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Erfahren Sie alles über Rapid Prototyping
Rapid Prototyping (RP) ist ein relativ neuer Begriff, der den Prozess der schnellen Prototypenerstellung mithilfe fortschrittlicher Fertigungsverfahren beschreibt. Ziel ist die visuelle und funktionale Bewertung des Designs neuer Produkte und dessen kontinuierliche Optimierung. Ingenieure und Designer entwickeln vielversprechende Ideen zu realistischen Konzeptmodellen, die Aussehen und Funktionsweise des Endprodukts simulieren. Diese durchlaufen verschiedene Validierungsphasen, bevor die Serienproduktion beginnt. Ein Prototyp ist die erste Version des Endprodukts und dient der Bewertung von Design und Testverfahren, der Analyse der Funktionsprinzipien, der Anpassung von Design, Materialien, Abmessungen, Form, Montage, Farbe, Herstellbarkeit und Festigkeit, der frühzeitigen Vermeidung potenzieller Probleme und der Verbesserung der Endproduktqualität. Dieser Artikel untersucht sieben gängige Prototyping-Methoden und vergleicht die Materialeigenschaften von Bauteilen, die mit verschiedenen Verfahren hergestellt werden. Darüber hinaus werden die wichtigsten Faktoren zusammengefasst, die bei den verschiedenen Fertigungsprozessen berücksichtigt werden müssen. Ziel ist es, Designern die Auswahl des optimalen Prototypen-Fertigungsverfahrens zu erleichtern.
Definition von Rapid Prototyping
Rapid Prototyping ist der Prozess der schnellstmöglichen Herstellung von Modellen, um das Endprodukt zu simulieren. Es gibt Dutzende von Fertigungsmethoden, mit denen Prototypen hergestellt werden können, von denen die additive Fertigung, nämlich der 3D-Druck, die beeindruckendste ist. Mit der traditionellen subtraktiven CNC-Fertigung können jedoch auch hochwertige Prototypen hergestellt werden. 3D-Druck und Rapid Prototyping passen perfekt zusammen und ermöglichen die Herstellung von Teilen mit nahezu unbegrenzten geometrischen Formen, wobei nur ein Drucker und keine anderen Werkzeuge erforderlich sind. Mit dem 3D-Druck können Teile mit mechanischen Eigenschaften hergestellt werden, die denen verschiedener Materialien sehr ähnlich sind, die mit traditionellen Herstellungsverfahren hergestellt werden.
7 Arten von Prototypenherstellungsprozessen
Prozess | Namens | BESCHREIBUNG | FERTIG | BEISPIELMATERIALIEN |
Stereolithographie | SLA | Lasergehärtete lichtempfindliche Polymere | Der typische Bereich für zusätzliche Schichten beträgt 0.002 bis 0.006 Zoll (0.051 bis 0.152 mm). | Wie Thermoplast |
Selektives Lasersintern | SLS | Lasergesintertes Pulver | Typische Additivschichten sind etwa 0.004 Zoll (0.102 mm) | Wie Nylon und TPU |
Direktes Metall-Lasersintern | Dmls | Lasergesinterte Metallpulver | Der typische Bereich für zusätzliche Schichten beträgt 0.0008 bis 0.0012 Zoll (0.020 bis 0.030 mm) | Wie Edelstahl, Titan, Chrom, Aluminium und Chrom-Nickel-Eisen-Legierungsmetallmaterialien |
Fused Deposition Modeling | FDM | Verschmolzene Extrusionen | Der typische Bereich für zusätzliche Schichten beträgt 0.005 bis 0.013 Zoll (0.127 bis 0.330 mm) | Wie ABS, PC, PC/ABS, PPSU und andere Kunststoffe |
PolyJet | PJET | UV-gehärtete lichtempfindliche Jet-Polymere | Der typische Bereich für zusätzliche Schichten beträgt 0.0006 bis 0.0012 Zoll (0.015 bis 0.030 mm) | Wie PMMA, elastisches lichtempfindliches Polymer |
CNC Dienstleister | CNC | Verwenden Sie CNC-Fräsmaschinen und Drehmaschinen, um überschüssiges Material zu entfernen | Überschüssiges Material entfernen (glatt) | Die meisten Kunststoffe und Metalle in technischer Qualität bestehen aus Hunderten von Materialien |
Vakuumgießen | VC | Verwenden Sie Silikonformen, um Kunststoffteile nachzubilden | Glatt oder mit ausgewählter Textur | Thermoplast in technischer Qualität |
Vor- und Nachteile verschiedener Herstellungsverfahren
SLA
SLA : SLA ist das älteste, beliebteste und kostengünstigste additive Fertigungsverfahren und das erste kommerziell eingesetzte 3D-Druckverfahren. Dabei wird ein computergesteuerter UV-Laser verwendet, um flüssiges, lichtempfindliches Polymerharz Schicht für Schicht auszuhärten. Dieser Vorgang wird wiederholt, um Bauteile herzustellen. Die Querschnitte der einzelnen Schichten werden aus CAD-Konstruktionsdateien (im STL-Format) abgeleitet. CAD-Dateien im STL-Format sind mittlerweile das Standardformat für die meisten 3D-Drucker.
Vorteile: Im Vergleich zu anderen additiven Fertigungsverfahren ermöglicht SLA die Herstellung hochwertiger Prototypen und Bauteile mit komplexen Geometrien. SLA ist schnell und kostengünstig, und die gefertigten Bauteile zeichnen sich durch eine exzellente Oberflächengüte und optimale Detailgenauigkeit bei Einhaltung strenger Toleranzen aus. Es stehen zahlreiche Materialbibliotheken mit wählbaren optischen, mechanischen und thermischen Eigenschaften zur Verfügung, um Standard-, technische und industrielle Thermoplaste abzubilden. SLA-Prototypen werden typischerweise für die Herstellung von medizinischen Prototypen sowie für Vakuumguss-Urmodelle verwendet.
Nachteile: SLA-gefertigte Prototypen weisen oft eine unzureichende Festigkeit auf und eignen sich nicht für Tests unter extremen Bedingungen. Zudem nimmt die UV-Strahlung in feuchter Umgebung mit der Zeit ab.
SLS
SLS: SLS ist eine 3D-Drucktechnologie zur Herstellung von Prototypen aus Metall und Kunststoff. Dabei werden Prototypen Schicht für Schicht mithilfe computergesteuerter Hochleistungslaser erhitzt und gesintert. Verwendet werden pulverförmige Werkstoffe wie Nylon oder elastisches TPU, ähnlich technischen Kunststoffen. Die SLS-Technologie entstand in den 1980er-Jahren und wurde von Carl Deckard patentiert. Wie viele andere 3D-Druckverfahren ermöglicht sie die Herstellung von Bauteilen mit komplexen geometrischen Formen, einschließlich interner Strukturen, Hinterschneidungen, dünner Wände usw., beispielsweise Bauteile mit internen Gitterstrukturen, die mit CNC-Bearbeitung nur schwer realisierbar sind.
Vorteile: Im Vergleich zu SLA sind SLS-Teile genauer und haltbarer und eignen sich für bestimmte Funktionstests.
Nachteile: Die Oberfläche von SLS-Bauteilen weist eine körnige oder sandige Textur auf, ist detailarm und sehr rau. Für ein ästhetisch ansprechendes Ergebnis ist eine Nachbearbeitung erforderlich, und die Materialauswahl ist begrenzt.
Dmls
DMLS: DMLS ist eine 3D-Drucktechnologie zur Herstellung von Metallprototypen und Endprodukten. Dabei wird Pulver Schicht für Schicht verschweißt, bis das Bauteil fertiggestellt ist. DMLS-Bauteile können aus den meisten Legierungen gefertigt werden. Selbstverständlich können für die Herstellung hochfester und funktionsfähiger Prototypen dieselben Materialien wie für die Endprodukte verwendet werden.
Vorteile: DMLS ermöglicht die Herstellung von Metallprototypen (typischerweise 97 % Dichte) für Funktionstests und die Fertigung von internen Strukturen oder Kanälen, die mit herkömmlichen Verfahren nicht realisierbar sind. Die mechanischen Eigenschaften von DMLS-Bauteilen entsprechen im Wesentlichen denen konventionell gefertigter Bauteile.
Nachteile: Die Oberfläche von DMLS-Teilen ist rau und erfordert eine aufwendige Nachbearbeitung. Bei der Herstellung mehrerer Metallteile mittels DMLS können die Kosten hoch sein.
FDM
FDM: Beim Schmelzauftragsformverfahren (FDM) werden thermoplastische Materialien (wie ABS, Polycarbonat oder eine Mischung aus ABS und Polycarbonat) in einer vom Drucker erhitzten Düse geschmolzen. Anschließend bewegt sich die Düse entlang eines festgelegten Pfades und trägt das verflüssigte Harzmaterial Schicht für Schicht auf, wodurch ein Prototyp von unten nach oben entsteht.
Vorteile: Das FDM-Verfahren ermöglicht die Verwendung von echten thermoplastischen Materialien und produziert kostengünstige und robuste Bauteile, die sich für Funktionstests eignen. Selbstverständlich lassen sich mit diesem Verfahren auch Teile mit komplexen Strukturen herstellen. Die FDM-Technologie ist benutzerfreundlich, verarbeitet verschiedene Kunststoffarten und -farben für die Fertigung eines einzelnen Bauteils und ist sicher, sauber und weitgehend umweltfreundlich.
Nachteile: FDM-Bauteile weisen häufig Löcher, ungleichmäßige Festigkeit, eine schlechte Oberflächengüte und deutliche Wellenlinien auf. Im Vergleich zu SLA oder SLS ist FDM weniger effizient.
SLM
SLM: SLM ist eine Technologie, die Hochleistungslaser zum Schmelzen und Verschmelzen von Metallpulvern nutzt, um Prototypen oder Bauteile herzustellen. Gängige Metallpulver sind Titan, Edelstahl, Aluminium und Kobalt-Chrom-Legierungen. Aus ihnen lassen sich hochpräzise Metallteile mit hoher Festigkeit, Langlebigkeit und Komplexität fertigen.
Vorteile: Präzisionsteile, die mittels SLM hergestellt werden, finden breite Anwendung in Branchen wie der Luft- und Raumfahrt, der Automobilindustrie, der nationalen Verteidigung und der Medizintechnik.
Nachteile : SLM-gefertigte Teile oder Prototypen können teuer sein und müssen von einem erfahrenen Maschinenbediener überwacht werden.
POLYJET
POLYJET: Beim PolyJet-Verfahren wird ein lichtempfindliches Polymerharz mithilfe eines Druckkopfes Schicht für Schicht aufgesprüht. UV-härtende Materialien dienen der Herstellung von Prototypen oder Bauteilen. Die so aufgebrachte Harzschicht kann sehr dünn sein und ermöglicht die Fertigung von Bauteilen mit glatten Oberflächen. Da verschiedene Materialien verarbeitet werden können, lassen sich auch Prototypen aus mehreren Materialien herstellen.
Vorteile: Polyjet ist kostengünstig und kann zur Herstellung flexibler Teile mit komplexen Strukturen sowie zur Herstellung von Prototypen umhüllter Formteile aus flexiblen und starren Materialien verwendet werden.
Nachteile: Polyjet-Teile sind für Funktionstests nicht robust genug und können sich nach längerer Lichteinwirkung gelb verfärben.
CNC-Bearbeitung: Die Fräser rotieren entlang einer vorgegebenen Bahn, um massive Blöcke (oder Stäbe) aus Kunststoff oder Metall zu bearbeiten und überschüssiges Material abzutragen. So entstehen Bauteile oder Prototypen – ein materialreduzierendes Verfahren. Im Vergleich zu additiven Fertigungsverfahren zeichnen sich CNC-bearbeitete Teile durch hervorragende Festigkeit und Oberflächengüte sowie eine hohe Oberflächengüte aus. Die Materialauswahl ist mit Tausenden von Varianten sehr groß, wodurch CNC-Teile mit vielfältigen Funktionen wie Zugfestigkeit, Schlagfestigkeit, Wärmebeständigkeit, Chemikalienbeständigkeit und Biokompatibilität gefertigt werden können. Dank enger Toleranzen eignen sie sich für Montage und Funktionsprüfung.
Vorteile: CNC-gefertigte Teile weisen eine gute Oberflächengüte und enge Toleranzen auf, und es steht eine Vielzahl technischer Thermoplaste und Metalle zur Auswahl. Im Vergleich zum 3D-Druck können Prototypen je nach Komplexität des Teils innerhalb von 24 Stunden geliefert werden.
Nachteile: Bei komplexen Bauteilen stößt die CNC-Bearbeitung an ihre Grenzen. Beispielsweise ist die Bearbeitung dünnwandiger Hohlkörper sehr schwierig, und es ist mitunter notwendig, das Werkstück zu wenden und mit speziellen Vorrichtungen zu fixieren. Daher sind die Kosten für die CNC-Bearbeitung von Bauteilen mit komplexen Geometrien relativ hoch.
Vakuumgießen: Genau genommen ist Vakuumgießen ein Verfahren zur Herstellung kleiner Teileserien. Dabei wird das Polyurethanmaterial unter Vakuum entgast, gemischt, vorgewärmt und geformt. Anschließend erfolgt ein zwei- bis dreistündiger Nachhärtungsprozess in einer Temperierkammer bei 60 °C bis 80 °C.
Vorteile: Die im Vakuumgussverfahren hergestellten Repliken erreichen die Festigkeit und Härte von Rohmaterialien wie ABS und können zudem kundenspezifisch eingefärbt werden. Mit dem Vakuumgussverfahren lassen sich Kleinserien von Kunststoffteilen mit komplexen Strukturen und gleichmäßiger Wandstärke fertigen, die bestimmte Funktions- und Optikanforderungen erfüllen.
Nachteile: Aus jeder Form können bis zu 25 Kopien hergestellt werden (abhängig von der Komplexität der Form und des Gussmaterials); Wenn die Teile eine hohe Qualität erfordern (z. B. transparente oder komplexe Strukturen), können aus einer Form nur 12 oder sogar 10 Repliken hergestellt werden.
Was kostet Rapid Prototyping?
Diese Frage ist schwer zu beantworten. Rapid Prototyping hängt von einer Vielzahl unterschiedlicher Faktoren ab, mit erheblichen Kostenunterschieden. Wenn beispielsweise Informationen wie Verarbeitungstechnologie, Größe, Menge, Oberflächenbeschaffenheit, Menge, Material und Oberflächenbehandlung unsicher sind, ist es schwierig abzuschätzen, wie viel die Herstellung eines Prototyps kosten wird, was von mehreren zehn Dollar bis zu reichen kann Tausende von Dollar. Wenn Sie das Design eines Prototypenprojekts abgeschlossen haben, können Sie sich gerne an DDPROTOTYPE wenden, einen führenden Rapid-Prototyping-Hersteller in China, um Ihnen ein kostenloses Angebot zu unterbreiten und kostenlos konstruktive Vorschläge und praktikable Lösungen für Ihr Design zu unterbreiten.
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