Mit Rapid Prototyping wird es möglich, hoch komplizierte Bauteile dreidimensional auszudrucken. Hannes Bäuerle stellt die gängigen Verfahren sowie Möglichkeiten und Grenzen ihrer Anwendung vor.
Rapid Prototyping könnte ganze Geschäftsfelder revolutionieren: Design und Konstruktion sind von den Einschränkungen klassischer Fertigungsverfahren wie Fräsen, Drehen oder Bohren befreit, damit ergibt sich eine neue Freiheit in der Formgebung.
Durch den schichtweisen Aufbau der Werkstücke können ineinandergreifende Bauteile gefertigt werden: der Ring im Ring oder funktionsfähige Scharniere. Da lediglich ein Produktionsschritt nötig ist, lassen sich im Rapid Prototyping vor allem komplexe Bauteile günstiger als mit anderen Verfahren produzieren. Die Herstellungskosten steigen nicht mit der Komplexität der Anwendungen und die Prozesskette wird von der ersten Idee bis zur Serienreife stark verkürzt – bei hoher Detailgenauigkeit und höchster Präzision. Für größere Bauteile, die den Bauraum der Maschine überschreiten, können Teile einzeln produziert und dann aneinandergefügt werden.
Die Zahl der Druckverfahren und Maschinen wächst stetig. Abhängig von den geforderten Eigenschaften des Werkstücks (Genauigkeit, Größe, Hitzebeständigkeit, Elastizität, Oberflächenbeschaffenheit etc.) muss im Vorfeld entschieden werden, welches Verfahren geeignet ist. Auf der Fachmesse Euromold wurde im November 2011 in Frankfurt eine neue Generation Drucker der englischen Firma Bits from Bytes gezeigt. Aus einer Vielzahl Materialien lassen sich farbige Kunststoffmodelle ausdrucken, darunter ABS und PLA in verschiedenen Farbtönen, opak und transluzent, sowie Polypropylen und Polyethylen. Das Einstiegsmodell kostet als Bausatz unter 1500 Euro, damit ist der 3-D-Druck auch in der Ausbildung erschwinglich. Was als Nischentechnologie für Spezialisten begann, ist auf dem besten Weg, sich zu etablieren.
Klassischer 3-D-Druck
Als Grundmaterial kommen verschiedene Pulver zum Einsatz, z. B. mineralische Stoffe wie Gips, Kunststoffe oder Edelstahl. Im ersten Schritt wird das Pulver vollflächig in sehr dünner Schicht auf einer Baufläche aufgetragen. Anschließend bedruckt ein hochauflösender Druckkopf die Fläche selektiv mit Binder. Der bedruckte Schichtquerschnitt bindet das Pulver in der Schicht und verbindet diese mit der Schicht darunter. Die Maschine wiederholt beide Schritte so lange, bis die Bauhöhe des Objekts erreicht ist. Die Maschinen arbeiten leise, geruchsfrei und vollautomatisiert. Mit 3-D-Farbdruckern können die Bauteile mehrfarbig ausgedruckt werden: Eingefärbte Binder erzeugen realistische Farben und erübrigen eine Lackierung der Modelle.
Selektives Lasersintern
Das Verfahren ähnelt dem 3-D-Druck, doch wird das pulverförmige Ausgangsmaterial nicht über flüssige Binder fixiert, sondern per Laserstrahl punktgenau angeschmolzen oder gesintert. So können viele Werkstoffe verarbeitet werden: Kunststoff, Keramik, Wachs bis hin zu Leichtmetallen, Legierungen und Verbundstoffen. Die Eigenschaften des späteren Serienteils können auf diese Weise bereits am Prototypen simuliert werden.
Stereolithografie
Auf Grundlage zuvor erstellter 3-D-CAD-Daten trifft ein Laserstrahl auf ein Bad aus flüssigem Kunstharz (Fotopolymer). Schicht für Schicht fährt der UV-Laser die Kontur des zu erstellenden Bauteils ab und das flüssige, lichtsensitive Harz härtet partiell aus. Um massive Bauteile zu erstellen, werden wie bei einer Schraffur dicht nebeneinanderliegende Striche gezogen. Stereolithografie erzielt hohe Detailgenauigkeit und Maßhaltigkeit sowie hohe Oberflächengüte.
Fuse Deposition Modelling
Das Prinzip dieser Drucktechnik kann mit dem einer computergesteuerten Heißklebepistole verglichen werden: Durch eine oder mehrere Düsen wird das heiße Baumaterial in dünnen Schichten spurweise auf die Bauplattform aufgebracht.
Layer Laminate Manufacturing
Als Ausgangsmaterial kommen Folien, Papiere oder Verbundmaterialien zum Einsatz. Zunächst wird das Material von einer Rolle in den Bauraum gezogen. Die oberste Schicht wird mit der darunter befindlichen verklebt oder verschweißt. Mit dem Laserstrahl oder Schneidplotter werden die Konturen des Bauteils in die jeweiligen Schichten geschnitten.
Hannes Bäuerle
Fachbegriffe Kleines Wörterbuch des 3-D-Drucks
Eine neue Technik bringt auch neue Begriffe mit sich. Lassen Sie sich nicht abschrecken!
- Rapid Prototyping (schneller Prototypenbau) Eines der elementaren Ziele von Rapid Prototyping ist es, schnellstmöglich ohne Umwege Prototypen oder Gegenstände herzustellen. Grundlage ist die direkte Umsetzung von digitalen Konstruktionsdaten in ein reales Modell durch verschiedene werkzeuglose Verfahren.
- Generative Fertigungs- verfahren Eine neue Bezeichnung für bisher unter »Rapid Prototyping« zusammengefasste Verfahren. Weitere Begriffe sind: Desktop Manufacturing, Automated Fabrication, Tool-less Manufacturing, Freeform Fabrication, Layered Manufacturing, Digital Fabrication (Fabbing).
- Rapid Tooling (schneller Werkzeugbau) Es stehen hier hauptsächlich der Kostenvorteil bei kleinen und mittleren Serien sowie die schnellere Verfügbarkeit von Werkzeugen im Vergleich zum konventionellen Bau von Werkzeugen im Vordergrund.
- Rapid Manufacturing (schnelle Fertigung) Sammelbegriff für neuartige Fertigungsverfahren zur Herstellung von Produkten, Bauteilen oder Kleinserien.
- E-Manufacturing E-Manufacturing bezeichnet die Fertigung von Produkten direkt aus elektronischen Daten. Hannes Bäuerle
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