Subtraktiv vs. Additiv: Die richtige Rapid-Prototyping-Methode wählen

Da additive Fertigung und 3D-Drucker derzeit ein heißes Thema sind, ist es wichtig, sich zu vergegenwärtigen, warum subtraktive Verfahren wie Fräsen für Rapid Prototyping nach wie vor äußerst wichtig sind. Zunächst aber betrachten wir einige Vorteile und Limitationen des additiven Rapid Prototyping (oder Direct Digital Manufacturing).

Vorteile des additiven Rapid Prototyping

Beim additiven Rapid Prototyping werden Materialien wie flüssige Harze Schicht für Schicht verbunden und verschmolzen, um aus Modelldaten ein 3D-Objekt zu erzeugen. Additives Rapid Prototyping ist allgemein einfach, relativ kostengünstig und schnell. Es ermöglicht auch ein hohes Maß an Komplexität in Kavitäten oder inneren Bereichen eines Teils, die Unterschnitte erfordern und mit subtraktiven Verfahren wie Fräsen unmöglich oder nur schwer realisierbar wären.

Limitationen des additiven Rapid Prototyping

Der Hauptnachteil des additiven Rapid Prototyping ist, dass das resultierende Teil meist nicht aus einem Endverbrauchsmaterial wie Metall besteht … und selbst wenn, fehlt ihm die strukturelle Integrität. Das liegt daran, dass die Verbindungsstelle zwischen zwei Schichten nicht die physikalische Festigkeit eines massiven Blocks desselben Materials (ohne Schichten oder Fugen) aufweist.

Subtraktives Rapid Prototyping mit Endverbrauchsmaterialien

Subtraktives Rapid Prototyping ermöglicht das Prototyping in Endverbrauchsmaterialien. Da Fräsen oder Zerspanen Material von einem größeren Stück abträgt, hat das fertige Teil eine massive Zusammensetzung statt der geschichteten Struktur beim additiven Rapid Prototyping mit 3D-Druckern. Das ergibt eine höhere strukturelle Integrität, was kritisch ist, wenn das Prototypenteil in Produkttests eingesetzt wird. Produkttests mit einem Teil aus subtraktivem Prototyping erlauben eine genaue Analyse der Lebensfähigkeit und sogar Haltbarkeit, da es aus dem gleichen Material besteht, das für die Serienproduktion verwendet wird.

Breiteres Spektrum an Oberflächenfinishs und Texturen beim subtraktiven Prototyping

Subtraktive Rapid-Prototyping-Verfahren bieten auch ein breiteres Spektrum an Oberflächenfinishs für das fertige Prototyp als das standardmäßige „Stufenfinish“, das oft beim additiven Rapid Prototyping mit einem 3D-Drucker entsteht. Dies kann von einer vollständig glatten, spiegelähnlichen Oberfläche bis hin zu gefrästen oder gravierten Texturen reichen. Auf diese Weise kann subtraktives Rapid Prototyping mit einer Hochgeschwindigkeits-CNC-Fräsmaschine Prototypenteile mit einer Wiederholgenauigkeit produzieren, die für die Endverwendung geeignet ist. Die glatte Oberflächenqualität, die mit Hochgeschwindigkeitszerspanung erreicht werden kann, ist funktional vorteilhaft, wenn das Teil gleiten muss, und ästhetisch vorteilhaft, wenn der Prototyp für Markttests genutzt wird.

Additives Rapid Prototyping vs. Subtraktives Rapid Prototyping

Um die oben genannten Punkte zu veranschaulichen, baten wir unsere Anwendungstechniker, ein Teil sowohl mit additiven als auch subtraktiven Verfahren schnell zu prototypen. Da unsere liebste Freizeitbeschäftigung nach Feierabend (zwinker, zwinker) Tischfußball ist, entschieden sie sich, einen „Ersatz“-Tischfußballspieler für Tests herzustellen. Diese Entscheidung basierte auf einem realen Bedarf – wir hatten kürzlich einen der Spieler unseres Vintage-1985-Tischfußballtisches zerbrochen. Mit additivem Rapid Prototyping (3D-Druck) konnten sie einen sehr rudimentären Tischfußballspieler in ca. 90 Minuten entwerfen. Danach begannen sie zu drucken, und in etwas über einer Stunde war das unten gezeigte Teil fertig.

Mit subtraktivem Rapid Prototyping (Hochgeschwindigkeitsfräsen) dauerte die Programmierung erheblich länger – 3 Std. 45 Min. Das Fräsen des unten gezeigten Teils war jedoch deutlich schneller als der 3D-Druck und dauerte nur 28 Minuten.

Produkttest: Additives Rapid-Prototyp vs. Subtraktives Rapid-Prototyp

Natürlich mussten wir das Teil „testen“. In einer Serie von 4 ziemlich hitzigen Partien mit jedem Prototyp zeigte sich: In Funktionalität und Haltbarkeit war das subtraktive Prototyp der klare Sieger. Nicht nur überstand es die 4 Partien, die massive Zusammensetzung ermöglichte stärkere Schüsse mit hoher Geschwindigkeit. Es hätte offensichtlich noch hunderte weitere Partien überstanden. Im Vergleich zeigte das 3D-gedruckte Teil bereits zur Hälfte der 3. Partie Delaminationserscheinungen auf der rechten Seite – und in der 4. Partie mussten wir es mit etwas Tesafilm notdürftig flicken, um den Rest unseres „Produkttests“ zu überstehen. Der Schaden am Teil offenbarte die innere Struktur des 3D-gedruckten Teils, wie unten zu sehen.

Die eher hohle Natur dieses Teils warf etwas Licht darauf, warum wir mit diesem Tischfußballspieler keine starken Schüsse erzielen konnten. Beim Vergleich der resultierenden Oberflächenqualität beider Teile empfanden wir das subtraktive Prototyp als … nun ja, einfach attraktiver. Zudem bot der Fräsprozess mehr Flexibilität, unterschiedliche Oberflächenfinishs zu erzielen. So konnten wir den Großteil des subtraktiven Prototyps sehr glatt gestalten, während der Fußbereich eine strukturierte Oberfläche für zusätzlichen „Grip“ oder Ballkontrolle erhielt. Im Gegensatz dazu diente die inhärente „Stufen“-Oberfläche des additiven Prototyps zwar gut für die Ballkontrolle … war aber über das gesamte Teil nicht sehr attraktiv.

Die ultimative subtraktive Rapid-Prototyping-CNC-Maschine:

Die letztjährige Einführung der DATRON neo kompakten Hochgeschwindigkeits-Fräsmaschine macht subtraktives Rapid Prototyping erschwinglicher und praktikabler denn je. Zudem machen ihre kompakte Größe und die Touchscreen-Bedienung sie einfach zu bedienen und in engsten „Labor“-Umgebungen unterzubringen.