Was ist Rapid Prototyping?

Rapid Prototyping, das üblicherweise durch additive Fertigung durchgeführt wird, ermöglicht es einem Designer, mehrere Iterationen eines Prototyps ohne die zusätzlichen Kosten oder den Zeitaufwand zu entwickeln, die mit der Verwendung herkömmlicher Fertigungs- und Designtechniken verbunden sind.

Was sind die verschiedenen Arten von Rapid-Prototyping?

Die Genauigkeit eines Prototyps – das heißt, wie genau der Prototyp mit dem Endprodukt übereinstimmt – variiert je nach Projekt in einem Spektrum von geringerer bis höherer Genauigkeit.

Was ist Lower-Fidelity-Prototyping?

Wir sprechen von einer geringeren Wiedergabetreue, wenn ein Prototyp nur bedingt mit dem Endprodukt übereinstimmt. Der Prototyp kann verwendet werden, um die Gesamtpassform oder -funktion zu testen, ohne das Design auf Gewicht, Herstellbarkeit oder Finish zu optimieren. Der Prototyp kann auch verwendet werden, um das Design nur in Schlüsselbereichen zu testen, die für den Designer von Belang sind, oder um eine verkleinerte Version des Endprodukts zu erstellen. Ein Vorteil von Prototypen mit geringerer Wiedergabetreue besteht darin, dass sie in der Regel viel weniger Zeit zum Drucken benötigen.

Was ist Higher-Fidelity-Prototyping?

Wir sprechen von höherer Wiedergabetreue, wenn ein Prototyp dem Endprodukt genau entspricht – einschließlich Geometrie, Toleranz und Materialeigenschaften. Prototypen mit höherer Wiedergabetreue brauchen in der Regel länger zum Drucken und sind mit höheren Kosten verbunden.

Was ist die richtige Wiedergabetreue für Ihren Prototyp?

Der für eine bestimmte Design-Iteration angemessene Genauigkeitsgrad hängt von den allgemeinen Projektzielen, der Reife des Designs und den Interessen des Designers ab. Die Bestimmung des angemessenen Genauigkeitsgrads beim Rapid Prototyping kann Zeit im Designprozess sparen und auch die Ressourcenzuweisung optimieren.

Für eine einzelne Iteration können unterschiedliche Prototypattribute wie Geometrie, Materialeigenschaften, Passform und Finish auf unterschiedlichen Genauigkeitsniveaus berücksichtigt werden. Diese Überlegungen wirken sich auf die Gesamttreue des Prototyps aus.

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Was sind die gängigsten Rapid-Prototyping-Prozesse?

Diese Zusammenfassung auf hoher Ebene stellt gängige additive Fertigungstechniken vor, die typischerweise in Rapid-Prototyping-Prozessen verwendet werden.

Rapid Prototyping verwendet im Allgemeinen die additive Fertigung, um Testteile, Modelle oder Baugruppen zu erstellen. Abhängig von den verfügbaren Ressourcen und den Bedürfnissen eines Designers können jedoch auch andere konventionellere Herstellungsverfahren wie Fräsen, Schleifen oder Gießen verwendet werden.

Die gängigen Prototyping-Prozesse lassen sich in fünf Gruppen einteilen:

• Bottich-Photopolymerisation

• Pulverbettfusion

• Materialextrusion

• Spritzen

• Binderdüsen

Weitere Informationen zu jedem Prozess finden Sie weiter unten. Um einen Überblick über diese Rapid-Prototyping-Prozesse zu erhalten, erfahren Sie mehr über additive Fertigungstechnologien .

Vat-Photopolymerisation

Ein Teil wird Schicht für Schicht erstellt, indem Licht verwendet wird, um ein Photopolymerharz in einen Festkörper umzuwandeln.

SLA-gedruckte Teile auf dem Tisch

Stereolithographie (SLA) kann Teile mit sehr hoher Maßgenauigkeit und komplizierten Details herstellen. Sie sind jedoch im Allgemeinen spröde und ihre mechanischen Eigenschaften können sich im Laufe der Zeit verschlechtern, was die Teile typischerweise ungeeignet für funktionale Prototypen macht. Dieser Prozess eignet sich am besten für das Rapid Prototyping von Konstruktionsgeometrien und den Machbarkeitsnachweis von Teileschnittstellen. Es eignet sich auch für Details in den frühen Phasen des Designs und wenn die mechanischen Eigenschaften nicht im Vordergrund des Designs stehen.

Direkte Lichtverarbeitung (DLP) ist ähnlich wie SLA, mit dem Hauptunterschied im Detaillierungsgrad und den Materialeigenschaften. Teile, die mit DLP hergestellt wurden, haben nicht die gleichen komplizierten Details wie SLA, aber eine ähnliche Maßgenauigkeit und Teilefestigkeit, die als gleich oder größer als herkömmliche Spritzgussteile gelten. DLP eignet sich daher am besten für das schnelle Prototyping von Designgeometrien und Machbarkeitsnachweisen, wenn der Fokus des Designs eher auf der Gesamtgeometrie als auf spezifischen Details liegt oder wenn mechanische Eigenschaften im Vordergrund stehen.

Kontinuierliches DLP (CDLP) , wie bei DLP, produziert Teile, die nicht den gleichen Detaillierungsgrad wie SLA haben, aber eine ähnliche Maßgenauigkeit und Teilefestigkeit aufweisen, die als gleich oder größer als herkömmliche Spritzgussteile gelten. CDLP eignet sich daher am besten für das schnelle Prototyping von Designgeometrien und Machbarkeitsnachweisen, wenn der Designfokus eher auf der Gesamtgeometrie als auf spezifischen Details liegt oder wenn mechanische Eigenschaften eine Designpriorität sind.

Pulverbettfusion

Pulverbettfusionstechnologien (PBF) erzeugen ein festes Teil unter Verwendung einer Wärmequelle, die durch Sintern oder Schmelzen eine Fusion zwischen den Partikeln eines Kunststoff- oder Metallpulvers Schicht für Schicht induziert. Die Hauptunterschiede bei PBF-Prozessen werden durch die unterschiedlichen Energiequellen (z. B. Laser oder Elektronenstrahlen) und Pulver (Kunststoffe oder Metalle) bestimmt.

Selektives Lasersintern (SLS) verwendet thermoplastische Polymermaterialien, die in Granulatform vorliegen. Da SLS-Teile in vielen Schichten gedruckt werden, können kleine Abweichungen zwischen den Teilen auftreten. SLS kann daher für Prototypen mit komplizierten Details oder kleinen Toleranzen weniger effektiv sein. Eine glatte Oberflächenbeschaffenheit ist auch möglich, wenn eine Nachbearbeitung verwendet wird. SLS eignet sich am besten für das Rapid Prototyping, wenn die Teilegeometrie oder die allgemeine Passform und Funktion Designprioritäten sind. SLS kann auch für Marketing- oder Proof-of-Concept-Prototypen von Vorteil sein, wenn eine Nachbearbeitung möglich ist.

Selektives Laserschmelzen (SLM) und direktes Metall-Lasersintern (DMLS) können für eine Vielzahl von Metallmaterialien verwendet werden und erfordern in der Regel eine Nachbearbeitung für die Oberflächenveredelung. Diese Prozesse eignen sich daher am besten für das Rapid Prototyping, wenn Materialeigenschaften eine Designpriorität sind. Sie können kostengünstig sein, wenn die Oberflächengüte des Teils keine Rolle spielt.

Elektronenstrahlschmelzen (EBM) , wie SLM und DMLS, eignen sich am besten für Rapid Prototyping, wenn Materialeigenschaften eine Designpriorität sind, und können kosteneffektiv sein, wenn die Oberflächengüte des Teils keine Rolle spielt. Der Hauptunterschied besteht darin, dass EBM nur begrenzte Materialanwendungen hat (Titan- oder Chrom-Kobalt-Legierungen), obwohl es möglicherweise die am besten geeignete Option für Spezialindustrien ist, die diese Materialien benötigen, wie z. B. in der Luftfahrt und im medizinischen Bereich.

Multi-Jet-Fusion (MJF) ist SLS sehr ähnlich, jedoch mit kürzeren Kühl- und Nachbearbeitungszeiten und größerer Genauigkeit und Detaillierung. Einen ausführlichen Vergleich von SLS- und MJF-Prozessen finden Sie hier. Wie SLS eignet sich MJF am besten für Rapid Prototyping, wenn die Teilegeometrie oder die Gesamtpassform und -funktion eine Entwurfspriorität sind, und kann auch verwendet werden, um ein höheres Maß an Details oder engere Toleranzen als SLS zu unterstützen.

Fused Deposition Modeling (FDM) ist ein sehr vielseitiger Prozess für eine Vielzahl von thermoplastischen Materialien mit kurzer Produktionsvorlaufzeit. Ein Nachteil ist, dass die Maßgenauigkeit und Auflösung von FDM geringer sind als bei anderen additiven Fertigungsverfahren. FDM eignet sich am besten für früher in der Prototyping-Phase, wenn die Teilegeometrie oder die allgemeine Passform und Funktion eine Designpriorität sind. Es ist auch am besten geeignet, wenn das Material des endgültigen Teils dem des Prototyps ähnelt, aber keine Bedenken hinsichtlich Details wie Funktions- oder Zuverlässigkeitstests bestehen.

Material Jetting gilt als eine der genauesten 3D-Drucktechnologien und kann mit einer Vielzahl von Materialien in unterschiedlichen Farben und Oberflächen verwendet werden. Materialeigenschaften sind jedoch nicht für Funktionsprototypen geeignet. Material Jetting wird am besten für Rapid Prototyping verwendet, wenn die Teilegeometrie oder -passung eine Konstruktionspriorität ist und die Festigkeit des Teils nicht erforderlich ist. Es ist auch am besten geeignet, wenn es keine Bedenken hinsichtlich der Materialeigenschaften gibt, wie z. B. Proof of Concept oder Marketing-Prototypen.

Nanopartikel-Jetting (NJP) scheidet eine Flüssigkeit, die Metall-Nanopartikel oder Träger-Nanopartikel enthält, in extrem dünnen Tröpfchenschichten auf der Bauplattform ab. Die Bauhülle wird hohen Temperaturen ausgesetzt, die dazu führen, dass die Flüssigkeit verdunstet und die Struktur des Metallteils zurückbleibt.

Drop-on-Demand (DOD) Materialstrahldrucker haben zwei Druckdüsen:eine zum Aufbringen der Baumaterialien (normalerweise eine wachsartige Flüssigkeit) und eine andere für auflösbares Stützmaterial. DOD-Drucker tragen Material in einem punktweisen Pfad auf und verwenden einen Fly-Cutter, der den Baubereich nach jeder Schicht schneidet, um die Oberfläche für die nächste Schicht vorzubereiten.

Binder-Jetting

Mit Binder Jetting hergestellte Teile haben eine hohe Oberflächengüte und Form, obwohl sie spröde sind. Binder Jetting eignet sich am besten für Rapid Prototyping, wenn die Gesamtpassform oder die Teilegeometrie eine Designpriorität sind und keine Bedenken hinsichtlich der Materialeigenschaften bestehen, z. B. Proof of Concept oder Marketingprototypen.

Was sind die Vor- und Nachteile von Rapid Prototyping?

Im Vergleich zu herkömmlichen Herstellungs- und Designtechniken werden beim Rapid Prototyping moderne Fertigungstechniken verwendet, die den Designprozess verbessern, einschließlich Verbesserungen bei Gesamtkosten und -zeit. Aber wenn Sie Rapid Prototyping in Betracht ziehen, vermeiden Sie die Fallstricke der Überbeanspruchung, des Missbrauchs und der falschen Darstellung.

Hier ein Überblick über die Vor- und Nachteile.

Vorteile des Rapid-Prototyping

• Frühere 3D-Visualisierung und -Tests

• Mehr Design-Iterationen zu geringeren Kosten

• Kostengünstiges Tool für Produktdesign sowie Forschung und Entwicklung

Nachteile des Rapid-Prototyping

• Eine Überbeanspruchung wirkt sich möglicherweise nicht positiv auf die Einsparung von Kosten oder Zeit aus

• Nicht für alle Phasen des Prototyping-Prozesses von Vorteil

Was sind die kommerziellen Anwendungen des Rapid-Prototyping?

Anwendungen von Rapid Prototyping für 3D-Design und -Fertigung sind nur durch die Kreativität eines Designers begrenzt. Sie können in allen Phasen des Konstruktions- und Fertigungsprozesses eingesetzt werden. Die beliebtesten Anwendungsfälle sind unten aufgeführt.

Konzeptnachweis

Eine gängige Anwendung ist der Proof of Concept. 3D-Prototypen können schnell und früher im Designprozess erstellt werden, um die Produkttauglichkeit zu bewerten, Diskussionen im Designteam zu erleichtern, das Interesse wichtiger Interessengruppen (z. B. Marketing- und Investitionsparteien) zu wecken und verschiedene Designalternativen zu vergleichen. Der Hauptvorteil, den Rapid-Prototyping-Prozesse für Proof-of-Concept-Anwendungen bieten, sind Kosten- und Zeiteinsparungen für 3D-Prototypen.

Designoptimierung

Rapid Prototyping ist auch eine kostengünstige Möglichkeit, die Optimierung zu beschleunigen, einschließlich Produktdesign sowie Forschung und Entwicklung. Ein Designteam kann die allgemeine Produktfunktionalität bewerten oder sich früher im Designprozess auf Schlüsselattribute (z. B. Geometrie, Passform, Materialeigenschaften, Herstellbarkeit) konzentrieren, ohne dass Kosten für herkömmliche Herstellungsverfahren anfallen.

High-fidelity-Prototypen

Aufgrund der Vielseitigkeit additiver Fertigungsverfahren und Materialien kann Rapid Prototyping verwendet werden, um High-Fidelity-Prototypen zu erstellen, die dem Endprodukt sehr nahe kommen. Dies ermöglicht es Designern häufig, die Produktfunktionalität zu demonstrieren oder Zuverlässigkeitstests zu geringeren Kosten oder schneller als bei herkömmlichen Herstellungsverfahren durchzuführen.

Möchten Sie wie ein Profi Prototypen erstellen? Sehen Sie sich dieses Video über den FDM-3D-Druck an.