3D-Design Produktmodelle aus dem Drucker
Prototypen und Designstudien neuer Produkte wurden früher stets von Hand aus Materialien wie Ton oder Holz gefertigt. Doch die Anforderungen immer kürzerer Entwicklungszyklen und die Entwicklung innovativer Methoden führten zum Rapid Prototyping: Die Industrie braucht ihre Modelle heute vor allem schnell.
Grundlage für die Prototypen-Fertigung sind die dreidimensionalen CAD-Daten aus den Entwicklungsabteilungen der Firmen. Dazu werden die CAD-Daten in Querschnitte mit einer Schichtdicke von etwa 0,1 bis 0,2 Millimetern zerteilt und nach der Übertragung auf eine entsprechende Rapid-Prototyping-Maschine wieder Schicht für Schicht aufgebaut. Bereits in der Planung lassen sich so erste dreidimensionale Objekte eines neuen Produktes sehr schnell und kostengünstig erzeugen.
Rund 7000 Anlagen gibt es inzwischen weltweit, die meisten stehen in Nordamerika, Asien und Europa. "Die Aufträge kommen inzwischen aus allen Industriebranchen, 50 Prozent allein aus der Automobil- sowie Elektro- und Elektronikindustrie," so Dipl.-Ing. Andreas König von der deutschen Hördler Rapid Engineering .
Die schnellen Prototypen werden heute vor allem für einen ausgiebigen Funktionstest während der Entwicklungsphase genutzt. Doch auch in der Vorplanung dienen sie als wichtiges Anschauungsbeispiel und Entscheidungsgrundlage bei Besprechungen mit Nichttechnikern wie Kaufleuten und Marketingmanagern. Konstruktionszeichnungen oder Computersimulationen waren für Nichttechniker immer nur schwer verständlich.
"Der Konstrukteur macht auf diese Weise seine Arbeit anschaulich und bezieht bei der Entscheidungsfindung wirtschaftliche und vermarktungsrelevante Sachverhalte in die Entwicklung mit ein", beschreibt Andreas König einen der Vorteile für die Kunden. Wünschen würde er sich allerdings die Verwendung von Serienmaterial anstatt nur seriennahem Material.
Die Nase ganz vorn: Die Fraunhofer-Gesellschaft
Zur Fortentwicklung der innovativen Technologie haben sich in der Fraunhofer-Allianz "Rapid Prototyping" zwölf Institute von Bremen bis Stuttgart unterschiedlicher Kompetenz mit mehr als 50 Mitarbeitern zusammengeschlossen. Unter der Federführung von Dr. Rudolf Meyer werden die Aktivitäten gebündelt und neue Impulse gesetzt.
Zu den derzeitigen Forschungsschwerpunkten zählt die Entwicklung und Nutzbarmachung neuer Verfahren und Prozesse für das Rapid Tooling und Rapid Manufacturing. Ein Beispiel ist das am Fraunhofer ILT entstandene Selective Laser Melting (SLM). Mit SLM können metallische Bauteile aus Pulverwerkstoffen mit einer Dichte von annähernd 100 Prozent hergestellt werden.
Dazu wird das Ausgangsmaterial durch einen CO2-Laser schichtweise auf einer Teileplattform in einem Pulverbehälter regelrecht aufgeschmolzen. Nach jedem schichtweisen Schmelzvorgang senkt sich die Teileplattform um die jeweilige Schichtdicke. Danach wird eine neue Pulverschicht verteilt und der Laser verschmilzt die zuletzt aufgebrachte Schicht. Das vom Laser angepeilte Pulver absorbiert die zugeführte Energie und das Material verschmilzt an dieser Stelle mit der darunter liegenden Schicht.
Ist der Prototyp schließlich vollständig erstellt, lässt er sich als fertiges Modell aus dem Pulverbad entnehmen. "Mit dieser Technologie können künftig sowohl Werkzeuge als auch einzelne Maschinenbauteile mit komplexer Form mit Serieneigenschaften erzeugt werden", erklärt Rudolf Meyer, "noch aber sind Haltbarkeit und angestrebte Materialvielfalt begrenzt." Aktuelle Entwicklungsschwerpunkte sind daher die Verbesserung der Bauteilequalität sowie die Erweiterung der Werkstoffpalette.
Aber auch der umgekehrte Weg steht den Anwendern offen: Durch die schichtweise Versinterung von Keramikpulvern können auch Feingussformen für metallische Prototypen aus Aluminium-, Stahl- oder Titanlegierungen oder für poröse Keramikbauteile wie Filter oder individuelle Knochenimplantate entstehen. "Bei den im Pulverbad hergestellten Gussformen entfällt der bei konventioneller Technik nötige Aufwand mit dem Modelle aufwendig für ihren Einsatz durch Besanden, Trocknen, Ausbrennen und Härten aufbereitet werden", beschreibt Rudolf Meyer die Vorteile der am Fraunhofer IPT entstandenen Lösung für die Anwender.
Schnellere Computerprozessoren und größere Speicherkapazitäten ermöglichen bei der Produktentwicklung auch neuere Methoden der Virtuellen Realität, in der Datenmodelle künftig leichter dreidimensional mit hoher Realitätsnähe visualisiert und optimiert werden können. Beispielsweise mit einem Flug durch eine virtuelle Fertigungshalle und der weitgehenden Simulation von Prozessen und Funktionen, denn auch das gehört zum Rapid Prototyping.
