Was ist Rapid Prototyping? - Arten und Funktionsweise

Was ist Rapid Prototyping?

Rapid Prototyping ist die schnelle Herstellung eines physischen Teils, Modells oder einer Baugruppe mithilfe von computergestütztem 3D-Design (CAD). Die Erstellung des Teils, Modells oder der Baugruppe erfolgt in der Regel mithilfe der additiven Fertigung, besser bekannt als 3D-Druck.

Rapid Prototyping ist der Prozess, etwas zu schaffen, das zur schnellen Bewertung eines Produkts verwendet werden kann. Innerhalb des Engineerings ist ein Prototyp eine frühe Version eines Produkts. Rapid Prototyping ermöglicht es Unternehmen, die Technologie zu testen und zu analysieren.

Wenn das Design eng mit dem vorgeschlagenen Endprodukt übereinstimmt, spricht man von einem High-Fidelity-Prototyp, im Gegensatz zu einem Low-Fidelity-Prototypen, bei dem ein deutlicher Unterschied zwischen dem Prototyp und dem Endprodukt besteht.

Mit anderen Worten, Rapid Prototyping ist eine Testmethode. Sie können die Zukunft eines Produkts und seinen Erfolg bei Kunden analysieren. Als Ergebnis wird Ihnen die Analyse sagen, ob es gut funktionieren wird. Unternehmen nutzen diesen Prozess in jeder Phase der Produktentwicklung.

Effizienz macht den Prozess billiger und schneller. Dies ermöglicht mehr Spielraum für Flexibilität und Fehler beim Erstellen eines Produkts. Auf lange Sicht ist dies vorteilhafter als andere Methoden.

MEHR: Was ist 3D-Druck?

Beim Rapid Prototyping gibt es drei Hauptschritte. Die erste besteht darin, den Prototyp zu erstellen. Dazu entwickeln sie eine Lösung, die das Unternehmen testen kann.

Der nächste Schritt ist die Überprüfung. Viele Unternehmen tun dies, indem sie den Prototyp mit ihren Benutzern und Stakeholdern teilen. Auf diese Weise können sie Feedback erhalten, damit sie das Produkt reparieren und für ihre Kunden verbessern können.

Der letzte Schritt ist die Veredelung. Basierend auf dem Feedback, das das Unternehmen erhält, kann es das Produkt entweder reparieren oder ändern. Dies wird ihnen auch helfen, zukünftige Designs zu verbessern.

Wie funktioniert Rapid Prototyping?

Rapid Prototyping, auch bekannt als 3D-Druck, ist eine additive Fertigungstechnologie. Der Prozess beginnt mit der Übernahme eines virtuellen Entwurfs aus einer Modellierungs- oder CAD-Software (Computer Aided Design). Die 3D-Druckmaschine liest die Daten aus der CAD-Zeichnung und legt aufeinanderfolgende Schichten aus flüssigem, pulverförmigem oder flächigem Material ab, um das physische Modell aus einer Reihe von Querschnitten aufzubauen.

Diese Schichten, die dem virtuellen Querschnitt aus dem CAD-Modell entsprechen, werden automatisch zusammengefügt, um die endgültige Form zu erzeugen.

Rapid Prototyping verwendet eine Standard-Datenschnittstelle, die als STL-Dateiformat implementiert ist, um von der CAD-Software auf die 3D-Prototyping-Maschine zu übersetzen. Die STL-Datei nähert sich der Form eines Teils oder einer Baugruppe mit dreieckigen Facetten an.

Typischerweise können Rapid-Prototyping-Systeme 3D-Modelle innerhalb weniger Stunden erstellen. Dies kann jedoch je nach verwendetem Maschinentyp und Größe und Anzahl der produzierten Modelle stark variieren.

Während die additive Fertigung der gebräuchlichste Rapid-Prototyping-Prozess ist, können andere konventionellere Methoden zur Erstellung von Prototypen verwendet werden.

MEHR: Was ist additive Fertigung?

Zu diesen Prozessen gehören:

• Subtraktiv – Wo durch einen Materialblock geschnitzt wird, um die gewünschte Form durch Fräsen, Schleifen oder Drehen zu erzeugen.
• Komprimieren – Durch ein halbfestes oder flüssiges Material vor dem Erstarren in die gewünschte Form gepresst werden, beispielsweise durch Gießen, Sintern oder Pressen.

Verschiedene Arten von Rapid Prototyping

Arten von Rapid-Prototyping-Techniken:

• Stereolithographie (SLA)
• Selektives Lasersintern (SLS)
• Direktes Metall-Lasersintern (DMLS)
• Fused Deposition Modeling (FDM)
• Bindemitteldüsen
• Poly-Jetting

Es gibt Dutzende von Möglichkeiten, Prototypen herzustellen. Da sich Prototyping-Prozesse ständig weiterentwickeln, versuchen Produktdesigner ständig herauszufinden, welche Methode oder Technologie für ihre einzigartige Anwendung am besten geeignet ist.

1. Stereolithographie (SLA) oder Wannen-Photopolymerisation

Diese schnelle und kostengünstige Technik war die erste erfolgreiche Methode des kommerziellen 3D-Drucks. Es wird ein Bad aus lichtempfindlicher Flüssigkeit verwendet, die Schicht für Schicht mit computergesteuertem ultraviolettem (UV) Licht verfestigt wird.

SLA ist ein industrieller 3D-Druck oder additive Fertigung, ein Verfahren, bei dem Teile mithilfe eines computergesteuerten Lasers in einem Pool aus UV-härtbarem Photopolymerharz gebaut werden. Der Laser wird verwendet, um einen Querschnitt des Teiledesigns auf der Oberfläche des flüssigen Harzes nachzuzeichnen und auszuhärten.

Die verfestigte Schicht wird dann knapp unter die Oberfläche des flüssigen Harzes abgesenkt und der Vorgang wiederholt. Jede neu ausgehärtete Schicht haftet an der darunter liegenden Schicht. Dieser Vorgang wird fortgesetzt, bis das Teil fertiggestellt ist.

Vorteile: Für Konzeptmodelle, kosmetische Prototypen und komplexe Designs kann SLA im Vergleich zu anderen additiven Verfahren Teile mit komplizierten Geometrien und hervorragenden Oberflächengüten herstellen. Die Kosten sind wettbewerbsfähig und die Technologie ist aus mehreren Quellen erhältlich.

Nachteile: Prototypenteile sind möglicherweise nicht so stark wie solche aus technischen Harzen, sodass die mit SLA hergestellten Teile nur begrenzt für Funktionstests geeignet sind. Während Teile einem UV-Zyklus unterzogen werden, um die äußere Oberfläche des Teils zu verfestigen, sollte integriertes SLA außerdem mit minimaler UV- und Feuchtigkeitseinwirkung verwendet werden, damit sie sich nicht zersetzen.

2. Selektives Lasersintern (SLS)

SLS wird sowohl für Metall- als auch für Kunststoff-Prototypen verwendet und verwendet ein Pulverbett, um einen Prototyp Schicht für Schicht mit einem Laser zu erstellen, um das pulverförmige Material zu erhitzen und zu sintern. Die Festigkeit der Teile ist jedoch nicht so gut wie bei SLA, während die Oberfläche des Endprodukts normalerweise rau ist und Nacharbeit erforderlich sein kann, um es fertigzustellen.

Während des SLS-Prozesses zieht ein computergesteuerter CO2-Laser von unten nach oben auf eine Brutstätte von Pulver auf Nylonbasis, wo er das Pulver leicht zu einem Feststoff sintert (schmilzt). Nach jeder Schicht legt eine Walze eine frische Pulverschicht auf das Bett und der Vorgang wiederholt sich.

SLS verwendet entweder starres Nylon oder elastomere TPU-Pulver, ähnlich wie tatsächliche technische Thermoplaste, sodass die Teile eine größere Zähigkeit aufweisen und präzise sind, aber eine raue Oberfläche und keine feinen Details haben. SLS bietet ein großes Bauvolumen, kann Teile mit hochkomplexen Geometrien herstellen und langlebige Prototypen erstellen.

Vorteile: SLS-Teile sind in der Regel genauer und langlebiger als SLA-Teile. Das Verfahren kann haltbare Teile mit komplexen Geometrien herstellen und eignet sich für einige Funktionstests.

Nachteile: Die Teile haben eine körnige oder sandige Textur und der Prozess hat eine begrenzte Harzauswahl.

3. Direktes Metall-Lasersintern (DMLS)

DMLS ist eine additive Fertigungstechnologie, die Metallprototypen und funktionale Teile für den Endverbrauch herstellt. DMLS verwendet ein Lasersystem, das auf eine Oberfläche aus zerstäubtem Metallpulver zeichnet. Wo es zieht, schweißt es das Pulver zu einem Feststoff.

Nach jeder Schicht fügt eine Klinge eine frische Pulverschicht hinzu und wiederholt den Vorgang. DMLS kann die meisten Legierungen verwenden, sodass Prototypen vollwertige, funktionale Hardware sind, die aus demselben Material wie Produktionskomponenten hergestellt werden.

Es hat auch das Potenzial, wenn es unter Berücksichtigung der Herstellbarkeit entwickelt wurde, bei Bedarf in den Metallspritzguss überzugehen, wenn die Produktion erhöht wird

Vorteile: DMLS produziert starke (normalerweise 97 Prozent dichte) Prototypen aus einer Vielzahl von Metallen, die für Funktionstests verwendet werden können. Da die Komponenten Schicht für Schicht aufgebaut werden, ist es möglich, interne Merkmale und Durchgänge zu entwerfen, die nicht gegossen oder anderweitig bearbeitet werden könnten. Die mechanischen Eigenschaften der Teile sind denen konventionell geformter Teile gleich.

Nachteile: Wenn mehr als ein paar DMLS-Teile hergestellt werden, können die Kosten steigen. Aufgrund des pulverförmigen Ursprungs des direkten Metallverfahrens ist die Oberflächenbeschaffenheit dieser Teile leicht rau. Der Prozess selbst ist relativ langsam und erfordert normalerweise auch eine teure Nachbearbeitung.

4. Fused Deposition Modeling (FDM) oder Material Jetting

Dieses kostengünstige, einfach anzuwendende Verfahren findet sich in den meisten nicht-industriellen Desktop-3D-Druckern. Es wird eine Spule aus thermoplastischem Filament verwendet, das in einem Druckdüsengehäuse geschmolzen wird, bevor der resultierende flüssige Kunststoff gemäß einem Computerauftragsprogramm Schicht für Schicht aufgetragen wird.

Während die frühen Ergebnisse im Allgemeinen eine schlechte Auflösung hatten und schlecht waren, verbessert sich dieser Prozess schnell und ist schnell und kostengünstig, wodurch er ideal für die Produktentwicklung ist.

FDM verwendet ein Extrusionsverfahren, bei dem thermoplastisches Harz (ABS, Polycarbonat oder ABS/Polycarbonat-Mischung) in Schichten geschmolzen und wieder verfestigt wird, um einen fertigen Prototyp zu bilden. Da es echte thermoplastische Harze verwendet, ist es stärker als Binder Jetting und kann für Funktionstests von begrenztem Nutzen sein.

Vorteile: FDM-Teile sind preisgünstig, relativ stark und können für einige Funktionstests gut sein. Der Prozess kann Teile mit komplexen Geometrien herstellen.

Nachteile: Die Teile haben eine schlechte Oberflächenbeschaffenheit mit einem ausgeprägten Riffeleffekt. Es ist auch ein langsameres additives Verfahren als SLA oder SLS und eignet sich nur eingeschränkt für Funktionstests.

6. Spritzguss           

Beim Schnellspritzgießen werden wie beim Produktionsspritzgießen thermoplastische Harze in eine Form gespritzt. Was den Prozess „schnell“ macht, ist die Technologie, die zur Herstellung der Form verwendet wird, die oft aus Aluminium anstelle des herkömmlichen Stahls besteht, der in Produktionsformen verwendet wird.

Formteile sind stark und haben hervorragende Oberflächen. Es ist auch der branchenübliche Produktionsprozess für Kunststoffteile, daher bietet das Prototyping im selben Prozess inhärente Vorteile, wenn die Situation dies zulässt.

Nahezu jeder technische Kunststoff oder Flüssigsilikonkautschuk (LSR) kann verwendet werden, sodass der Designer nicht durch die Materialbeschränkungen des Prototyping-Prozesses eingeschränkt wird.

Vorteile: Formteile werden aus einer Reihe von Materialien in technischer Qualität hergestellt, haben eine hervorragende Oberflächenbeschaffenheit und sind ein hervorragender Indikator für die Herstellbarkeit während der Produktionsphase.

Nachteile: Beim Schnellspritzgießen fallen anfängliche Werkzeugkosten an, die bei keinem der additiven Verfahren oder bei der CNC-Bearbeitung anfallen. Daher ist es in den meisten Fällen sinnvoll, vor dem Spritzgießen ein oder zwei Runden Rapid Prototyping (subtraktiv oder additiv) auf Passform und Funktion zu prüfen.

7. Binder-Jetting

Mit dieser Technik können ein oder mehrere Teile gleichzeitig gedruckt werden, obwohl die hergestellten Teile nicht so stark sind wie die mit SLS hergestellten. Beim Binder-Jetting wird ein Pulverbett verwendet, auf das Düsen mikrofeine Flüssigkeitströpfchen sprühen, um die Pulverpartikel zusammenzubinden und eine Schicht des Teils zu bilden.

Jede Schicht kann dann mit einer Walze verdichtet werden, bevor die nächste Pulverschicht aufgetragen wird und der Prozess von vorne beginnt. Wenn das Teil fertig ist, kann es in einem Ofen ausgehärtet werden, um das Bindemittel abzubrennen und das Pulver zu einem integralen Teil zu verschmelzen.

8. Polyjet

Polyjet verwendet einen Druckkopf, um Schichten aus Photopolymerharz aufzusprühen, die nacheinander mit ultraviolettem Licht ausgehärtet werden. Die Schichten sind sehr dünn und ermöglichen eine hochwertige Auflösung. Das Material wird durch eine Gelmatrix gestützt, die nach Fertigstellung des Teils entfernt wird. Elastomerteile sind mit Polyjet möglich.

Vorteile: Dieses Verfahren ist preisgünstig, kann Prototypen von umspritzten Teilen mit flexiblen und starren Materialien erstellen, Teile in mehreren Farboptionen herstellen und komplexe Geometrien problemlos duplizieren.

Nachteile: Polyjet-Teile haben eine begrenzte Festigkeit (vergleichbar mit SLA) und sind nicht für Funktionstests geeignet. Obwohl PolyJet Teile mit komplexen Geometrien herstellen kann, gibt es keinen Einblick in die letztendliche Herstellbarkeit des Designs. Außerdem können Farben gelb werden, wenn sie mit der Zeit Licht ausgesetzt werden.

Vergleich von Prototyping-Prozessen