Rapid Prototyping und 3D-Druck. Zwei Begriffe, die ähnlich fest miteinander verwurzelt sind wie Dampfmaschine und Lokomotive oder Abseits und Fußball. Doch weshalb eigentlich? Warum stehen Rapid-Prototyping-Verfahren so eng mit dem 3D-Druck in Verbindung? Hier erhalten Sie einen Überblick.

Was ist Rapid Prototyping?

Eine Definition: Rapid Prototyping steht für die schnelle (rapide) Herstellung von Prototypen. Sprich: die schnelle Überführung einer Produktidee in ein erstes Anschauungsmodell zur haptischen, ergonomischen oder funktionalen Prüfung. Prototypen sind ein wesentlicher Bestandteil aller Produktentwicklungszyklen und Rapid-Product-Development-Prozesse und insbesondere zur Vorbereitung von Serienprodukten unverzichtbar.

Beim Rapid Prototyping geht es darum, den Herstellungsprozess der Prototypen drastisch zu verkürzen, um das Versuchsmodell so schnell wie möglich zur Hand zu haben. Je schneller ein Prototyp vorliegt, umso schneller können etwaige Optimierungen und Anpassungen durchgeführt werden, die ggf. für die Umwandlung des Prototypen in ein Serienprodukt erforderlich sind. Der 3D-Druck bzw. die additive Fertigung bietet sich für die Herstellung solcher Prototypen an, da mit ihr on demand – also auf Knopfdruck – ein entsprechender Prototyp anhand eines digitalen Modells gefertigt werden kann.

Je nach Branche oder Anwendung bietet die additive Fertigung verschiedenste Materialien zur Herstellung der Prototypen an – sei es Metall, Kunststoff, Sand oder Wachs. Nach der Überprüfung der Testkörper können Verbesserungen direkt am digitalen Modell durchgeführt werden, anschließend wird ein neuer Prototyp 3D-gedruckt. Neben dem Rapid Prototyping gibt es auch noch das sogenannte Rapid Tooling. Dieser Begriff steht für die schnelle, additive Fertigung eines Werkzeuges, bspw. für den Spritzguss. Rapid Manufacturing bezeichnet die schnelle Herstellung einsatzfähiger Bauteile wie bspw. die von Ersatzteilen.

Welche Verfahren fallen unter Rapid Prototyping?

Im Wesentlichen fallen generative bzw. additive Fertigungsverfahren, auch 3D-Druck genannt, unter Rapid Prototyping. Gemeint sind damit alle schichtbasierten Herstellungsverfahren, bei denen diverse Materialien Schicht für Schicht dreidimensional miteinander verbunden werden, um ein Bauteil herzustellen. Selbstverständlich lassen sich Prototypen aber auch mit anderen Technologien, wie bspw. Fräsen herstellen.

Unter der Vielzahl von additiven Fertigungstechnologien gelten die Rapid-Prototyping-Verfahren in der folgenden Übersicht als die bekanntesten:

Die Binder Jetting Technologie lässt sich gut mit dem klassischen Tintenstrahldruck, der sich in vielen Haushalten und Büros finden lässt, vergleichen. Dabei wird ein Pulvermaterial wie Sand oder Kunststoff auf einer Bauplattform aufgetragen. Anschließend fährt ein industrieller Hochleistungsdruckkopf über das Baufeld und druckt einen komplementären Binder in das Pulverbett in diejenigen Stellen, an denen das Bauteil entstehen soll. Danach wird erneut eine Pulverschicht aufgetragen und verklebt. Diese Prozessfolge wiederholt sich, bis das gewünschte Bauteil vollständig gedruckt ist und von dem unverdruckten Material befreit werden kann. Das Binder Jetting gilt als eines der produktivsten und am besten skalierbaren additiven Fertigungsverfahren.

Die Stereolithografie ist eines der ältesten, patentierten additiven Fertigungsverfahren. Es basiert auf einem lichtempfindlichen und flüssigen Polymer, welches mittels präziser UV-Strahlung selektiv ausgehärtet werden kann. Anders als bei pulverbasierten Verfahren, wird ein Baufeld in ein mit flüssigem Photopolymer gefülltes Bad Schicht für Schicht abgesenkt. Bei jeder Schicht, wird das Baufeld mit einem Laser bestrahlt, welches den Kunststoff an denjenigen Stellen aushärtet, an denen das Bauteil entstehen soll. Nach Vollendung des Drucks, wird das gedruckte Bauteil aus dem Bad enthoben. Die Stereolithografie ist ein sehr präzises Verfahren, welches eine besonders hohe und glatte Oberflächengüte aufweist.

Beim Selektiven Laser Sintering (SLS für Kunststoffmaterialien) oder Selektivem Laser Schmelzen (SLM bei Metallmaterialien), wird ähnlich wie beim Binder Jetting ein Pulvermaterial wie Kunststoff oder Metall auf einem Baufeld aufgetragen. Anschließend wird das Baufeld von einem Laser angesteuert, der selektiv diejenigen Materialbereiche versintert, in denen das gewünschte Bauteil entstehen soll. Folgend wird eine neue Schicht Material aufgetragen und wieder mittels Laser versintert. Dieser Prozess wiederholt sich ebenfall so lange, bis das Bauteil vollständig gedruckt ist und entpackt werden kann. Mittels SLS/SLM lassen sich sehr feine Strukturen und Bauteile herstellen.

Das Fused Deposition Modeling (FDM) is ein 3D-Druckverfahren, das auch bei den meisten 3D-Druckern für den Heimgebrauch eingesetzt wird. Dabei werden sogenannte Filamente, also aufgewalzte Kunststoffschnüre durch eine erhitzte Düse extrudiert. Ähnlich in etwa wie eine Heißklebepistole, wird das Filament durch eine Düse gedruckt, die das Material aufschmilzt und auf einem Baufeld ablegt. Je nach CAD Modell wird das Bauteil so Schicht für Schicht „aufeinander“ gelegt. Das FDM Verfahren ist eines der kostengünstigsten 3D-Druckverfahren und erfreut sich insbesondere in der Maker-Szene hoher Beliebtheit.

Welche Vorteile bringt Rapid Prototyping mit sich?

Rapid Prototyping bietet viele Vorteile. Drei möchten wir an dieser Stelle besonders betonen und beleuchten: Geschwindigkeit, Kosten und Materialien.

Vorteil Geschwindigkeit

Geschwindigkeit

Da der Prototypenbau hauptsächlich in der Produktentwicklung angesiedelt ist, zahlt sich die durch Rapid Prototyping ermöglichte schnelle Herstellung der Prototypen positiv auf den Time-to-Market-Faktor aus. Je früher ein Design oder ein Entwurf möglichst original- und detailgetreu inspiziert, geprüft und iteriert werden kann, desto schneller lassen sich neue Produkte oder Produktvariationen zur Marktreife entwickeln und in die Serienproduktion überführen. Das wiederum eröffnet neue Umsatzmöglichkeiten und schafft Ressourcen und Kapazitäten, die in die schnellere Erzeugung weiterer Produkte einfließen.

Vorteil Kosteneffizient

Kosten

Rapid Prototyping birgt insbesondere aufgrund der entfallenden Werkzeugherstellung erhebliche Kostenvorteile. Anstatt für verschiedenene Designiterationen eigenen Werkzeuge für den Guss eines Bauteils herzustellen, die im zweifelsfall nie wieder genutzt werden weil der Designentwurf verworfen oder für untaubglich erklärt wurde, lassen sich mittels Rapid Prototyping Mock-Ups heute risikolos, schnell und präzise anfertigen. Dazu bedarf es nicht mal eines eigenen 3D-Druckers, da es mittlerweile auf Prototypenbau spezialisierte Dienstleister und Anbieter gibt.

 

Vorteil Materialvielfallt

Materialfreiheit

Das Portfolio verarbeitbarer Materialien ist, über alle 3D-Drucktechnologien verteilt, mittlerweile enorm: von Sanden, Keramiken, Metallen und diversen Kunststoffen bis hin zu organischem Gewebematerial. Entsprechend breit sind die Anwendungsgebiete der Entwicklung von Prototypen gefächert.
Beim 3D-Druck entfallen durch den schichtweisen Aufbau die geometrischen Grenzen der Konstruktion. Druckbar ist, was konstruktiv denkbar ist. So erleichtert das Rapid Prototyping mit seinen vielen Vorteilen auch das Design Thinking: Bestehende Bauteile und Produkte lassen sich neu denken – noch nie dagewesenes entsteht.

Welche 3D-Druck-Bauteile lassen sich mit Rapid Prototyping herstellen?

Ähnlich breit aufgestellt wie das Materialportfolio des 3D-Drucks sind auch die damit realisierbaren Bauteile. Von technischen Bauteilen für Industrieanwendungen über Mock-Ups für Konsumgüter oder die Film- und Entertainmentindustrie bis hin zu Architekturmodellen, Schuhsohlen für den Sport- und Freizeitbereich oder Prothesen in der Medizin. Ein Beispiel für Rapid Prototyping in der Automobilindustrie wären bspw. Motorenkomponenten wie Turbolader. Dank der additiven Fertigung können gleich mehrere Designiterationen gleichzeitig am Prüfstand getestet werden, um den Optimierungsprozess erheblich zu verkürzen und schneller ein effizientes Ergebnis zu erzielen.

Der 3D-Druck ist längst fest in den verschiedensten Branchen und Industriezweigen beheimatet und besonders für die Entwicklung und Herstellung von Prototypen nicht mehr wegzudenken.

Wie setzt voxeljet Rapid Prototyping um?

voxeljet ist seit über 20 Jahren auf gießereitechnische Anwendungen spezialisiert. Mit unserer Binder-Jetting-Technologie verarbeiten wir Sande und Kunststoffe zu Formen und Modellen für den Sandguss oder Feinguss. Gerade beim Herstellen von Prototypen für Gussteile bietet der 3D-Druck von voxeljet entscheidende Kostenvorteile durch die oben genannten Einsparungen im Werkzeugbau. Gießereien verarbeiten die 3D-gedruckten Formen und Modelle weiter, um die entsprechenden Guss-Prototypen herzustellen. Dieses Rapid-Prototyping-Verfahren lässt sich auch als „Rapid Casting“, also das schnelle Herstellen von Gussteilen bezeichnen.

Darüber hinaus bieten wir mit unserer High-Speed-Sintering-Technologie auch ein Verfahren an, mit dem funktionale Prototypen aus Kunststoffen wie PA12 oder TPU gefertigt werden können. Mit unseren hochindustriellen 3D-Druckern können Prototypen von bis zu einem Meter Bauteillänge im Kunststoff und bis zu 4 Metern im Sand hergestellt werden.

Welche Branchen profitieren von Rapid Prototyping?

Über verschiedenste Branchen hinweg bietet die schnelle Herstellung von Prototypen Vorteile. Darunter insbesondere die Automobilindustrie, die Medizin sowie die Luft- und Raumfahrt. Heute finden der 3D-Druck und die Entwicklung von Prototypen auch in der Konsumgüterbranche verbreitet Anwendungen. Für Produktdesigner, Architekten und Ingenieure hat sich Rapid Prototyping branchenübergreifend zu einem festen Werkzeug für die Visualisierung von Entwürfen und Herstellung von Test- und Prüfkörpern etabliert.

FAQ

Rapid Prototyping

Rapid Prototyping bezeichnet die schnelle Herstellung von Prototypen, Test- und Prüfkörpern oder Mock-Ups mittels additiver Fertigung bzw. 3D-Druck-Technologien. Diese Prototypen dienen der funktionalen, haptischen oder ergonomischen Prüfung während der Produktentwicklung.

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