Weiterentwicklung der Prototypenfertigung: State-of-the-Art Rapid Production Techniken

Rudgley M definiert Rapid Manufacturing: „Fertigungstechnologie für Endprodukte via Additive Manufacturing“, nutzt Prototypentechnologie für serienreife Produkte. Rapid Manufacturing = Entwicklungsrichtung des Rapid Prototyping, aber noch viel Verbesserungspotenzial.

SLA, SLS, FDM = Haupttechnologien für Prototypenhersteller. Gemeinsamkeit: Bauteil in diskrete Schichten zerlegen & einzeln fertigen.

Komplexe Geometrien

Verlockendstes Merkmal: fast unbegrenzte geometrische Freiheit. Hohlräume, Überhänge, Freiformen, Basisgeometrien. Beispiel SLS: keine Stützen nötig, Teile in beliebiger Position im Bauraum ohne Spannen → nahezu unendliche geometrische Möglichkeiten.

Größenbereich: Mikro bis Groß. Prozesswahl (SLS, SLA, FDM) bestimmt Maximalgröße – meist mittlere Teile (Prozessökonomie, Großteile-Performance). Große Produkte: starke Limitierung.

Kein Werkzeug wie konventionell → kundenspezifisches Produkt via RP deutlich wirtschaftlicher. Kombiniert mit Geometriefreiheit → Wegbereiter für Medizintechnik. Hohe geometrische Flexibilität ermöglicht Kombination RP + konventionelle Fertigung – eine der aktuellen RP-Entwicklungsrichtungen. Beispiel: Dünnwandige Langteile früher nur per EMD (Erodieren), jetzt RP als Komplettlösung.

DLM & Reverse Engineering

RP fertigt Merkmale (Hohlräume, innere Scharfkanten, lange Dünnwände), die konventionell schwer/ unmöglich sind. Designer müssen Denkweise ändern, um freie Designcharakteristika dieser Prozesse zu nutzen.

Erfordert Weiterentwicklung professioneller CAD-Software für RP. Kombination: verbesserte Designtools + geänderte Designkonzepte = RP-Potenzial ausschöpfen.

Neben Neudesign: oft Design nach physischem Vorbild → Reverse Engineering. Rapid Detection & 3D-CAD-Rekonstruktion → CAD-Modelle direkt aus Physikobjekten.

Geschwindigkeit (Speedability)

„Rapid“ Prototyping = kürzerer Zyklus als konventionell. RP-Sensitivität auf Design = sehr niedrig. Hohe Fertigungsflexibilität, Formprobleme kaum relevant → massive Zeitersparnis. Viele Firmen nutzen RP für Testmuster → schnelle Performance-/Parameterkenntnis.

Ökonomie & weitere Constraints

Trotz Produktivitätssteigerung: RP-Produktivitätsanforderungen nicht erfüllt. Extreme Ungleichheit der RP-Prozesse → erhebliche Übertreibung bei Geräte- & Materialverlusten.

Aktuell: RP hat Vorteile bei Prototyping & Nullserie, aber hohe Anlagen-/Materialkosten, Produktivitätsunterschied zu konventionell limitieren Großserieneinsatz. Weitere Faktoren: Bauteilfestigkeit, Material, Prozesswiederholbarkeit.

Entwicklung der Prototypenfertigungstechnologie

Entwicklungsstand: Lücke zu konventioneller Fertigung bei Oberflächenrauheit, Präzision, Wiederholbarkeit, Teilequalität. Bestehende RP-Prozesse & -Ketten müssen Entwicklungsphase durchlaufen für zuverlässige, sichere Technologie mit geforderter Präzision/Qualität. Genannte RP-Prozesse: ähnliche Präzision (0,1–0,2 mm/100 mm), Rauheit (Ra 5–20 µm), geringe Wiederholbarkeit. Verbesserungen über mechanisches Design (technisches Rückkopplungssystem). Absehbar: Hybridanlagen (RP + konventionell) für Qualitätssteigerung.

Forschungsschwerpunkte: Bearbeitungsverfahren, Anlagen, Laserquellen, Materialien → Festigkeit, Haltbarkeit, Präzision, Zykluszeit verbessern. Letztlich starker Impuls für Transition Rapid Prototyping → Rapid Manufacturing.

Anwendungsbeispiele

Bauteile: 3D-Druck fertigt komplexe Produkte schnell. Klassischer Automobilbau: Teileentwicklung = langfristige F&E & Verifikation. R&D bis Test: Werkzeugbau nötig – lang & kostspielig. Problem → Strukturänderung → gleicher langer Zyklus. 3D-Druck: schnelle komplexe Teile. Testproblem → 3D-Datei ändern & neu drucken → Testwiederholung. 3D-Druck macht zukünftige Teileentwicklung günstiger & effizienter.