druck, wie sie häufig genannt wird, ist ein Verfahren, das digitale CAD-Modelle zum Bau von physischen, oft geschichteten realen Objekten verwendet. Die Eignung der Technologie hängt von der späteren Verwendung des Teils ab. So besitzt z.B. das Konzeptmodell eines Gehirns für einen Arzt während der Planung einer Operation einen medizinischen Wert, doch es würde niemals in die Produktion gehen, da nur ein oder zwei gedruckte Einzelstücke aus einem <" href="/de-de/werkstoffe/" title="Werkstoffe">kunststoffähnlichen Werkstoff benötigt werden. In anderen Fällen kann die additive Fertigung zur Herstellung kleiner Mengen voll funktionsfähiger Teile aus hochwertigen Metallen für den Endgebrauch eingesetzt werden.

Kommt bei der Fertigung jedoch schließlich ein Verfahren wie das Spritzgießen zum Einsatz, findet der 3D-Druck in der Entwicklung nur begrenzte Anwendung. In späteren Entwicklungsphasen eines Guss- oder Spritzgussteils beispielsweise, wird es wichtig, Teile zu testen, die mit den endgültigen Produktionsteilen identisch (oder nahezu identisch) sind. Dies beinhaltet das wiederholbare Spritzgießen von Prototypen aus Kunststoff oder Metall. Daher kann sich die Methode zur Prototypenherstellung je nach Anwendung, Materialanforderungen, Machbarkeit und anderen Faktoren während des Entwicklungsprozesses ändern.

In der Frühphase werden Prototypen in der Regel in sehr kleinen Stückzahlen produziert und müssen nicht unbedingt alle funktionalen Eigenschaften von Produktionsteilen besitzen. Da die Werkstoffauswahl und die innere Struktur des Teils in diesem Stadium nicht so entscheidend sind, können Prototypen mithilfe einer Reihe additiver Verfahren hergestellt werden, die sowohl schnell als auch kostengünstig realisierbar sind.

Einsatzbereiche von Teilen, die mit additiven Verfahren hergestellt werden:

Für jede Arbeit das richtige Werkzeug

Unterschiedliche Prototyping-Verfahren dienen unterschiedlichen Zwecken. Denken Sie beispielsweise an einen Designer oder Ingenieur, der ein Handgerät entwickelt, das bewegliche Teile enthält. Der Entwicklungsprozess kann mit einer Reihe von 3D-CAD-Modellen beginnen. Diese ermöglichen die schnelle Entwicklung und virtuelle Montage der Komponenten. Sobald erste physische Prototypen hergestellt werden können, kann der Designer additive Prototypen anhand der CAD-Modelle herstellen. Für die Schalenbauteile wählt er aufgrund der hohen Oberflächenqualität das SLVerfahren. Das SLS-Verfahren bietet sich wegen der guten Materialeigenschaften für die innen Bauteile an. Im Verlauf des Entwicklungsprozesses können mit der Weiterentwicklung des Designs der Verkleidung und der Innenteile mehrere Iterationen dieser Prozesse durchgeführt werden.

Für Funktionsprüfungen, bei denen getestet wird, wie sich die Innenteile unter Belastung verhalten und wie das Gehäuse Stürzen standhält, kann der Designer zunächst die 3D-CAD-Modelle senden, um ein oder mehrere maschinell gefertigte Prototypen der einzelnen Komponenten aus geeigneten Werkstoffen zu erhalten. Diese Prototypen besitzen die physikalischen Eigenschaften von Produktionsteilen und bilden – besonders im Fall des Gehäuses – deren äußeres Erscheinungsbild ab. Bei größeren Tests können dieselben CAD-Modelle zur Herstellung von Schnellspritzgussteilen für die Material- und Marktbewertung verwendet werden. Geht aus den Tests hervor, dass das Produkt marktreif ist, können dieselben Formen zur Herstellung von Teilen für die Vermarktung verwendet werden, während Stahlwerkzeuge für die Serienproduktion gefräst werden.

Das scheinbar Unmögliche möglich machen

Der Bau eines Teils aus tausenden dünnen Schichten bietet Designern von CAD-Modellen für den 3D-Druck die Möglichkeit, hochkomplexe Geometrien abzubilden, die häufig unmöglich spritzgegossen werden können, wie z.B. interne Kanäle und Löcher, die mit Schaftfräsen nicht zu erreichen sind, oder ganze Baugruppen, die als ein einzelnes Teil gedruckt werden können. Doch was passiert, wenn additive Prototypen plötzlich für das Spritzgussverfahren bereit sind? Der Wechsel vom direkten Metall-Lasersintern (DMLS) hin zum Metallspritzgießen (MIM) von Kleinserien bei der Herstelllung von Edelstahl-Prototypen ist ein gutes Beispiel für den Prozess der Produktentwicklung. Während spritzgussspezifische Designüberlegungen, wie Formschräge, Radien und gleichmäßige Wandstärke beim 3D-Druck eine verschwindend geringe Rolle spielen, nimmt die Bedeutung dieser Elemente deutlich zu, sobald auf das MIM-Verfahren umgestellt wird. Bei Protolabs identifiziert eine automatisierte Software etwaige Formbarkeitsprobleme und unterbreitet in einem interaktiven Angebot Lösungsvorschläge. Dies kann zwar eine Überarbeitung des Designs mit sich bringen, bietet jedoch eine schnelle Möglichkeit, um einen gedruckten Prototypen in ein serienreifes Teil zu verwandeln.

Skalierbarkeit und Wirtschaftlichkeit

Allen additiven Verfahren ist die Unmöglichkeit der Massenproduktion mit Stückzahlen von tausenden und hunderttausenden Teilen gemein. Ist die Skalierbarkeit ein Bereich, den sich die additiven Verfahren schon bald erschließen könnten? Terry Wohlers vom unabhängigen Beratungsunternehmen Wohlers Associates, Inc. zufolge, beginnen die Medizintechnik und die Luft- und Raumfahrtindustrie mit der Produktion von gedruckten Teilen in höheren Stückzahlen, ebenso wie Firmen in der Dental- und Schmuckindustrie. Für eine richtungsweisende Veränderung ist wahrscheinlich jedoch mehr nötig. Wohlers zufolge sind additive Kunststoffmaterialien derzeit in der Regel 50 bis 100 mal teurer als solche, die in der traditionellen Fertigung zum Einsatz kommen. Daher eignen sich momentan eher kleine Mengen für die additive Fertigung. Wenn der Gerätedurchsatz steigt und die Geräte- und Materialkosten sinken, wird das Potenzial für größere Produktionsmengen steigen. Bis dahin bleiben Verfahren wie das Spritzgießen, die mit Vorabinvestitionen in Werkzeuge, jedoch auch mit niedrigeren Stückpreisen bei größeren Mengen einher gehen, der logische nächste Schritt nach der Prototypenherstellung.

Auswahl des richtigen Verfahrens

Es gibt nicht unbedingt ein bevorzugtes additives Prototyping-Verfahren. Die Herausforderung besteht darin, die besten Prototyping-Methoden für ein Projekt, sowie für jede Phase des Projekts zu finden. Zu den Variablen bei den Prototyping-Methoden zählen Geschwindigkeit, Kosten, Erscheinungsbild, unterstützte Werkstoffe und eine Reihe physikalischer Eigenschaften. In einigen Fällen wird lediglich ein Anschauungsobjekt benötigt, in anderen Fällen muss das Teil an andere Komponenten angepasst sein.