Herstellung von Prototypen mit 3D-Druck

Ein Prototyp ist das erste Beispiel für ein herzustellendes Produkt dient als Ausgangspunkt für die Durchführung der notwendigen Modifikationen, als Modell zum Nachbauen oder als Matrize zum Herstellen einer Form.

Daher ist Prototyping ein experimenteller Prozess durch die Designteams ihre Ideen verwirklichen können. Prototyping ist ein sehr nützlicher Prozess in verschiedenen Sektoren, der Iterationen ermöglicht, bis das gewünschte Ergebnis erreicht ist.

Bild 1:3D-gedruckter Helmprototyp mit Raise Pro2 Plus. Quelle:KIDO Sports.

Es gibt mehrere Arten von Produktprototypen mit verschiedenen Funktionen

• Low-Fidelity-Prototypen: Low-Fidelity-Prototypen können in kurzer Zeit mit großer Unmittelbarkeit ausgeführt werden und dienen als Studienmodell, das die Analyse verschiedener Aspekte ermöglicht, um die erforderlichen Änderungen am Modell vorzunehmen, bevor das endgültige Produktdesign erreicht wird.
• Prototypen entwerfen :Design-Prototypen werden durchgeführt, um das Produktdesign zu validieren.
• Geometrische Prototypen :Diese Art von Prototypen wird hergestellt, um die Geometrie des Produkts zu überprüfen und gegebenenfalls zu ändern.
• Funktionale Prototypen :Diese Prototypen werden durchgeführt, um das Verhalten der verwendeten Materialien zu analysieren und die Funktionalität des Produkts zu testen.
• Technische Prototypen :In diesem Fall wird der Prototyp als globales Studienmodell verwendet, sodass alle seine Merkmale analysiert werden können.
• High-Fidelity-Prototypen: Sie bestehen aus der Herstellung eines Prototyps, der mit dem Endprodukt identisch ist. Es wird dringend empfohlen, diese Art von Prototyping durchzuführen, bevor die Massenproduktion eines Produkts durchgeführt wird.

Derzeit gibt es mehrere Verfahren zur Herstellung von Prototypen, wie z. B. CNC-Bearbeitung, Spritzguss oder 3D-Druck.

Schnelles Prototyping

3D-Druck steht in direktem Zusammenhang mit Rapid Prototyping aufgrund der Unmittelbarkeit, die diese Fertigungsmethode bietet und die verschiedenen Möglichkeiten, die es je nach verwendeter Technologie und verwendeten Materialien bietet, was es zu einer weit verbreiteten Fertigungsmethode für Low-Fidelity-Prototyping macht.

Video 1:Rapid Prototyping von DLimit. Quelle:BCN3D.

Rapid Prototyping mit 3D-Druck zielt darauf ab, Modelle herzustellen, um einen oder mehrere Aspekte des Produkts zu testen und es so bei Bedarf agil und sofort modifizieren zu können, bis das endgültige Design erreicht ist, Gewährleistung sowohl der Form als auch der Funktionalität des Produkts.

Für die Herstellung von Prototypen mittels 3D-Druck muss abgewogen werden, welche Technologie am besten geeignet ist. Jede Technologie hat Vor- und Nachteile, daher ist es notwendig, die Grundlagen, auf denen ihr Betrieb basiert, sowie ihre Grenzen zu kennen, um die am besten geeignete für jeden Bedarf zu finden.

Die am weitesten verbreiteten 3D-Drucktechnologien sind:

• Fused Material Deposition (FDM)
• Selektive Lichthärtung von Harzen (SLA)
• Selektives Lasersintern (SLS)

Eine Vergleichstabelle zwischen ihnen ist unten zu sehen:

Merkmal	FDM	SLA	SLS
Verwendetes Material	Thermoplaste	Lichthärtender Kunststoff	Thermoplaste
Materialvielfalt	Sehr hoch	Mittel	Niedrig
Unmittelbarkeit	Sehr hoch	Mittel	Niedrig
Genauigkeit	Niedrig	Mittel	Hoch
Allgemeine Toleranz	±0,5 % (Untergrenze ±0,5 mm)	±0,5 % (Untergrenze ±0,15 mm)	±0,3 % (Untergrenze ±0,3 mm)
Unterstützt	>45º	Immer	Niemals

Tabelle 1:Vergleich zwischen verschiedenen 3D-Drucktechnologien. Quelle:Filament2print.

Für einen eingehenderen Blick auf die Eigenschaften und Einschränkungen der einzelnen Technologien empfehlen wir die Lektüre des Artikels „So wählen Sie die richtige Technologie aus:FDM, SLA und SLS“.

Einige der Vorteile, die das 3D-Druck-Prototyping bietet, sind:

Geschwindigkeit :Je nach verwendeter 3D-Drucktechnologie ist die Produktionsgeschwindigkeit höher oder niedriger, aber der 3D-Druck ist im Allgemeinen eine Herstellungsmethode, die Unmittelbarkeit bietet.

Kosten- und Ressourceneinsparungen :Abhängig von der Komplexität des Teils und den verwendeten Materialien kann der Einsatz von 3D-Druck für das Prototyping von Teilen zu erheblichen Kosten- und Ressourceneinsparungen führen im Vergleich zu anderen traditionellen Herstellungsmethoden.

Nachhaltigkeit :Durch den Einsatz von 3D-Druck-Equipment in den eigenen Produktionsstätten des Unternehmens werden Prototypen lokal produziert, was den erzeugten CO2-Fußabdruck im Vergleich zur externen Fertigung reduziert. Darüber hinaus ist es oft möglich, mit biologisch abbaubaren, recycelten oder recycelbaren Materialien zu arbeiten, und durch die Natur des Herstellungsverfahrens werden Abfall und Materialverschwendung minimiert.

Vom Prototyping bis zur Fertigung

Zunächst wurde der 3D-Druck nur für das Prototyping eingesetzt. Mittlerweile wird es aber auch als zusätzliches Herstellungsverfahren eingesetzt Dies ist hauptsächlich auf zwei Faktoren zurückzuführen:

Materialentwicklung

Einer der Faktoren, die es ermöglichen, Kleinserien von Endteilen mit 3D-Druck herzustellen, ist die Entwicklung von Materialien, die Anwendungen für anspruchsvolle Umgebungen ermöglichen dank ihrer mechanischen Eigenschaften oder spezifischen Eigenschaften.

Ein Beispiel hierfür sind ESD-Materialien, die in Filament-, Pulver- und sogar Harzform erhältlich sind und die Herstellung von Produkten mit elektrostatischem Entladungsschutz ermöglichen

Fortschritte bei 3D-Drucktechnologien

Dank der Fortschritte der letzten Jahre und der Forschungs- und Entwicklungsarbeit der Gerätehersteller haben sich die Funktionen von 3D-Druckern erheblich verbessert, sodass hochkomplexe Teile in Industriequalität hergestellt werden können.

Alle 3D-Drucktechnologien haben sich erheblich weiterentwickelt. Beispiele sind die SLA-3D-Drucker von FormLabs für den medizinischen und zahnmedizinischen Bereich Form 3B+ und Form 3BL, mit denen biokompatible Materialien in 3D gedruckt werden können; oder die SLS-3D-Drucker von Sinterit, die hochkomplexe Teile ohne Stützen produzieren können , sowie Desktop-Modelle wie Lisa, Lisa Pro oder Lisa X.

Bild 3:Herstellung von Endprodukten für den Dentalbereich. Quelle:FormLabs.

Ohne Zweifel ermöglicht die 3D-Druck-Fertigung professionellen Anwendern die Herstellung von Prototypen und sogar Endteilen in Industriequalität und ist derzeit eine der am weitesten verbreiteten Fertigungsmethoden für Rapid Prototyping in einer Vielzahl von Branchen. Dank der Vielfalt an Technologien, Ausstattungen und Materialien lassen sich Lösungen für nahezu jede Anwendung finden.