Machen Sie es knackig:Rapid Prototyping für Metallarbeiten

Qualitätsprodukte machen Fortschritte – vom Design über die Produktion bis hin zum Markt – schneller als je zuvor

Die Markteinführung eines neuen Produkts umfasst einen komplexen Prozess aus Design, Marktforschung und Fertigung. Rapid Prototyping ist ein Teil dieses Prozesses, bei dem Komponententeile hergestellt werden, um ein funktionierendes Modell des Produkts zu entwickeln und seine Funktionalität und Einschränkungen zu testen. Diese Prototypen können aus dem gleichen Material wie das Endprodukt hergestellt werden, oder es kann ein alternatives Material für die Zwecke des Testfalls verwendet werden.

Einige Methoden des Metall-Prototyping umfassen:

• 3D-Druck
• Sandguss (Holzmuster)
• Feinguss (Wachsmodell)
• Fertigen des Teils direkt aus Metallmaterial
• Bearbeitung des Teils direkt aus dem Metallmaterial

Rapid-Prototyping-Methoden und -Anwendungen

Jede Prototyping-Methode hat ihre Vor- und Nachteile sowie Faktoren, die sie für bestimmte Projekte am besten geeignet machen.

3D-Druck

Der 3D-Druck ist ein relativ neues Verfahren, das auch als additive Fertigung bekannt ist – der Prozess, bei dem jeweils eine Produktschicht gedruckt wird, bis aus den vielen Schichten eine 3D-Komponente aufgebaut ist. Jede Schicht kann etwa 100 Mikrometer dick sein. Der Drucker wird von einem Computersystem gesteuert, das ein 3D-Design als Eingabe verwendet und das 3D-Produkt als Ausgabe erstellt.

Die Technologie hat sich im Laufe der Zeit weiterentwickelt, und eine Vielzahl von Materialien ist für den Druck verfügbar geworden. Kunststoffe, Nylons, Harze, Silber, Titan, Stahl, Wachs, Photopolymere und Polycarbonate können alle als 3D-Druckmaterial verwendet werden.

Es gibt drei Haupttypen von 3D-Druckmaschinen:

• Selektives Lasersintern (SLS) verwendet Druckmaterial in Pulverform. Jede Schicht des Teils wird durch Schmelzen des Pulvers mit einem Laser erzeugt. Frisches Pulver wird über das teilweise fertiggestellte Teil gerollt und der Prozess wird erneut gestartet, bis das gesamte Teil gebaut ist.
• Fused Deposition Modeling (FDM) verwendet thermoplastisches Filament und schmilzt es für die Extrusion. Die Extrusion wird vom Computer gemäß dem 3D-Design präzise gesteuert, wobei jede Schicht nacheinander gedruckt wird.
• Stereolithographie verwendet ebenfalls einen Laser, aber in diesem Fall wird ein flüssiges Produkt Schicht für Schicht durch die Laserwirkung verfestigt – es wird so gesteuert, dass es dem Design entspricht.

Der 3D-Druck ist für das Rapid Prototyping beliebt, da das Verfahren sehr ressourcenschonend ist. Es ist keine Werkzeugbestückung der Produktionslinien erforderlich, der Arbeitsaufwand ist minimal und es wird sehr wenig Abfall erzeugt. Der Nachteil des 3D-Drucks ist, dass es zeitaufwändig sein kann – es dauert Stunden und manchmal Tage, um komplexe Teile zu bauen. Die Teilegröße ist durch den Druckbereich der Maschine begrenzt. Darüber hinaus ist es aufgrund des sehr hohen Schmelzpunkts einiger Metalle möglicherweise nicht möglich, das Teil aus dem gewünschten Material herzustellen.

Sandguss

In Metallgießereien werden Modelle verwendet, um die Form herzustellen, die zum Gießen des Metallteils verwendet wird. Auf einfachste und kostengünstigste Weise wird ein Mustermuster hergestellt, damit das Teil getestet und gegebenenfalls angepasst werden kann. Aus diesem Grund wird das Muster oft zur Herstellung einer Sandform verwendet, da dies die billigste und am schnellsten herzustellende Form ist. Von Anfang bis Ende kann ein Prototyp in 2 bis 4 Wochen unter Verwendung eines losen Holzmusters hergestellt werden.

Ein loses Holzmuster wird von einem Mustermacher unter Verwendung von Techniken wie Drehen, Werkzeugen, Formenbau und feiner Holzbearbeitung aus Holz hergestellt. Das Muster wird in Übereinstimmung mit dem Prototypdesign hergestellt, wobei einige Toleranzen für Schrumpfung eingebaut sind, die auftritt, wenn das Metall abkühlt. Wenn das Prototypdesign Teile mit Backdraft erfordert, werden diese Teile als lose Teile des Musters hergestellt, die durch Stifte an Ort und Stelle gehalten werden.

Formsand wird mit der richtigen Mischung von Komponenten speziell zusammengesetzt, damit er die für den Metallguss erforderlichen Eigenschaften aufweist. Es muss seine Form behalten, nicht zu viel Feuchtigkeit abgeben und ein hochwertiges Finish ergeben. Sand wird um das lose Holzmuster gepackt, um einen Guss zu bilden, der dann zur Herstellung des Metallprototyps verwendet werden kann.

Das Gießen eines Metallprototyps ist ein Standardgießereiprozess, bei dem Metall geschmolzen, die Zusammensetzung kontrolliert und geschmolzenes Metall in die Form gegossen wird. Nach dem Abkühlen wird die Form abgebrochen und der Metallprototyp ist bereit für die Endbearbeitung.

Das Metallgießen eines schnellen Prototyps mit einem losen Holzmuster ist aufgrund der niedrigen Produktionskosten und der relativ einfachen Anpassung des Musters und der erforderlichen Umformung beliebt. Es ist auch möglich, den Prototyp aus dem gleichen Material wie das Endprodukt herzustellen, wodurch spätere Entwicklungsschritte entfallen. Hersteller stellen oft fest, dass der Prozess zur Entwicklung eines Prototyps oft mit geringfügigen Änderungen zur Methode für die endgültige Produktion wird.

Feinguss

Feinguss ist ebenfalls ein Metallgießverfahren, verwendet jedoch eine andere Technik, um das Muster für die Herstellung der Form herzustellen. Der erste Schritt ist die Erstellung eines Wachsmodells, das zum Design des Prototyps passt. In der Vergangenheit wurden Wachsmodelle mit Spritzgussmaschinen oder Wachspressen hergestellt, aber neue Materialien und die Entwicklung des 3D-Drucks haben eine Möglichkeit geschaffen, Feingussmodelle einfacher und schneller herzustellen.

Sobald das Muster hergestellt ist, wird es mit Keramikmaterial umhüllt, das beim Aushärten die Form des Musters annimmt. Die Form wird dann erhitzt, bis das Wachs schmilzt und aus der Gussform fließt – daher der alternative Name Wachsausschmelzguss. Es folgen Standardgießverfahren, bei denen geschmolzenes Metall in den Guss gegossen wird. Wenn das Metall abgekühlt und erstarrt ist, wird der Keramikguss abgebrochen, wodurch der Metallprototyp für die Endbearbeitung bereit bleibt.

Die Vorteile dieser Methode des Rapid Prototyping ähneln denen des losen Holzmusters – mit dem zusätzlichen Vorteil feinerer Toleranzen und Oberflächen.

Herstellung von Metallprototypen

Lagermetallmaterialien umfassen Bleche, Stäbe, Rohre, Stangen und Draht. Alle diese Materialien können als Rohstoffe zur Herstellung eines Metallprototyps in einem nachgelagerten sekundären Schritt verwendet werden, anstatt durch primäre Herstellung wie Gießen oder 3D-Druck.

Bei der Herstellung von Blechprototypen können viele verschiedene Prozesse zur Herstellung eines Prototyps eingesetzt werden. Beispielsweise könnte das physische Modell abgeflacht und auf Metallblech ausgelegt werden, um es als Schablone zu verwenden, dann könnten Laser oder Brenner verwendet werden, um Umrisse und Öffnungen zu schneiden und Biegungen zu markieren. Pressen könnten verwendet werden, um das Metall an den markierten Grenzen zu biegen, und spezielle Schweißgeräte können verwendet werden, um Teile zusammenzufügen.

Schläuche können für die Prototypenerstellung verwendet werden, indem sie durch eine Reihe verschiedener Vorgänge verarbeitet werden, um ein Prototypteil zu erstellen, das dem Design entspricht:

• Abfackeln - Aufweiten der Öffnung am Ende eines Rohres zu einer Trichterform
• Swingen - Verringerung oder Vergrößerung des Schlauchdurchmessers
• Dimple - kleine Verformungen auf der Metalloberfläche
• Biegen - Erstellen von Formen durch Einfügen von Bögen an definierten Stellen im Schlauch
• Abflachen - Verwendung einer Presse, um den Schlauch zu komprimieren
• Piercing - Löcher im Material erzeugen
• Erweitern - Verwendung von Hitze und Werkzeugen, um den Durchmesser des Schlauchs zu öffnen

Der Hauptvorteil der Herstellung eines Metallprototyps aus Lagermaterialien ist die Zeiteffizienz. Muster oder Formen werden nicht benötigt, und die Rohstoffe sind ab Lager erhältlich. Der Nachteil besteht darin, dass einige Prototypdesigns zu komplex für standardmäßige Herstellungsverfahren sind und daher mit dieser Technik nicht hergestellt werden können.

Bearbeitung von Metallprototypen

Bearbeitung ist jeder Prozess, bei dem ein Stück Rohmaterial durch einen kontrollierten Materialabtragungsprozess – auch bekannt als subtraktive Fertigung – in eine gewünschte endgültige Form und Größe geschnitten wird. Es kann zur Herstellung verschiedener Metallprodukte sowie Materialien wie Holz, Kunststoff, Keramik und Verbundwerkstoffe verwendet werden. In der modernen Produktion erfolgt die Bearbeitung durch Computer Numerical Control (CNC).

CNC ist die computergestützte Steuerung von Bearbeitungsmaschinen zur Herstellung eines Teils gemäß einem 3D-Design. Zu den Bearbeitungsmaschinen gehören Drehmaschinen, Mühlen, Oberfräsen, Bohrer und Schleifmaschinen. Das Rohmaterial für CNC-Maschinen sind Lagermetallprodukte wie Stahlplatten und Stangen.

Ein 3D-Entwurf wird in ein Computerprogramm umgewandelt, das dann vom Steuerungssystem verwendet wird, um die Maschinen zu steuern. Das ausgewählte Rohmaterial muss größer sein als der herzustellende Prototyp, da der Prototyp durch die Entfernung von Metall durch maschinelle Bearbeitung hergestellt wird. Fortschrittliche CNC-Maschinen steuern Operationen auf allen 3 Achsen (x, y und z) und können das Teil drehen und Bearbeitungswerkzeuge automatisch wechseln, was zu einer hochwertigen Verarbeitung und Genauigkeit führt.

Der Vorteil von CNC-Maschinen gegenüber anderen Fertigungstechniken ist die automatisierte Aktion basierend auf einem 3D-Design. Der menschliche Eingriff ist begrenzt und der hergestellte Prototyp entspricht mit hoher Genauigkeit dem Design. Mit CNC-Maschinen können komplexere Prototypen hergestellt werden als durch manuelle Operationen. Ein Nachteil der maschinellen Bearbeitung von Teilen besteht darin, dass das Teil hergestellt wird, indem Metall aus dem Rohmaterial entfernt wird, was zu Abfall führt. Obwohl das Abfallmaterial recycelt werden kann, entstehen Kosten und Verluste.

Fallstudien zum Rapid Prototyping

Automobilindustrie

Untersuchungen zeigen, dass die Entwicklungen im 3D-Druck einen dramatischen Einfluss auf die Fähigkeit von Ingenieuren haben, ihre Ideen zu testen und Produkte schnell auf den Markt zu bringen. Ein Automobilartikel hebt die Tatsache hervor, dass das Testen der Aerodynamik bestimmter Automobilteile entscheidend ist, um deren Einfluss auf die Leistung des Autos zu messen. Sobald die Testergebnisse vorliegen, können geringfügige Anpassungen am Design vorgenommen werden, und ein neuer Prototyp wird sehr schnell nachgedruckt. Für aerodynamische Tests ist es nicht unbedingt erforderlich, dass das Teil aus dem endgültigen Material hergestellt wird, da die Form getestet wird, nicht die Festigkeit. Der 3D-Druck hilft Automobilingenieuren, ihre Entwicklung zu beschleunigen und ihre Effizienz zu verbessern.

Unterschiedliche Anwendungen sind für unterschiedliche Herstellungsverfahren geeignet. In einem Beispiel entdeckte ein Designer dies bei der Herstellung einer zweiteiligen Ringbaugruppe mit Platz für eine Micro-SD-Karte im Innenraum. Die ersten Prototypen wurden durch direktes Metall-Laser-Sintern (DMLS) hergestellt, aber eine minderwertige Oberflächenbeschaffenheit und eine schlechte Montage führten zu einer Untersuchung der Verwendung einer CNC-Maschine mit elektrostatischer Entladungsbearbeitung. Die verbesserte Leistung des Prototyps verdeutlichte die Vorteile von CNC in dieser speziellen Anwendung.

Hightech-Industrie

Die Senkung der Entwicklungskosten ist für viele Hightech-Unternehmen ein wirtschaftliches Muss, wenn sie ihre neuen Kreationen auf den Markt bringen. Als Icon Aircraft das Projekt für ihr A5-Freizeitflugzeug startete, investierten sie viel Zeit und Energie, um den kostengünstigsten und effizientesten Weg zu finden, ihre Komponenten für Prototypen und Massenproduktion zu bauen. Eine Fallstudie zeigt, dass Icon Aircraft 2 bis 3 Wochen im Produktionsplan, 2.000 US-Dollar und zwei Personentage pro Luftführungsteil einsparte, indem es den Bedarf an Spezialwerkzeugen reduzierte.

Flugzeugindustrie

Der Preis der American Foundry Society für das Gussteil des Jahres 2017 wurde an ein Unternehmen verliehen, das ein neues Gussteil für einen Flugzeugpassagiersitzrahmen entwickelt hat. In der Vergangenheit wurde diese Strukturkomponente aus einem einzigen Knüppel hergestellt, aber ein Prozess der detaillierten Konstruktion und Konstruktion führte zu einer Gitterstruktur aus Magnesium – einem Material, das leichter als Aluminium ist, aber nicht 3D-gedruckt werden kann. Der Gussprototyp ergab ein Produkt, das die erforderliche Festigkeit aufweist und dennoch viel leichter ist als bestehende maschinell bearbeitete Teile. Einsparungen von 100.000 $/Jahr bei einem einzelnen Passagierflugzeug wurden basierend auf der Reduzierung der Treibstoffkosten aufgrund der leichteren Sitze sowie der damit verbundenen Emissionsreduzierungen berechnet.

Rapid Prototyping und die Zukunft

Innovatoren und Ingenieuren steht eine wachsende Zahl von Methoden zur schnellen Prototypenherstellung zur Verfügung. Jede Methode hat ihre eigenen Vor- und Nachteile. Gießverfahren eignen sich für Anwendungen, bei denen der Prototyp aus dem gleichen Material wie das fertige Produkt hergestellt werden muss, insbesondere für Metalle mit hohem Schmelzpunkt. Der 3D-Druck eignet sich für kleinere Bauteile aus bestimmten druckbaren Materialien – diese Technologie wird kontinuierlich weiterentwickelt und verbessert. Die maschinelle Bearbeitung kann verwendet werden, um Metall von einem Lagerprodukt abzutrennen, wenn die Komplexität nicht zu hoch ist und Standardprozesse wie Fräsen und Schleifen weiterhin verwendet werden können.

Sir James Dyson ist ein legendärer Erfinder, Unternehmer und Ingenieur, der vor allem für seine Entwicklung des Zyklon-Vakuumsystems bekannt ist, das Beutel-Vakuumsysteme in Haushaltsreinigungssystemen ersetzte. In einem faszinierenden Interview mit der BBC enthüllte Dyson, dass seine Erfindung fünf Jahre bis zur Perfektion und insgesamt 5.127 verschiedene Optimierungen und Modifikationen benötigte. Er glaubt fest an das uralte Motto:„Wenn es beim ersten Mal nicht gelingt, versuchen Sie es, versuchen Sie es erneut!“ Die Geschichte von Dyson unterstreicht die Realität, dass Produktentwickler und Ingenieure mehrere Iterationen der Entwicklung und Verbesserung benötigen, um neue Produkte auf den Markt zu bringen. Verbesserungen beim Rapid Prototyping werden weiterhin Ineffizienzen reduzieren und Kosten senken, zum Vorteil von Innovatoren und Verbrauchern gleichermaßen.

Referenzen

• 3der. „Grundlagen des 3D-Drucks“
• Marlin-Stahl. „3D-Druck versus traditionelle Fertigung“
• Mechanische Erfindungen. „Arten von Mustern“
• Maschinenbau. „Formmuster / Sandgussmuster / Muster und Formen“
• miBot. „Sandformen und -muster herstellen“
• Die Bibliothek der Fertigung. „Feinguss“
• Gießereimanagement und -technologie. „Feinguss zu einer besseren Investition machen“
• Thomas Net. „Mehr über CNC-Bearbeitung“
• Schnelles Blech. „Schnelle Herstellung von Prototypen“
• Kreative Mechanismen. „Alles, was Sie über CNC-Maschinen wissen müssen“
• Wikipedia. "Bearbeitung"