Foundry Trend Spotting:Rapid Prototyping mit 3D-Druck

Wie Gießereien 3D-Drucker für schnelles Produktdesign einsetzen

Produktentwicklung ist ein spannender Entdeckungsprozess. Die Investition in neue Produkte zeigt das Engagement eines Unternehmens für die Bedürfnisse seiner Kunden. Forschung und Entwicklung können lange dauern, Iterationen beim Bauen und Anpassen von Modellen und Prototypen. Es braucht Zeit, um zu lernen, was funktioniert – und was nicht. Der 3D-Druck ist ein sehr nützliches Werkzeug, um das Design vieler Fertigwaren, einschließlich Metallprodukten, zu beschleunigen.

Warum Prototyp?

Das Prototyping ist ein wesentlicher Schritt in der Produktherstellung und schließt die erhebliche Lücke zwischen dem theoretischen Design und dem endgültigen Arbeitsprodukt. Es gibt Produktdesignern die Möglichkeit, mit realen Modellen zu arbeiten und von ihnen zu lernen. Es ermöglicht ihnen, neue Ideen zu testen und auszuprobieren, mit dem Ziel, sie zu einem Endprodukt zu verbessern und zu verfeinern.

Beim Design eines neuen Produkts können Form und Funktion in verschiedenen Phasen getestet werden. Einige Prototypen werden nur hergestellt, um Größe und Aussehen zu untersuchen. Andere können entwickelt werden, um bestimmte Eigenschaften auf Funktion und Passform zu testen.

Was Sie über Rapid Prototyping wissen müssen

Es gibt mehrere Standardprototypen. Traditionell sind die einfachsten Prototypen Mockups aus Papier, Holz oder Schaumstoff, die von Handwerkern anhand von Zeichnungen oder digitalen Designs erstellt wurden. Während des Designprozesses können weitere Prototyping-Stufen von anhaltender Komplexität durchgeführt werden. Bevor ein Produktionslauf gestartet wird, führen Fabriken einen Testlauf durch und erstellen einen Produktionsprototyp, um die Qualität des Produkts zu bewerten und den Prozess in der Fabrik zu bewerten.

Rapid Prototyping verbessert den Nutzen und die Effizienz vieler der ersten Prototyping-Phasen. Da Handwerker traditionell Mockups erstellt haben und Produktionsprototypen normalerweise kundenspezifische Werkzeuge erforderten, war die Prototypenherstellung im Allgemeinen langsam und kostspielig. Die Möglichkeit, Prototypen im Handumdrehen zu drucken und anzupassen, kann diese iterativen Designphasen erheblich verkürzen. In einigen Fällen kann ein Kunststoffprototyp verwendet werden, um den Produktionsprozess zu rationalisieren. Insbesondere Gießverfahren erfordern oft die Verwendung eines Modells und/oder einer Matrize, was teuer sein kann – und nur vertretbar ist, wenn eine groß angelegte Produktion Renditen generiert – und die Erstellung von Modellmodellen auf einem 3D-Drucker kann es einem Designer ermöglichen Fangen Sie Probleme, bevor Sie zu Holz oder Metall in größerem Maßstab übergehen.

Natürlich sind diese Prototypen keine Serienprototypen. Das Ersetzen von Metall durch Kunststoff während dieser Zeit bedeutet, dass einige Metalleigenschaften nicht überprüft werden können. Einen Poller in voller Größe aus Kunststoff auf einem 3D-Drucker zu drucken, ist auch pro Einheit weitaus teurer als einen zu gießen. Das maßstabsgetreue Drucken von Modellen gibt Designern jedoch etwas, das sie untersuchen und manipulieren können, und alle daraus resultierenden Änderungen erfordern nichts weiter als eine Optimierung der digitalen CAD-Datei und einen schnellen Neudruck.

Viele Prototypen werden auch in kleineren Maßstäben und/oder mit weniger Details als das Endprodukt hergestellt. Obwohl sie nur einen Teil oder Aspekt des endgültigen Entwurfs darstellen, können sie dennoch hilfreich sein, um Entscheidungen früh in der Entwurfsphase zu treffen – eher als später, wenn die Verfeinerung kostspieliger wird.

Rapid Prototyping mit 3D-Druckern

Rapid Prototyping durch 3D-Druck nutzt additive Fertigungstechnologien. Digitale Entwürfe oder CAD-Modelle werden in der Regel vom Computeralgorithmus in viele winzige horizontale Schichten „geschnitten“, die dann einzeln gedruckt werden.

3D-Druck gibt es seit den 70er und 80er Jahren in verschiedenen Formen, aber erst in jüngster Zeit hat er sich zu einem kommerziellen Maßstab entwickelt. Obwohl es Einschränkungen gibt, entwickelt sich die Technologie schnell weiter. Die fortschrittlichsten 3D-Drucker können mehrere Materialien mit unterschiedlichen Eigenschaften und Farben drucken. Direct Metal Laser Sintering (DMLS)-Drucker können sogar Metallprodukte bedrucken.

Größenbeschränkungen und die Oberflächenqualität von 3D-gedruckten Prototypen haben sich im Laufe der Jahre ebenfalls stark verbessert, was sie besonders nützlich für Designer macht, die die ersten Entwicklungsphasen durchlaufen.

Erstellen von Metallteilen mit 3D-Druck

Werden DMLS-Drucker die Metallguss- oder Metallverarbeitungsindustrie herausfordern? Die 3D-Branche ist dynamisch, fast täglich werden neue Entwicklungen angekündigt. Großprojekte wie die 3D-gedruckte Brücke von MX3D in Amsterdam zeigen, dass auch in der Konstruktionsfertigung viel Potenzial steckt. Diese Form des Drucks steht jedoch nicht in Konkurrenz zur traditionellen Metallverarbeitung. Trotz dieser Entwicklungen wird der 3D-Druck die traditionelle Metallherstellung in den nächsten Jahrzehnten eher verbessern als ersetzen – sogar die Amsterdamer Brücke ist mit traditionellem Rohstahl gesichert, der die Decks stützt.

Der 3D-Metalldruck ist natürlich nicht das Gießen und Schichten von geschmolzenen Metallen. Die heutigen Technologien drucken Metall, indem sie ein Metallpulver in eine nichtmetallische Matrix einarbeiten, die erhitzt und in Form geleitet wird. Bei einigen Prozessen (allerdings nicht bei der obigen Brücke) wird das Metall dann erhitzt, sodass die Matrix verdampft.

Dieses gedruckte Metall bietet möglicherweise mehr Festigkeit als Kunststoff, kann jedoch nicht die breite Palette möglicher Legierungen bieten, die in einer traditionellen Gießerei verfügbar sind. Die unglaublich hohe Hitze und die kontrollierten Kühlbedingungen, die für viele spezifische Stahl- und Eisensorten erforderlich sind, bedeuten, dass das Arbeiten, um eine Sorte gegenüber einer anderen zu erreichen, ein kniffliges Gleichgewicht zwischen Temperatur und Druck ist. Außerdem kann es zu Metallspannungen kommen, wenn ein Teil eines Gussstücks schneller abkühlt als ein anderes – und an der Stelle einer Verbindung kontrolliert werden muss. Beim 3D-Druck wird ein Objekt durch geordnetes Abscheiden von Schichten aufgebaut:Selbst wenn dies mit herkömmlichem fast geschmolzenem Stahl möglich wäre, der für einige Eisenlegierungen erforderlich ist, würden die durch unterschiedliche Abkühlungsgrade verursachten Spannungen die Eigenschaften des Metalls im Vergleich zu einem Vollguss grundlegend verändern Stück.

Trotzdem ist das von Metalldruckern bedruckte Material Stahl näher als Kunststoff. Spannend für die Gießerei ist, dass diese Metalldrucktechnologie eines Tages die Funktionsprüfung eines schnellen Prototyps ermöglichen könnte. Vielleicht könnte ein Metallteil billig gedruckt und einer relativen Belastung ausgesetzt und dann durch den Produktionsprozess optimiert werden.

Rapid Prototyping für die Gießerei heute

Gießgeräte und -techniken wurden durch Jahrhunderte des Lernens und der Entwicklung verbessert. Sandguss gibt Herstellern viel Kontrolle über das Verhalten von Metall im geschmolzenen und abkühlenden Zustand, der die mechanischen Eigenschaften des Metalls verändert. Durch den Gießprozess unterschiedlich behandeltes Metall kann in verschiedenen Formen kristallisiert werden, von denen jede für zusätzliche Eigenschaften bearbeitet werden kann. Dies erklärt die Bandbreite der mechanischen Eigenschaften, die einem Kunden durch Metallguss zur Verfügung stehen.

Die Herstellung der Muster für diese Gussteile bedeutete jedoch das mühsame Handschnitzen von Holzmustern, um sie in den Sand zu formen. Diese Muster müssen ohne Stellen erzeugt werden, an denen sich Metall „ansammeln“ könnte und daher langsamer abkühlt, wodurch innere Spannungen auf dem Teil entstehen. Sie müssen glatt genug sein, um sich aus dem Sand zu lösen, den sie prägen. Die Erstellung eines gedruckten Objekts kann es dem Designer und der Gießerei ermöglichen, Änderungen am Objekt in Betracht zu ziehen, die bei der Erstellung des effizientesten und am besten geformten Musters für das Projekt helfen.

Feinguss ist ein vielseitiges Verfahren, das sich ideal für die Massenproduktion eignet – insbesondere für komplexe Designs und wenn die Oberflächenqualität wichtig ist. Beim Feinguss wird normalerweise eine Form hergestellt, um Wachsmodelle herzustellen, die dann beschichtet werden, um Keramikformen zu bilden. Wachsmuster lassen sich leicht wegschmelzen und hinterlassen Formhohlräume, die für geschmolzenes Metall bereit sind.

Dies kann jedoch teuer in der Herstellung sein, was die Stückkosten früh in der Konstruktionsphase erheblich erhöhen kann. Was viele Hersteller tun, ist der 3D-Druck von Wachsmustern für Prototypen, wodurch die Notwendigkeit für kundenspezifische Matrizen entfällt. Konstrukteure können ihr Teil überprüfen und auf eine endgültige Version hinarbeiten, bevor sie sich für teurere Werkzeuge für die Langzeitproduktion entscheiden. Das Drucken von Mustern ist auch für kleine Auflagen und One-Shot-Produktionen wirtschaftlicher. Beim Feinguss können 3D-Drucker daher das endgültige Muster für die Verwendung erstellen.

Eine schnelle Prototyping-Revolution

Der 3D-Druck ist eine Revolution im Metallguss, auch wenn er die traditionelle Metallherstellung nicht ersetzt. Traditionelle Sektoren sind nur durch ihre Vorstellungskraft begrenzt, wenn es darum geht, wie die Zukunft dieser sich schnell entwickelnden Technologie traditionelle Produktionspraktiken verbessern kann. Die beim Prototyping verfügbaren Einsparungen ermöglichen weitere Optimierungen und Änderungen sowie zusätzliche Iterationen, bevor es in die Serienproduktion geht. Was auch immer als nächstes in der Zukunft des 3D-Drucks kommt, es wird sicherlich ein hilfreiches Werkzeug für all jene Designer sein, die die besten Produkte für ihre Kundschaft erstellen möchten.