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CNC-Fertigung von technischen Prototypen | Rapid Prototyping

by Julian Stopper

Folgt man der Meinung der Allgemeinheit, gibt es für Prototypen in der Kunststofftechnik nur ein Herstellungsverfahren: 3D-Druck!
Von selektivem Lasersintern (SLS) über Sterolithografie (STL) bis hinzu Filament 3D-Druck (FFF) gibt es die unterschiedlichsten Herstellungsverfahren zur Fertigung von Prototypen. Als Inbegriff der Rapid Prototyping-Verfahren hat sich 3D-Druck in den letzten Jahren in den Köpfen der Menschen festgesetzt.CNC PrototypenEin anderen Zugang, wenn es um Prototypen mit technischen Anforderungen geht, ist das CNC-Prototyping. In diesem Blog erfahren Sie, welche Vorteile das CNC-Verfahren bietet und wie  dank modernster Technik hochwertige, funktionsfähige Prototypen mit seriennahen Materialeigenschaften gefertigt werden können.

Inhaltsverzeichnis:

  1. Seriennahe Eigenschaften und hohe Bauteilqualität
  2. Große, flächige Bauteile für diverse industrielle Anwendungen
  3. Kostenfaktoren die den Prototypenpreis bestimmen
  4. Materialvielfalt bringt Prototypen auf ein neues Level
  5. Optisch ansprechende Teile trotz Prototypenfertigung
  6. Fazit

Seriennahe Eigenschaften und hohe Bauteilqualität

Ein technischer Prototyp dient in der Regel zur Vorbereitung einer Serienproduktion und sollte idealerweise ähnliche Eigenschaften und Anwendungsmöglichkeiten wie das zukünftige Serienbauteil aufweisen. Um aussagekräftige Funktionstests durchführen zu können, müssen alle relevanten Funktionen des Serienbauteils in den Prototypen vorhanden sein und die Materialeigenschaften der beiden Herstellungsverfahren entsprechend vergleichbar ausfallen. Nur so können aussagekräftige Rückschlüsse aus der Prototypenfertigung gezogen werden, welche sich positiv auf die gesamte Serienfertigung auswirken.

Polycarbonat Prototyp

Abbildung 1: Polieren eines aus Polycarbonat (PC-Kunststoff) gefrästen Bauteils

Durch die große Materialvielfalt an seriennahen Kunststoffmaterialien können mittels modernen 5-Achs Portalfräsen Bauteile mit den unterschiedlichsten Anforderungen gefertigt werden. Das Eigenschaftsspektrum von CNC-Kunststoffmaterialien reicht von Spezialanforderungen wie Biokompatibilität nach ISO 10993, über Brennbarkeit nach UL94 bis hin zu den herkömmlichen Eigenschaften wie Säurebeständigkeit oder thermische und mechanische Belastbarkeit.
Materialbezogene Einschränkungen gibt es, wenn die Dimensionen der Bauteile die des Rohmaterials überschreiten. In diesem Fall werden mehrere Kunststoffhalbzeuge miteinander verklebt, um danach mechanisch bearbeitet und schlussendlich zu einem funktionsfähigen Bauteil weiterverarbeitet zu werden.

Große, flächige Bauteile für diverse industrielle Anwendungen

Während die meisten 3D-Drucker mit einem begrenzten Bauraum bei großen Bauteilen schnell an ihre Grenzen geraten, liegen die Grenzen der Machbarkeit im CNC-Verfahren deutlich höher.
Die größten an der Portalfräse herstellbaren Teile erreichen 3.000 mm. Mittels Segmentbauweise und einer präzisen Verklebung von Einzelteilen ist es auch möglich komplexe Nutzfahrzeug-Karosserien problemlos mittels CNC-Prototyping zu fertigen. Gewindebohrungen sind dabei ebenso einfach zu integrieren wie Metallinserts und Anbauteile.

kunststoffteileAbbildung 2: Prototypen Funktionsmuster aus ABS Kunststoff (Serienmaterial)

Diese Kostenfaktoren bestimmen den Prototypenpreis

In puncto Kosten lässt sich keine pauschale Aussage treffen, welches Verfahren die beste Entscheidung für alle Bauteile ist – es gilt hier situativ zu entscheiden. Das Bottom-Up-Herstellungsprinzip, welches vereinfacht gesagt, schichtweise genau so viel Material aufbaut wie auch für das Bauteil benötigt wird, hat diesbezüglich sicher Vorteile gegenüber dem Top-Down-Prinzip der mechanischen Bearbeitungsverfahren. Dabei wird schichtweise Material entfernt, wobei deutlich mehr Abfall entsteht. Bei oberflächiger Betrachtung könnte man sagen, das 3D-Druck mit Sicherheit günstiger sein muss. Ganz so einfach können die Herstellungskosten jedoch nicht vergleichen werden. So ist der Grundpreis für 3D-Druck Materialien deutlich höher, als für  Kunststoffhalbzeuge, welche im CNC-Verfahren verwendet werden. Auch in Bezug auf die Herstellungsdauer muss sich das 3D-Druckverfahren dem CNC-Prototyping geschlagen geben. Kürzere Durchlaufzeiten dank modernster Fräsmaschinen reduzieren die Stückkosten zusätzlich.

Prototypenbau

Abbildung 3: Spezielle 5-Achsen Fräsmaschine für die Kunststoffbearbeitung

Um die gewünschte Teilequalität realisieren zu können, werden oft Nachbearbeitungsschritte  benötigt. In Verbindung mit höheren Teilekosten sollte vorab genau evaluiert werden, welche Anforderungen zwingend benötigt werden, und welche Eigenschaften für Prototypenteile vernachlässigt werden können. Frei nach dem Motto: so viel wie nötig, so wenig als möglich! So können Prototypen geliefert werden, welche genau den gewünschten Anforderungen entsprechen aber die Kosten dafür dennoch überschaubar bleiben.

Materialvielfalt bringt Prototypen auf ein neues Level

Die enorme Materialvielfalt, welche im CNC-Prototyping angeboten werden kann, übersteigt jene im 3D-Druck um ein Vielfaches: Von PC über ABS bis hin zu glasfaserverstärkten Kunststoffen, wie PA 15GF.  In vielen Fällen sind sogar die Serienmaterialien für die Prototypenfertigung verfügbar. Technische Prototypenteile werden von unseren Kunden vielseitig eingesetzt, wobei diese nicht nur auf Optik und Passgenauigkeit getestet werden. Dank seriennaher Eigenschaften können deren Funktionen überprüft werden, aber auch eingeschränkte Materialtests durchgeführt werden.

Optisch ansprechende Teile trotz Prototypenfertigung

Die Zeiten in denen Prototypen lediglich für einfache Tests oder Kundenpräsentationen verwendet wurden, sind längst vorbei. Prototypen und Mockups sollten mit Optik und Oberflächenqualität überzeugen. Geht es um großflächige Sichtbauteile, ist ein perfektes Finish natürlich unverzichtbar.

Funktionsprototypen

Abbildung 4: Anspruchsvolle Oberflächen trotz geringen Finishing-Aufwands (CNC-Bauteil)

Während die vollautomatisierte Fertigung an der Fräsmaschine bereits optimale Resultate mit geringen Verfeinerungsnotwendigkeiten liefert, muss bei der Prototypen-Herstellung am 3D-Drucker eine aufwendige Nachbearbeitung erfolgen, um sichtbare Baustufen, welche aufgrund des Schichtaufbaus entstehen, ausgleichen zu können. Dank verschiedenster Veredelungsmöglichkeiten, wie zum Beispiel des Lackierens, Bedruckens oder Polierens können  optisch ansprechende und für Funktionstests verwendbare Prototypen geliefert werden.

Fazit

Mittels des CNC-Prototypings kann bestmögliche Qualität angeboten werden. Das Verfahren verbindet die ressourcenschonende Fertigung von Bauteilen mit unterschiedlichster Größe mit einer hervorragenden Oberflächenqualität bei kurzen Durchlaufzeiten.
Für Spezialanforderungen kann 3D-Druck durchaus interessant sein und bei entsprechenden Anforderungen das optimale Herstellungsverfahren darstellen. Erfolgt die Fertigung des Prototypen mit einem erfahrenen Produktionspartner, kann auf umfangreiches Know-How zurückgegriffen werden und das beste Fertigungsverfahren für die Anforderungen des jeweiligen Bauteils ausgewählt werden. Stehen dem Produktionspartner wiederum entsprechende Kapazitäten bzw. ein umfangreicher Maschinenpark zur Verfügung, können selbst komplexe Prototypen zu wirtschaftlichen Konditionen gefertigt werden.

prototypen

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