Schnelles Prototyping mit 3D-Druck: Revolution in Gießereiprozessen

3D-Drucks Einfluss auf Sand- und Feinguss

3D-Druck ist einer von vielen Fortschritten, die schnelleres Prototyping ermöglichen.

Ein Designer, Unternehmer oder Erfinder hat eine Idee und beginnt den Prozess, sie zum Leben zu erwecken. Zunächst besteht die Idee aus Skizzen und Plänen, Forschung und Design, aber der Fokus des Designers liegt auf der Schaffung eines physischen Objekts. Es gibt keinen Ersatz dafür, einen Mock-up oder Prototyp in der Hand zu halten und eine Vision Wirklichkeit werden zu lassen. Prototyping erlaubt dem Designer, Vertrauen in seine Idee zu haben, Produktionsfehler zu beheben und Investoren oder Kunden zu überzeugen.

Bei der ersten Markteinführung eines Objekts muss der Schöpfer sein neues Produkt durch Fragen des geistigen Eigentums, finale Kostenanalysen, mechanische und ästhetische Bedenken sowie Investoren-, Kunden- oder Markterwartungen steuern. Ein guter Prototyping-Lauf schafft Raum, all diese Themen zu erforschen.

Glücklicherweise hat der Aufstieg des schnellen, computergeführten Prototypings die technischen Details dieses Prozesses vereinfacht und ermöglicht es dem Schöpfer, das bestmögliche Produkt herzustellen.

Geschichte des Prototypings

Vor dem Aufkommen computerunterstützter Technologien wurden alle Metallguss-Prototypen aus handgefertigten Modellen gebaut. Nach der initialen Designphase würde ein handwerklicher Modellbauer die Zeichnung in eine dreidimensionale Skulptur umsetzen. Für Sandgüsse bestanden diese Modelle meist aus Holz, gelegentlich aus Metall oder Keramik. Einige Modelle wurden aus Wachs für ein Feingussverfahren gefertigt. Diese lose Modelle waren die erste generelle Annäherung an das finale Objekt.

Diese Modelle wären nicht identisch mit dem Prototyp, auch wenn sie dem Endprodukt ähnlich sehen könnten. Modelle sind oft etwas größer als das finale Modell, um Schwindung beim Metallguss auszugleichen. Sie könnten auch in Sektionen getrennt sein, als bloße geometrische Konturen für Schleuderformen gefertigt sein oder seltsame Winkel haben, die die Verformung von kontrahierendem Metall kompensieren oder Entformungsschräge für die Modellentnahme aus einer Sandform bieten.

Modelle wurden einem erfahrenen Former auf dem Gießereiboden übergeben, meist zur Erstellung einer für den Prototypguss nötigen Sandform. Der Formschritt war früher eine Herausforderung, nicht so einfach wie nur ein Modell in Sand zu drücken. Ein Former musste die Trennlinien des Gussstücks schnitzen und die notwendigen Kanäle und Löcher platzieren, die es dem flüssigen Metall erlauben, die Form gleichmäßig und vollständig zu füllen und ohne Fehler abzukühlen. Diese Kanäle umfassen den Anguss (Sprue), den Eintritt, in den flüssiges Metall gegossen wird; Ingates (Gates), variabel dimensionierte Kanäle, die die Flussrate des flüssigen Materials steuern; Angusskanäle (Runners), die flüssiges Metall von einem Formbereich in einen anderen leiten; und Speiser (Risers), große Volumenpools, die länger heiß bleiben als das Gussstück und daher flüssiges Metall in das abkühlende und schwindende Gussstück einspeisen können, um Lunkerbildung zu verhindern.

Aus dieser mühsamen Arbeit sowohl des Modellbauers als auch des Formers würden Metallprototypen gegossen.

Sobald Gießereiarbeiter einen sauberen Metallguss entformt hatten, konnte der ursprüngliche Designer ihn bewerten. Ästhetik, Gewicht, Oberfläche und Passung wurden klar. War es nicht nur ein Dekorationsobjekt, sondern für mechanische Belastung konzipiert, würde der Designer das Objekt durch Belastung bis zur angegebenen Toleranz und darüber hinaus testen, um die Konstruktion zu prüfen. Gießereien würden Prototypen auch durch Zerstörung testen: der Guss würde in Stücke geschnitten, um innere Verformungen zu suchen.

Die Überführung eines Designs in die Fertigung machte auch Investition und Rendite klarer. Ein Designer oder Erfinder könnte die Prototyping-Phase nutzen, um zu budgetieren und Effizienzen für einen vollen Produktionslauf zu finden.

Nach Betrachtung des Prototyps all dieser Weisen könnten Designänderungen nötig sein. Ob die Modifikationen groß oder klein waren, sie erzeugten meist wieder Stunden Arbeit für den handwerklichen Modellbauer und danach für den Former.

Prototyping war ein langer und kostspieliger Prozess.

Digitalisierung und computergestütztes Design

Der Aufstieg des schnellen Prototypings hat es viel einfacher gemacht, ein funktionsfähiges Modell zu erstellen. Es verzögert auch den ersten Zeitpunkt, an dem ein physisches Objekt benötigt wird.

Bauplänen und technische Skizzen wurden einst von Hand erstellt. Jetzt werden sie durch CAD-Programme (Computer Aided Design) digitalisiert. Es ist sehr einfach, digitale CAD-Dateien während des Prototyping-Prozesses oft zu ändern, während historische Baupläne arbeitsintensiv zum Neuziehen waren.

CAD-Zeichnungen können in komplexe und gut vorgestellte Simulationen des Fertigungslaufs und des Endprodukts umgewandelt werden. Sie sind ein digitaler Prototyping-Schritt, der ein vollständiges Computermodell erstellt, das mehr wie ein initialer Prototyp wirkt als es mit Stift und Papier möglich war. CAD-Dateien können auch von Computerprogrammen genutzt werden, die Fertigungs- und Produktionsinformationen enthalten. Wenn ein Designer CAD-Dateien mit seinem Objekt an eine Gießerei sendet, können Metallurgen Programme mit riesigen Datenbanken zu Metalleigenschaften und Formprozessen nutzen, um den Entwurf zu bewerten und mögliche Probleme vorherzusagen. Probleme, die einst einen Prototyping-Lauf zur Entdeckung brauchten, können vor dem ersten Metallguss gefunden werden.

Diese Programme helfen auch der Gießerei, Angüsse, Ingates, Angusskanäle und Speiser an den Stellen zu platzieren, die den solidesten Guss erzeugen, bevor das Modell je den Gießereiboden erreicht.

Dennoch sind sie, egal wie komplex oder gut vorgestellt, immer noch Abstraktionen. Menschen brauchen oft einen physischen Prototyp, um ein Design wirklich zu verstehen.

Mock-ups und Vorproduktionsprototypen

Mit dem Aufkommen des 3D-Drucks können Mock-ups schnell und in jeder Größe erstellt werden, oft lange bevor ein Hersteller kontaktiert wird. Es ist jetzt üblich, dass Designer ihre ersten Prototypen im eigenen Haus bauen. Ob im Miniaturformat oder maßstabsgetreu – ein Designer kann einen Mock-up seines Projekts in der Hand halten, um zu sehen, wie alles zusammenpassen könnte.

3D-Druck ist Teil eines neuen Stils sich schnell ändernden „iterativen Designs“. 3D-Modelle können gedruckt, kritisiert, geändert und neu gedruckt werden – alles innerhalb eines Tages. Das ist schnell und billig im Vergleich zum komplexen Prozess von Modellbau und Metallguss.

In der Gießerei kann Rapid Prototyping auch helfen, Modelle für den Sandguss auf neue und neuartige Weise zu fertigen. Lasergesteuerte Bearbeitung kann ein Modell aus Metall fertigen. 3D-Druck kann direkt Modelle für Feinguss erzeugen, was für kurze oder komplexe Läufe effizient sein kann.

Produktionsprototypen

Schließlich müssen Prototypen aus dem richtigen Material in der richtigen Größe gefertigt werden, und ein kurzer Produktionslauf wird beim Hersteller bestellt. Die Ankunft digitaler Technologien bedeutet, dass Modellbauer und Former nun jeweils durch Computerprogramme durch ihre Arbeit geführt werden, was diese Prototyping-Schritte beschleunigt. Doch nicht alles hat sich geändert. Ein lose Holzmodell wird meist noch für die ersten Prototypen eines Sandguss-Produktionslaufs erstellt (oder ein Wachsmodell für Feinguss). Diese Arbeitsmodelle werden hergestellt und getestet, wie immer.

Die Gießerei führt weiterhin zerstörende Tests durch. Metallarbeiter schneiden oder bohren einige der Gussstücke, um sicherzustellen, dass sie fehlerfrei sind oder dass Fehler innerhalb vereinbarter Toleranzen liegen. Wenn die Gießerei vertraut, sendet sie Proben an den Kunden. Der Kunde bearbeitet den Guss dann wie vorgesehen und setzt ihn ein. Sieht und verhält sich der funktionale Prototyp wie beabsichtigt? Kann er die erwartete Last tragen?

Bei Neuerfindungen braucht der Innovator möglicherweise mehrere Runden funktionaler Prototypen, um am Design oder Material zu feilen. Bei Standardteilen könnte der funktionale Prototyp der Machbarkeitsnachweis sein, der Kunden oder Investoren für einen vollen Produktionslauf findet.

Die Geschwindigkeit dieser Prototyping-Läufe wird durch Technologien wie Ultraschall und Röntgen erhöht. Gießereien können jetzt auch nicht-zerstörend testen. Techniker können die Metallqualität prüfen, ohne den Guss zu schneiden. Das bedeutet, dass weniger Prototypen gefertigt werden müssen und dennoch volle Absicherung auf der Produktionslinie gewährleistet ist. Von der Gießerei nicht-zerstörend geprüfte Stücke können an den Kunden zur Inspektion, Nachbearbeitung und Belastungstest geschickt werden. Rapid Prototyping wird also auch durch neue nicht-zerstörende Prüfoptionen ermöglicht, die weniger Investition in Produktionsprototyping-Läufe erfordern.

Geheimhaltungsvereinbarungen und Patente

Es sind nicht nur technische Fragen, die durch Rapid Prototyping beeinflusst werden, sondern auch Fragen des geistigen Eigentums. Sobald das Design die Werkstatt des Designers verlässt und in die Welt der Fertigung eintritt, wird IP zum Thema.

Wenn ein Produkt die erste seiner Art ist, plant ein Erfinder generell, ein Patent anzumelden. In vielen Situationen ist es unklug, ein Patent vor Testen eines funktionalen Produktionsprototyps anzumelden. Sowohl die Arbeit, die in das Prototyping fließt, als auch das Testen des Designs danach könnten Fehler aufdecken, die die Patentanmeldung ändern könnten.

Patente werden bei Anmeldung öffentlich bekannt. Rapid Prototyping beschleunigt den Produktionszyklus für alle. Ein fehlerhaftes Patent könnte kreative Vorlage für einen Wettbewerber sein, der schnell in eigene Forschung und Entwicklung einsteigt und das Patent als Basis nutzt. Daher ist das Warten bis zum Ende des Prototypings oft sowohl kosten- als auch geistiges-eigentumsschützend. Ein Erfinder möchte meist kein Geld für einen komplizierten Patentprozess ausgeben, nur um ihn mit Konkurrenz im Nacken wiederholen zu müssen.

Dieser Prozess kann einen Erfinder verletzlich fühlen lassen, dass jemand im Prototyping-Prozess sein Design kopiert und zuerst auf den Markt bringt. Es ist daher wichtig, eine gute Beziehung zu einem seriösen Hersteller zu haben und Designs mit klaren Geheimhaltungsvereinbarungen (NDAs) zu schützen.

Rapid Prototyping für besseres Design

Die andere Seite dieser Vorsicht ist der geschäftliche Drang, ein Produkt herauszubringen, selbst wenn nur in begrenzten Testmärkten oder an Beta-Tester. LinkedIn-Gründer Reid Hoffman wird oft zitiert: „Wenn du dich nicht über die erste Version deines Produkts schämst, hast du zu spät gelauncht.“

Rapid Prototyping hilft Designern, ein besseres Produkt vor Markteintritt zu realisieren. Die Leichtigkeit dieser Phase kann jedoch ein Sirenengesang sein, der Designer zum Basteln verleitet, um Dinge perfekt zu machen, bevor sie launchen. Es ist wichtig zu bedenken, dass Entwicklung die Arbeit des Verfeinerns und Perfektionierens von Produkten nicht beenden muss. Das Leben eines Gussstücks mag mit Design und Prototyping beginnen, aber oft spawnen Generationen von Produkten, die Stil, Material, Gussverfahren, mechanische Fähigkeit, Größe oder Funktion leicht ändern.