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Rapid Prototyping: Definition, Verfahren & Anwendung [Guide 2019]

by Martin Hintsteiner

So schnell wie nie zuvor können Unternehmen mit dem innovativen Rapid Prototyping-Verfahren direkt aus CAD-Daten hochpräzise Prototypen herstellen. Die produzierten Prototypen sehen nicht nur wie Endprodukte aus – sie funktionieren auch so. Dabei können Design und Funktion schnell und unkompliziert optimiert werden, was für Unternehmen mit vielzähligen Vorteilen einhergeht. Neben der schnellen Produktion von Prototypen umfasst das Rapid Prototyping-Verfahren darüber hinaus 3D-Druck-Anwendung, CNC-gesteuerte Maschinen und einige weitere Fertigungsmethoden. Was genau Rapid Prototyping ist, welche Vorteile das Verfahren mit sich bringt, wie es funktioniert und in welchen Bereichen es angewandt werden kann, erfahren Sie in diesem Beitrag.

Inhaltsverzeichnis:
Was ist Rapid Prototyping? 
Was sind die Vorteile von Rapid Prototyping? 
Fertigungsverfahren des Rapid Prototypings
Rapid Prototyping: Anwendungsbereiche 
Fazit

 

Was ist Rapid Prototyping?

Anfänglich wurden mit Rapid Prototyping ausschließlich Verfahren zur schnellen Herstellung von Mustern, Modellen beziehungsweise Prototypen mithilfe generativer Verfahren umschrieben. Für die Herstellung müssen stets digitale und dreidimensionale Konstruktionsdaten vorhanden sein. Zur Umsetzung ist die Entwicklung einer Datenschnittstelle erforderlich. Über diese wird eine präzise Beschreibung der Objekt-Geometrien vorgenommen, welche von den Rapid Prototyping-Anlagen verwendet werden kann.

SLA Prototypen

Im Laufe der Zeit wurden auch die Begriffe Rapid Tooling und Rapid Manufacturing zum Oberbegriff Rapid Prototyping zusammengefasst. Rapid Tooling meint das schnelle Herstellen von Werkzeugen mithilfe desselben Verfahrens, das beim Rapid Prototyping Anwendung findet. Mit Rapid Manufacturing werden funktionierende Endprodukte erstellt. Dies ist besonders für die Herstellung kleinerer Stückzahlen oder individualisierter Produkte interessant. Weder mit Rapid Prototyping noch mit Rapid Tooling wird auf die Herstellung eines Endproduktes abgezielt. Damit unterscheidet sich das Rapid Manufacturing von den anderen beiden Anwendungen.

Was sind die Vorteile von Rapid Prototyping?

Der Einsatz von Rapid Prototyping geht für Unternehmen mit einer ganzen Reihe von Vorteilen einher. Die wichtigsten davon stellen wir Ihnen im Folgenden übersichtlich vor:

Schnellere Produktion des Prototyps

Über das Rapid Prototyping-Verfahren können Prototypen wesentlich schneller hergestellt werden als mit herkömmlichen Methoden. Je nach gewähltem Herstellungsverfahren wie auch der Komplexität und Größe des zu produzierenden Teils, variiert die Dauer der Produktion. In der Regel dauert diese jedoch nicht länger als ein paar Tage. Dank der schnellen Herstellung können Modelle und Prototypen wesentlich früher und auch häufiger verwendet werden.

Hohe Zeit- und Geldersparnis

Beim Rapid Prototyping ist keine vorherige kosten- und zeitintensive Werkzeugherstellung nötig. So können mit ein und demselben Rapid Prototyping-Gerät viele verschiedene Geometrien erstellt werden.Fehler und Ungenauigkeiten können durch das physische Modell wesentlich besser und schneller erkannt werden, was ebenfalls mit einer hohen Zeit- und Kostenersparnis einhergeht.

Höhere Motivation und besseres Feedback durch physische Modelle

Durch die schnell erstellten, realen Modelle werden die Motivation und das Engagement der Mitarbeiter deutlich gesteigert. Physische Modelle können viel genauer und detaillierter betrachtet und überprüft werden als dies am Bildschirm möglich wäre. Somit können Mitarbeiter ein klares Feedback für eine verbesserte Umsetzung geben.

Trial-and-Error-Prozess wird verbessert

Auf dem Weg zum idealen Endprodukt gibt es in aller Regel jede Menge Test- und Verbesserungsdurchgänge. Mit Rapid Prototyping und dem 3D-Druck kann dieser sogenannte Trial-and-Error-Prozess deutlich schneller und unkomplizierter ablaufen. Durch das frühzeitige Entdecken und Beheben von Fehlern im Design lassen sich im weiteren Herstellungsverlauf Kosten für die Überarbeitungen des Designs und den Wechsel der Werkzeuge stark reduzieren.

Weniger Abfall

Durch das generative Herstellungsverfahren beim Rapid Prototyping kann jede Menge Abfall reduziert werden, der bei anderen Herstellungsverfahren beim Fräsen, Drehen oder Schleifen normalerweise entstehen würde. Ressourcen werden dadurch geschont, Kosten gespart, die Umwelt entlastet.

Unkomplizierte Produktion personalisierter und individueller Produkte

Bei kleinen Stückzahlen von bis zu 100 Teilen bringt das Rapid Prototyping-Verfahrenen im Vergleich zu traditionellen Herstellungsmethoden deutliche Kosten- und Geschwindigkeitsvorteile mit sich. Dies lohnt sich insbesondere auch für Unternehmen, die individuelle oder personalisierte Produkte anbieten.

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Fertigungsverfahren des Rapid Prototyping

Mittlerweile sind weltweit bereits mehr als 30 verschiedene Rapid Prototyping-Verfahren bekannt. Die bedeutendsten und am meisten verbreiteten Varianten stellen wir Ihnen hier vor:

Stereolithografie (SLA)

Die Stereolithografie gilt als ältestes Rapid Prototyping-Verfahren. Mithilfe eines ultravioletten Lasterstrahls wird hierbei flüssiges Kunstharz ausgehärtet. Das Verfahren gilt als äußerst präzise und ermöglicht die Produktion hochwertiger Oberflächen. Gleichzeitig verfügen die mit der Stereolithografie hergestellten Teile jedoch über eine vergleichsweise geringe mechanische Belastbarkeit. Insbesondere bei der Fertigung individualisierter Teile und Produkte wird das Verfahren eingesetzt.

RP SLA

3D-Fräsen

Für das 3D-Fräsen wird eine Maschine mit mindestens fünf gesteuerten beziehungsweise steuerbaren Achsen benötigt. Der Fräskopf lässt sich im Normalfall schwenken. Das zu bearbeitende Werkstück wird auf einem angetriebenen Rundtisch positioniert, wodurch jeder Punkt des Werkstücks problemlos erreicht werden kann. In der Regel wird das 3D-Fräsen zur Herstellung großer Bauteile aus Kunststoff, Schäumen, Ureol oder PUR Platten eingesetzt und gilt als äußerst präzise und wirtschaftlich.

ABS Fräsen

3D-Pulverdruck

Beim 3D-Pulverdruck-Verfahren wird eine Vielzahl zehntelmillimeterdicker Polymergips-Schichten vollfarbig miteinander verklebt. Durch diese Vollfarbigkeit ist der 3D-Pulverdruck besonders beliebt für Ausstellungs- und Anschauungsmodelle.

3D Pulverdruck

Vakuumguss

Mithilfe einer Silikonform (Silikon Werkzeug) lassen sich beim Vakuumguss bereits vorhandene Formteile vervielfältigen. Durch eine Vakuumkammer können Lufteinschlüsse verhindert werden, woraus ein besonders präzises Ergebnis resultiert. So kommt das Verfahren insbesondere dann zum Einsatz, wenn das Ergebnis sehr genau sein soll und komplexe Geometrien eingesetzt werden.

Vakuumguss

Selektives Laserintern (SLS) und Selektives Laserschmelzen (SLM)

Bei SLS und SLM wird das pulverförmige Ausgangsmaterial geschmolzen und die gewünschte Geometrie schichtweise erzeugt. Die beiden Verfahren eignen sich hervorragend zur Herstellung von Funktionsmodellen sowie Kleinserien und ermöglichen darüber hinaus die Verarbeitung von Metallen.

Fused Layer Modeling (FLM)

Das Fused Layer Modeling-Verfahren ist auch als Extrusionsverfahren bekannt. Durch lokales Anschmelzen wird das jeweilige Objekt über eine beheizte Düse mit anschließendem Extrudieren erzeugt. Die mit dem FLM-Verfahren hergestellten Teile weisen eine hohe mechanischen und thermische Belastbarkeit auf. Ein Nachteil der Methode sind die verhältnismäßig rauen Oberflächen und der vergleichsweise geringe Detaillierungsgrad.

Layer Laminate Manufacturing (LLM)

Beim Layer Laminate Manufacturing bzw. Laminated Object Modelling-Verfahren werden Schichtkonturen aus einer Papier-, Keramik oder Kunststofffolie geschnitten. Vereinfacht gesagt werden hierbei dünne Schichten einzeln in Form geschnitten und daraufhin miteinander verklebt. Vergleicht man das LLM- bzw. LOM-Verfahren mit anderen Verarbeitungsoptionen, verfügt dieses über eine geringere Genauigkeit.

PolyJet

Beim PolyJet-Verfahren werden mit einem Druckkopf kleine photosensitive Polymertropfen auf eine Werkplattform aufgetragen, die direkt mit UV-Laser ausgehärtet werden. Schon während des Drucks können mehrere Materialien miteinander kombiniert werden. Die PolyJet-Variante eignet sich besonders gut für die Produktion realitätsgetreuer Prototypen.

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Rapid Prototyping: Anwendungsbereiche

Das Hauptanwendungsgebiet des Rapid Prototypings ist die Produktion von Prototypen mit verhältnismäßig hoher Komplexität. Mit dem Verfahren können Produkte wesentlich schneller und kostengünstiger produziert werden. Der Einsatz von CAD-Programmen geht darüber hinaus mit einem deutlich verbesserten Design einher. Unter anderem in folgenden Branchen und Bereichen wird das Rapid Prototyping-Verfahren eingesetzt:

  • Raumfahrt: Durch die Fertigung hochfester Bauteile, die extremen Belastungen standhalten, schnell verfügbar sind, eine starke Gewichtsersparnis mitbringen und darüber hinaus auch noch weniger kostenintensiv sind, profitiert die Raumfahrtindustrie besonders stark vom Einsatz des Rapid Prototyping-Verfahrens. (Gewichtseinsparung durch Bionische Strukturen)
  • Flugzeugindustrie: Aus der Flugzeugbranche ist Rapid Prototyping nicht mehr wegzudenken. Dadurch dass es mittlerweile auch zugelassene Materialien für generative Fertigungsverfahren gibt, ist es in diesem Nischen-Markt nicht mehr weg zu denken. Auch in der Luftfahrt Industrie ermöglichen bionische Strukturen eine enorme Gewichtseinsparung gegenüber herkömmlichen Technologien.
  • Architektur: Die hochpräzise und filigrane Optik macht das Rapid Prototyping-Verfahren in der Architektur-Branche so beliebt.
  • Maschinenbau: Von der Planung über den Prototypbau bis hin zur Kleinserie stellt das Rapid Prototyping im Bereich Maschinenbau eine wirtschaftliche Alternative zu herkömmlichen Fertigungsverfahren dar.
  • Automobilindustrie: Rapid Prototyping ermöglicht in der Automobilindustrie die schnelle Entwicklung komplexer und/oder individualisierter Autobauteile.
  • Gesundheitswesen: Im Gesundheitssektor wird die Rapid Prototyping-Methode vorranging zur Herstellung von Prothesen und Implantaten verwendet.

Fazit

Von der Flugzeugindustrie über die Architektur bis hin zum Gesundheitswesen: In nahezu allen Branchen ermöglicht Rapid Prototyping eine schnelle und dennoch hochwertige Herstellung von Modellen, Mustern und Prototypen. Doch auch Werkzeuge und Endprodukte werden immer häufiger über Rapid Prototyping hergestellt, von dem es inzwischen weltweit mehr als 30 verschiedene Verfahren gibt. Zu den wichtigsten Vorteilen der Methode gehören die schnelle und kostengünstige Produktion, der verbesserte Trial-and-Error-Prozess, die Reduktion des Abfallvolumens sowie die einfache Möglichkeit, personalisierte und individualisierte Produkte herzustellen. Ganz ein wichtiger Faktor ist auch die Umsetzung von komplexen 3D-Konstruktionen die sich in anderen Verfahren nicht herstellen lassen. (Hinterschnitte, Hohlkörper, Bionische Strukturen)

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Martin Hintsteiner

Geschäftsführer HINTSTEINER GROUP Experte Carbontechnik & Kunststofftechnik

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