Rapid Prototyping und die Gießerei

Die Auswirkungen des 3D-Drucks auf den Sand- und Feinguss

3D-Druck ist einer von vielen Fortschritten, die ein schnelleres Prototyping ermöglichen.

Ein Designer, Unternehmer oder Erfinder hat eine Idee und beginnt mit dem Prozess, um sie zum Leben zu erwecken. Zunächst besteht die Idee aus Skizzen und Plänen, Recherche und Design, aber der Designer konzentriert sich darauf, ein physisches Objekt zu schaffen. Es gibt keinen Ersatz dafür, ein Modell oder einen Prototyp in der Hand zu halten und zu sehen, wie eine Vision zum Leben erweckt wird. Prototyping ermöglicht es dem Designer, Vertrauen in seine Idee zu haben, Produktionsfehler auszuarbeiten und Investoren oder Kunden zu werben.

Während der ersten Einführung eines Objekts in die Welt muss ein Schöpfer sein neues Produkt durch Fragen des geistigen Eigentums, endgültige Kostenanalysen, mechanische und ästhetische Bedenken und Investoren-, Kunden- oder Markterwartungen steuern. Ein guter Prototyping-Lauf schafft Raum für die Erforschung all dieser Probleme.

Glücklicherweise hat der Aufstieg des schnellen, computergestützten Prototyping die technischen Details dieses Prozesses vereinfacht, sodass ein Entwickler das bestmögliche Produkt herstellen kann.

Geschichte des Prototyping

Vor dem Aufkommen computergestützter Technologien wurden alle Metallguss-Prototypen nach handgezeichneten Mustern konstruiert. Nach der anfänglichen Entwurfsphase würde ein Kunsthandwerker die Zeichnung in eine dreidimensionale Skulptur verwandeln. Für Sandgüsse wurden diese Modelle normalerweise aus Holz, gelegentlich aber auch aus Metall oder Keramik hergestellt. Einige Muster wurden für einen Feingussprozess aus Wachs gerendert. Diese losen Muster waren die erste allgemeine Wiedergabe des endgültigen Objekts.

Diese Muster wären nicht identisch mit dem Prototyp, obwohl sie dem Endprodukt ähnlich aussehen könnten. Muster sind oft etwas größer als das endgültige Modell, um die Schrumpfung während des Metallgussverfahrens auszugleichen. Sie können auch in Abschnitte unterteilt sein, als bloße geometrische Konturen für Sweep-Formen erstellt werden oder seltsame Winkel aufweisen, die dazu bestimmt sind, die Verformung von sich zusammenziehendem Metall zu kompensieren oder um dem Muster einen Entwurf zu bieten, der aus einer Sandform entfernt werden soll.

Muster wurden einem erfahrenen Former auf dem Boden der Gießerei gegeben, normalerweise um eine Sandform herzustellen, die für das Gießen des Prototyps erforderlich ist. Früher war der Formschritt eine Herausforderung, nicht so einfach wie das einfache Einpressen eines Musters in Sand. Ein Gießer musste die Trennlinien des Gussstücks schnitzen und die notwendigen Kanäle und Löcher platzieren, damit das geschmolzene Metall die Form gleichmäßig und vollständig füllen und ohne Defekte abkühlen konnte. Zu diesen Kanälen gehören der Anguss oder der Eingang, in den flüssiges Metall gegossen wird; Tore, bei denen es sich um Kanäle unterschiedlicher Größe handelt, die die Fließgeschwindigkeit des geschmolzenen Materials steuern; Kanäle, die flüssiges Metall von einem Bereich der Form zum anderen fließen lassen; und Riser, großvolumige Becken, die länger heiß bleiben als das Gussteil und daher flüssiges Metall in das Gussteil leiten können, wenn es abkühlt und schrumpft, wodurch die Bildung von Löchern verhindert wird.

Aus dieser sorgfältigen Arbeit sowohl des Modellbauers als auch des Formers wurden Metallprototypen gegossen.

Sobald Gießereiarbeiter einen sauberen Metallguss entformt hatten, konnte der ursprüngliche Designer ihn bewerten. Ästhetik, Gewicht, Verarbeitung und Passform würden deutlich. Wenn es nicht nur ein dekoratives Objekt wäre, sondern etwas, das entwickelt wurde, um mechanischen Belastungen standzuhalten, würde der Designer das Objekt testen, indem er es bis zu seiner angegebenen Toleranz und darüber hinaus belastet, um die Technik zu überprüfen. Gießereien testeten auch Prototypen, indem sie sie zerstörten:Das Gussteil wurde in Stücke geschnitten, um im Inneren nach Verformungen zu suchen.

Ein Design zur Fertigung zu bringen, würde auch die Investition und den Ertrag klarer machen. Ein Designer oder Erfinder kann die Prototyping-Phase nutzen, um ein Budget zu erstellen und Effizienzen für einen vollständigen Produktionslauf zu ermitteln.

Nachdem Sie auf all diese Weise über den Prototyp nachgedacht haben, sind möglicherweise Änderungen am Design erforderlich. Unabhängig davon, ob die Änderungen groß oder klein waren, bedeuteten sie für den handwerklichen Modellbauer und den Former danach normalerweise wieder stundenlange Arbeit.

Prototyping war ein langer und kostspieliger Prozess.

Digitalisierung und computergestütztes Design

Der Aufstieg des Rapid Prototyping hat es viel einfacher gemacht, ein funktionierendes Modell zu erstellen. Es verzögert auch das erste Mal, wenn ein physisches Objekt benötigt wird.

Blaupausen und technische Skizzen wurden früher alle von Hand gemacht. Jetzt werden sie durch CAD-Programme (Computer Assisted Design) digitalisiert. Es ist sehr einfach, digitale CAD-Dateien viele Male während des Prototyping-Prozesses zu ändern, während historische Blaupausen arbeitsintensiv neu gezeichnet werden mussten.

CAD-Zeichnungen können in komplexe und gut durchdachte Simulationen des Fertigungsablaufs und des Endprodukts umgewandelt werden. Sie sind ein digitaler Prototyping-Schritt, bei dem ein vollständiges Computermodell erstellt wird, das eher wie ein erster Prototyp funktioniert, als dies mit Stift und Papier möglich war. CAD-Dateien können auch von Computerprogrammen verwendet werden, die Herstellungs- und Produktionsinformationen enthalten. Wenn ein Konstrukteur CAD-Dateien mit seinem Objekt an eine Gießerei sendet, können Metallurgen Programme mit umfangreichen Datenbanken zu Metalleigenschaften und Formprozessen verwenden, um die Skizze zu bewerten und mögliche Probleme vorherzusagen. Probleme, für deren Entdeckung einst ein Prototyping-Lauf erforderlich war, können gefunden werden, bevor das erste Metall gegossen wird.

Diese Programme sind auch für die Gießerei hilfreich, da sie dabei helfen, Angüsse, Anschnitte, Angusskanäle und Speiser an den Stellen zu platzieren, die den stabilsten Guss erzeugen, bevor das Modell jemals den Gießereiboden erreicht.

Doch egal wie komplex oder wie gut ausgedacht, sie sind immer noch Abstraktionen. Menschen brauchen oft einen physischen Prototyp, um ein Design wirklich zu verstehen.

Modelle und Vorproduktionsprototypen

Mit dem Aufkommen des 3D-Drucks können Modelle schnell und in jedem Maßstab erstellt werden, oft lange bevor ein Hersteller kontaktiert wird. Es ist heute üblich, dass Designer ihre ersten eigenen Prototypen im eigenen Haus bauen. Ob im Miniaturformat oder im Maßstab, ein Designer kann ein Modell seines Projekts hochhalten, um zu sehen, wie alles zusammenpassen könnte.

Der 3D-Druck ist Teil eines neuen Stils des sich schnell ändernden „iterativen Designs“. 3D-Modelle können innerhalb eines Tages gedruckt, überprüft, geändert und neu gedruckt werden. Dies ist schnell und kostengünstig im Vergleich zu dem komplexen Prozess der Musterherstellung und des Metallgusses.

In der Gießerei kann Rapid Prototyping auch dazu beitragen, Muster zu erstellen, die auf neue und neuartige Weise in die Form gepresst werden. Lasergeführte Bearbeitung kann ein Muster aus Metall herstellen. Der 3D-Druck kann direkt Muster für den Feinguss erstellen, was für kleine oder komplexe Auflagen effizient sein kann.

Produktionsprototypen

Schließlich müssen Prototypen aus dem richtigen Material in der richtigen Größe hergestellt und eine Kleinserie beim Hersteller bestellt werden. Die Einführung digitaler Technologien bedeutet, dass der Modellbauer und der Former jetzt jeweils von Computerprogrammen durch ihre Arbeit geführt werden, was diese Prototyping-Schritte beschleunigt. Doch nicht alles hat sich geändert. Für die ersten Prototypen einer Sandgussproduktion wird in der Regel immer noch ein loses Holzmodell (oder ein Wachsmodell für einen Feinguss) erstellt. Diese Arbeitsmodelle werden wie immer erstellt und getestet.

Die Gießerei führt immer noch zerstörende Tests durch. Metallarbeiter schneiden oder entkernen einige der Gussteile, um sicherzustellen, dass sie fehlerfrei sind oder dass etwaige Fehler innerhalb vereinbarter Toleranzen liegen. Wenn sich die Gießerei sicher ist, sendet sie Muster an den Kunden. Der Kunde stellt dann das Gussteil wie gewünscht fertig und setzt es in Betrieb. Sieht der funktionierende Prototyp aus und verhält er sich wie beabsichtigt? Kann es die erwartete Last bewältigen?

Bei neuen Erfindungen benötigt der Innovator möglicherweise mehrere Runden von funktionierenden Prototypen, um am Design oder Material zu basteln. Für mehr Standardteile könnte der funktionierende Prototyp der Proof of Concept sein, der Kunden oder Investoren findet, die für einen vollständigen Produktionslauf bezahlen.

Die Geschwindigkeit dieser Prototyping-Läufe wird durch die Einführung von Technologien wie Ultraschall und Röntgen erhöht. Gießereien können jetzt sowohl zerstörungsfrei als auch zerstörend testen. Techniker können die Unversehrtheit des Metalls überprüfen, ohne den Guss zu schneiden. Dies bedeutet, dass weniger Prototypen hergestellt werden können und dennoch eine vollständige Prüfung auf der Produktionslinie möglich ist. Von einer Gießerei auf zerstörungsfreie Weise geprüfte Artikel können von der Gießerei zur Inspektion, Endbearbeitung und Belastungsprüfung an den Kunden gesendet werden. Schnelles Prototyping wird dann auch durch neue Optionen für zerstörungsfreie Tests ermöglicht, die weniger Investitionen in Produktions-Prototyping-Läufe ermöglichen.

Geheimhaltungsvereinbarungen und Patente

Nicht nur technische Fragen sind von Rapid Prototyping betroffen, sondern auch Fragen des geistigen Eigentums. Sobald das Design die Werkstatt des Designers verlässt und in die Welt der Fertigung einzieht, wird geistiges Eigentum zu einem Problem.

Wenn ein Produkt das erste seiner Art ist, plant ein Erfinder in der Regel, ein Patent anzumelden. In vielen Situationen ist es unklug, ein Patent einzureichen, bevor ein funktionierender Produktionsprototyp getestet wurde. Sowohl die Arbeit, die in das Prototyping einfließt, als auch das anschließende Testen des Designs, können Fehler aufdecken, die die Patentanmeldung ändern könnten.

Patente werden öffentlich bekannt gegeben, wenn sie eingereicht werden. Rapid Prototyping heizt den Produktionskreislauf für alle an. Ein fehlerhaftes Patent kann kreatives Futter für einen Konkurrenten sein, der schnell in seine eigene Forschung und Entwicklung einsteigen kann, indem er das Patent als Grundlage verwendet. Daher ist das Warten bis zum Ende des Prototypings mit der Patentierung oft sowohl kosten- als auch schutzwürdig. Ein Erfinder möchte in der Regel kein Geld für einen komplizierten Patentprozess ausgeben, nur um ihn mit der Konkurrenz auf den Fersen wiederholen zu müssen.

Dieser Prozess kann dazu führen, dass sich ein Erfinder anfällig fühlt, dass jemand im Prototyping-Prozess sein Design kopieren und zuerst auf den Markt bringen könnte. Daher ist es wichtig, eine gute Beziehung zu einem seriösen Hersteller zu haben und Designs mit klaren Geheimhaltungsvereinbarungen schützen zu lassen.

Rapid Prototyping für besseres Design

Die andere Seite dieser Vorsicht ist der geschäftliche Drang, ein Produkt auf den Markt zu bringen, selbst wenn es sich um begrenzte Testmärkte oder Beta-Tester handelt. LinkedIn-Gründer Reid Hoffman wird häufig mit den Worten zitiert:„Wenn Ihnen die erste Version Ihres Produkts nicht peinlich ist, haben Sie es zu spät auf den Markt gebracht.“

Rapid Prototyping hilft Designern, ein besseres Produkt zu entwickeln, bevor es auf den Markt kommt. Die Leichtigkeit dieser Phase kann jedoch ein Sirenengesang sein, der Designer dazu bringt, vor dem Start daran zu basteln, die Dinge perfekt zu machen. Es ist wichtig, sich daran zu erinnern, dass die Entwicklung nicht die Arbeit der Verfeinerung und Perfektionierung von Produkten beenden muss. Das Leben eines Gussstücks kann mit Design und Prototyping beginnen, bringt aber oft Generationen von Produkten hervor, die Stil, Material, Gussmethode, mechanische Fähigkeiten, Größe oder Funktion leicht verändern.

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