Schnelles Metall-Prototyping: Produktentwicklung & Markteinführung beschleunigen

Qualitätsprodukte schreiten schneller denn je voran – vom Design zur Produktion zum Markt

Die Einführung eines neuen Produkts auf den Markt beinhaltet einen komplexen Prozess aus Design, Marktforschung und Fertigung. Rapid Prototyping ist ein Teil dieses Prozesses, bei dem Bauteile hergestellt werden, um ein funktionierendes Modell des Produkts zu entwickeln – seine Funktionalität und Grenzen zu testen. Diese Prototypen können aus demselben Material wie das Endprodukt hergestellt werden, oder ein alternatives Material kann für den Testzweck verwendet werden.

Einige Methoden des Metall-Prototypings umfassen:

• 3D-Druck
• Sandguss (Holzmodell)
• Feinguss (Wachsmodell)
• Direkte Fertigung des Teils aus Metallhalbzeug
• Bearbeitung des Teils direkt aus Metallhalbzeug

Rapid-Prototyping-Methoden und Anwendungen

Jede Prototyping-Methode hat ihre Vor- und Nachteile sowie Faktoren, die sie für bestimmte Projekte am besten geeignet machen.

3D-Druck

3D-Druck ist ein relativ neuer Prozess, auch bekannt als additive Fertigung – der Prozess, eine Schicht des Produkts nach der anderen zu drucken, bis ein 3D-Bauteil durch die vielen Schichten aufgebaut wird. Jede Schicht kann etwa 100 Mikrometer dick sein. Der Drucker wird von einem computergesteuerten System gesteuert, das ein 3D-Design als Eingabe nimmt und das 3D-Produkt als Ausgabe erstellt.

Die Technologie hat sich im Laufe der Zeit weiterentwickelt, und eine Vielzahl von Materialien ist für den Druck verfügbar geworden. Kunststoffe, Nylone, Harze, Silber, Titan, Stahl, Wachs, Photopolymere und Polycarbonate können alle als 3D-Druckmaterial verwendet werden.

Es gibt drei Haupttypen von 3D-Druckmaschinen:

• Selektives Lasersintern (SLS) verwendet Druckmaterial in Pulverform. Jede Schicht des Teils wird durch Schmelzen des Pulvers mit einem Laser erzeugt. Frisches Pulver wird über den teilweise fertigen Teil gerollt und der Prozess wird wiederholt, bis der gesamte Teil gebaut ist.
• Fused Deposition Modeling (FDM) verwendet thermoplastisches Filament und schmilzt es zur Extrusion. Die Extrusion wird präzise vom Computer gemäß dem 3D-Design gesteuert, wobei jede Schicht nacheinander gedruckt wird.
• Stereolithografie verwendet ebenfalls einen Laser, aber in diesem Fall wird ein flüssiges Produkt Schicht für Schicht durch die Laserwirkung verfestigt – es wird gesteuert, um dem Design zu entsprechen.

3D-Druck ist beliebt für Rapid Prototyping, weil der Prozess sehr ressourceneffizient ist. Kein Werkzeugbau von Produktionslinien ist erforderlich, Arbeitsanforderungen sind minimal, und es wird sehr wenig Abfall erzeugt. Der Nachteil von 3D-Druck ist, dass er zeitaufwändig sein kann – Stunden und manchmal Tage, um komplexe Teile zu bauen. Die Teilgröße ist durch den Druckbereich der Maschine begrenzt. Zusätzlich kann es nicht möglich sein, das Teil im gewünschten Material herzustellen, aufgrund der sehr hohen Schmelzpunkte einiger Metalle.

Sandguss

In Metallgießereien werden Modelle verwendet, um die Form herzustellen, die zum Gießen des Metallteils verwendet wird. Ein Prototyp-Modell wird auf die einfachste und kosteneffektivste Weise hergestellt, damit das Teil getestet und bei Bedarf angepasst werden kann. Aus diesem Grund wird das Modell oft verwendet, um eine Sandform herzustellen, da dies die billigste und schnellste Form ist. Von Anfang bis Ende kann ein Prototyp in 2 bis 4 Wochen mit einem losen Holzmodell hergestellt werden.

Ein lose Holzmodell wird von einem Modellbauer aus Holz mit Techniken wie Drehen, Werkzeugbau, Formenbau und feiner Holzbearbeitung hergestellt. Das Modell wird gemäß dem Prototyp-Design mit einigen Toleranzen für Schwindung hergestellt, die beim Abkühlen des Metalls auftritt. Wo das Prototyp-Design Teile mit Hinterschneidung erfordert, werden diese Teile als lose Stücke des Modells hergestellt, die durch Stifte an Ort und Stelle gehalten werden.

Formsand ist speziell mit der richtigen Mischung von Komponenten zusammengesetzt, damit er die für den Metallguss benötigten Eigenschaften hat. Er muss seine Form halten, nicht zu viel Feuchtigkeit abgeben und eine gute Oberflächenqualität liefern. Sand wird um das lose Holzmodell gepackt, um einen Guss zu bilden, der dann verwendet werden kann, um den Metallprototyp herzustellen.

Das Gießen eines Metallprototyps ist ein standardmäßiger Gießereiprozess, bei dem Metall geschmolzen, die Zusammensetzung kontrolliert und flüssiges Metall in die Form gegossen wird. Nach dem Abkühlen wird die Form abgenommen und der Metallprototyp ist bereit für die Nachbearbeitung.

Metallguss eines Rapid Prototyps mit einem losen Holzmodell ist aufgrund der niedrigen Produktionskosten und der relativen Einfachheit, das Modell anzupassen und neu zu gießen, beliebt. Es ist auch möglich, den Prototyp aus demselben Material wie das Endprodukt herzustellen, was weitere Entwicklungsstufen eliminiert. Hersteller stellen oft fest, dass der Prozess zur Entwicklung eines Prototyps oft zur Methode für die Endproduktion mit geringfügigen Modifikationen wird.

Feinguss

Feinguss ist ebenfalls ein Gießereiprozess, verwendet aber eine andere Technik, um das Modell für die Formherstellung zu erstellen. Der erste Schritt ist die Erstellung eines Wachsmodells, das dem Design für den Prototyp entspricht. Historisch wurden Wachsmodelle mit Spritzgussmaschinen oder Wachspressen hergestellt, aber neue Materialien und die Entwicklung des 3D-Drucks haben die Möglichkeit geschaffen, Feingussmodelle einfacher und schneller herzustellen.

Sobald das Modell erstellt wurde, wird es in Keramikmaterial eingebettet, das die Form des Modells annimmt, während es aushärtet. Die Form wird dann erhitzt, bis das Wachs schmilzt und aus der Gussform fließt – daher der alternative Name Wachsausschmelzguss. Standardmäßige Gießereigussprozesse folgen, bei denen flüssiges Metall in den Guss gegossen wird. Wenn das Metall abgekühlt und erstarrt ist, wird der Keramikkörper abgenommen, wodurch der Metallprototyp für die Nachbearbeitung bereit ist.

Die Vorteile dieser Rapid-Prototyping-Methode sind ähnlich wie die des losen Holzmodells – mit dem zusätzlichen Vorteil feinerer Toleranzen und Oberflächen.

Metallprototypen fertigen

Metallhalbzeuge umfassen Bleche, Stäbe, Rohre, Profile und Draht. Jeder davon kann als Rohmaterial verwendet werden, um einen Metallprototyp als nachgelagerten sekundären Schritt herzustellen, anstatt durch Primärherstellung wie Guss oder 3D-Druck.

Für die Blechprototypenherstellung können viele verschiedene Prozesse eingesetzt werden, um einen Prototyp zu fertigen. Zum Beispiel könnte das physische Modell abgewickelt und auf ein Metallblech gelegt werden, um es als Schablone zu verwenden, dann könnten Laser oder Brenner verwendet werden, um Konturen und Öffnungen zu schneiden und Biegungen zu markieren. Pressen könnten verwendet werden, um das Metall an den markierten Grenzen zu biegen, und spezialisierte Schweißgeräte können verwendet werden, um Teile zusammenzufügen.

Rohre können für Prototyping verwendet werden, indem sie durch eine Reihe verschiedener Operationen verarbeitet werden, um ein Prototypteil zu erstellen, das dem Design entspricht:

• Aufweiten – Erweiterung der Öffnung am Ende eines Rohrs zu einer Trichterform
• Pressen (Swaging) – Verringerung oder Erhöhung des Rohrdurchmessers
• Eindrücken (Dimpling) – kleine Verformungen auf der Metalloberfläche
• Biegen – Formen durch Einfügen von Biegungen an definierten Punkten im Rohr
• Abflachen – Verwendung einer Presse zum Komprimieren des Rohrs
• Durchstechen (Piercing) – Erzeugen von Löchern im Material
• Expandieren – Verwendung von Wärme und Werkzeugen zur Öffnung des Rohrdurchmessers

Der Hauptvorteil der Fertigung eines Metallprototyps aus Halbzeugen ist die Zeiteffizienz. Modelle oder Formen sind nicht erforderlich, und die Rohmaterialien sind ab Lager verfügbar. Der Nachteil ist, dass einige Prototyp-Designs zu komplex für Standardfertigungsprozesse sind und daher nicht mit dieser Technik hergestellt werden können.

Metallprototypen bearbeiten

Bearbeitung ist jeder Prozess, bei dem ein Stück Rohmaterial durch einen kontrollierten Materialabtragsprozess in eine gewünschte endgültige Form und Größe geschnitten wird – auch bekannt als subtraktive Fertigung. Es kann verwendet werden, um verschiedene Metallprodukte sowie Materialien wie Holz, Kunststoff, Keramik und Verbundwerkstoffe herzustellen. In der modernen Produktion wird die Bearbeitung durch computergesteuerte numerische Steuerung (CNC) durchgeführt.

CNC ist die computergesteuerte Kontrolle von Bearbeitungsmaschinen, um ein Teil gemäß einem 3D-Design herzustellen. Bearbeitungsmaschinen umfassen Drehmaschinen, Fräsmaschinen, Router, Bohrer und Schleifmaschinen. Das Rohmaterial für CNC-Maschinen sind Metallhalbzeuge wie Stahlplatten und -stäbe.

Ein 3D-Design wird in ein Computerprogramm umgewandelt, das dann vom Steuersystem verwendet wird, um die Maschinen zu steuern. Das ausgewählte Rohmaterial muss größer sein als der herzustellende Prototyp, da der Prototyp durch das Entfernen von Metall durch Bearbeitung hergestellt wird. Fortgeschrittene CNC-Maschinen steuern Operationen auf allen 3 Achsen (x, y und z) und können das Teil wenden und Bearbeitungswerkzeuge automatisch wechseln, was zu einer hochwertigen Oberfläche und Genauigkeit führt.

Der Vorteil von CNC-Maschinen gegenüber anderen Fertigungstechniken ist die automatisierte Aktion basierend auf einem 3D-Design. Menschliche Intervention ist begrenzt und der hergestellte Prototyp entspricht dem Design mit hohem Genauigkeitsgrad. Komplexere Prototypen können mit CNC-Maschinen hergestellt werden als durch manuelle Operationen. Ein Nachteil der Bearbeitung von Teilen ist, dass das Teil durch Entfernen von Metall aus dem Rohmaterial hergestellt wird, was zu Abfall führt. Obwohl das Abfallmaterial recycelt werden kann, gibt es Kostenimplikationen und Verluste, die auftreten werden.

Fallstudien zum Rapid Prototyping

Automobilindustrie

Forschungen zeigen, dass Entwicklungen im 3D-Druck die Fähigkeit von Ingenieuren, ihre Ideen zu testen und Produkte schnell auf den Markt zu bringen, dramatisch beeinflussen. Ein Automobilartikel hebt hervor, dass das Testen der Aerodynamik bestimmter Automobilteile entscheidend ist, um ihre Auswirkung auf die Leistung des Autos zu messen. Wenn Testergebnisse vorliegen, können kleinere Anpassungen am Design vorgenommen werden, und ein neuer Prototyp wird sehr schnell neu gedruckt. Für aerodynamische Tests ist es nicht essenziell, dass das Teil aus dem Endmaterial besteht, da die Form getestet wird, nicht die Festigkeit. 3D-Druck hilft Automobilingenieuren, ihre Entwicklung zu beschleunigen und ihre Effizienz zu verbessern.

Verschiedene Anwendungen eignen sich für unterschiedliche Fertigungsmethoden. In einem Beispiel entdeckte ein Designer dies, als er eine 2-teilige Ringbaugruppe mit Platz für eine microSD-Karte im Innenraum herstellte. Die ersten Prototypen wurden durch Direct Metal Laser Sintering (DMLS) hergestellt, aber geringere Oberflächenqualität und schlechte Montage führten zu einer Untersuchung der Verwendung einer CNC-Maschine mit Erodierbearbeitung. Die verbesserte Leistung des Prototyps hob die Vorteile von CNC in dieser spezifischen Anwendung hervor.

High-Tech-Industrie

Die Reduzierung von Entwicklungskosten ist ein wirtschaftlicher Imperativ für viele High-Tech-Unternehmen, wenn sie ihre neuen Kreationen auf den Markt bringen. Als Icon Aircraft das Projekt für ihr A5-Sportflugzeug startete, investierten sie erhebliche Zeit und Energie in die Suche nach dem kosteneffektivsten und effizientesten Weg, ihre Komponenten für Prototyping und Massenproduktion zu bauen. Eine Fallstudie zeigt, dass Icon Aircraft 2 bis 3 Wochen im Produktionsplan, 2000 $ und zwei Personentage pro Luftkanalteil einsparte, indem der Bedarf an spezialisiertem Werkzeug reduziert wurde.

Luftfahrtindustrie

Der Preis der American Foundry Society für den Guss des Jahres 2017 wurde an ein Unternehmen verliehen, das einen neuen Guss für einen Flugzeugsitzrahmen entwickelte. Historisch wurde dieses strukturelle Bauteil aus einem einzigen Block hergestellt, aber ein Prozess detaillierter Design- und Ingenieursarbeit führte zu einer Gitterstruktur aus Magnesium – einem Material, das leichter als Aluminium ist, aber nicht 3D-gedruckt werden kann. Der Gussprototyp ergab ein Produkt, das die erforderliche Festigkeit hat, aber viel leichter als bestehende bearbeitete Teile ist. Einsparungen von 100.000 $/Jahr pro Passagierflugzeug wurden basierend auf der Reduzierung der Kraftstoffkosten durch die leichteren Sitze sowie verbundener Emissionsreduktionen berechnet.

Rapid Prototyping und der Weg nach vorn

Eine wachsende Anzahl von Methoden für die Rapid-Prototyp-Fertigung steht Innovatoren und Ingenieuren zur Verfügung. Jede Methode hat ihre eigenen Vor- und Nachteile. Gussprozesse eignen sich für Anwendungen, bei denen der Prototyp aus demselben Material wie das Endprodukt hergestellt werden muss, besonders für hochschmelzende Metalle. 3D-Druck eignet sich für kleinere Komponenten aus spezifisch druckbaren Materialien – diese Technologie entwickelt und verbessert sich kontinuierlich. Bearbeitung kann verwendet werden, um Metall von einem Halbzeug abzutragen, wo die Komplexität nicht zu stark ist und Standardprozesse wie Fräsen und Schleifen noch verwendet werden können.

Sir James Dyson ist ein ikonischer Erfinder, Unternehmer und Ingenieur, bekannt für seine Entwicklung des zyklonischen Staubsaugersystems, das Beutelstaubsauger in der Haushaltsreinigung ablöste. In einem faszinierenden Interview mit der BBC enthüllte Dyson, dass seine Erfindung fünf Jahre zur Perfektionierung brauchte und insgesamt 5.127 verschiedene Anpassungen und Modifikationen umfasste. Er ist ein fester Gläubiger des altbekannten Mottos: „Wenn du beim ersten Mal nicht erfolgreich bist, versuch es immer wieder!“ Dysons Geschichte unterstreicht die Realität, dass Produktentwickler und Ingenieure mehrere Iterationen der Entwicklung und Verbesserung benötigen, um neue Produkte auf den Markt zu bringen. Verbesserungen beim Rapid Prototyping werden weiterhin Ineffizienzen reduzieren und Kosten senken, zum Vorteil von Innovatoren und Verbrauchern gleichermaßen.

Referenzen

• 3ders. "3D Printing Basics"
• Marlin Steel. "3D Printing versus Traditional Manufacturing"
• Mechanical Inventions. "Types of Patterns"
• Mechanical Engineering. "Molding Patterns / Sand Casting Patterns / Patterns and Molds"
• miBot. "Making Sand Molds and Patterns"
• The Library of Manufacturing. "Investment Casting"
• Foundry Management and Technology. "Making Investment Casting a Better Investment"
• Thomas Net. "More about CNC Machining"
• Rapid Sheet Metal. "Rapid Prototype Fabrication"
• Creative Mechanisms. "Everything you need to know about CNC machines"
• Wikipedia. "Machining"