Technik Was ist Rapid Prototyping und wofür wird es benötigt?

Das Rapid Prototyping ist ein schnelles und kostengünstiges Verfahren zur Vervielfältigung von Modellen. Nicht nur große Unternehmen wie Autohersteller nutzen dieses Verfahren zur Erzeugung von Prototypen. In kleinen und mittleren Unternehmen kann das Verfahren ebenfalls optimal zum Einsatz kommen. Vorteilhaft ist das vor allem, weil dadurch die Produktentwicklungszeit sowie die Kosten für die Entwicklung drastisch reduziert werden. Das Rapid Prototyping ist daher inzwischen für viele Firmen unerlässlich geworden, um konkurrenzfähig und reaktionsschnell zu bleiben.

Neben der Verringerung von Kosten und dem effektiveren sowie schnellerem Arbeitsrhythmus, erlaubt es außerdem die Produktion einer größeren Produktvariation. Mit dem 3D-Druck ist es möglich, schnell benötigte Prototypen für Meetings oder Produktvorstellungen vorzubereiten. Darüber hinaus dienen die Prototypen auch zur Gewinnung von Sponsoren, da die Modelle auf Messen oder anderen Veranstaltungen zur Veranschaulichungen dienen.

Technik: Was ist Rapid Prototyping und wofür wird es benötigt?
Die Zukunft des Druckes: 3D statt 2D. Foto: Pixabay @ DasWortgewand(CC0 Creative Commons)

Rapid Prototyping: Die Vorteile des Verfahrens im Detail

Die Erstellung der Prototypen durch das Rapid Prototyping gewinnt bei den Herstellern und Konstrukteuren immer mehr an Bedeutung. Die kostengünstige und schnelle Methode sorgt dafür, dass ein Bauteil in kürzester Zeit realisierbar wird. Dadurch ist es möglich, dass beispielsweise Autohersteller wie Mercedes die neuen Prototypen vorher ausgiebig testen können, sodass die typischen, nachträglichen Verbesserungen an einem echten Fahrzeug in vielen Fällen hinfällig werden. Mit dem Verfahren ist es ohne größeren kostenintensiven Aufwand möglich, den Prototypen einfach neu zu erstellen und wieder zu testen. Dieser Prozess verkürzt die Entwicklungszeit und minimiert die Kosten der Produkteinführung.

Auch andere Betriebszweige wie die Marketing-Abteilung haben verschiedene Vorteile durch die Prototypen. Die Abteilung kann beispielsweise früh gezielte Werbemaßnahmen aufbauen und eine Strategie zum Absatz entwickeln. Die Vorteile auf einen Blick sind:

  1. Kostspielige Fehler für die Konstruktion und den Entwicklungsprozess werden deutlich verringert.
  2. Die Zeit der Entwicklung verkürzt sich rapide.
  3. Die Produktionskosten reduzieren sich.
  4. Die Komplexität der einzelnen Produkte kann gesteigert werden.
  5. Viele Produktvarianten lassen sich durch verschiedene Prototypen erstellen.
  6. Die Lieferzeit für das fertige Produkt senkt sich deutlich.
  7. Die Kundenzufriedenheit steigt durch die schnelle Lieferung sowie die schnelle Anpassung von Produkten.

Rapid Prototyping: Der Aufbau von Formen und Bauteilen. Foto: Pixabay @ mebner1 (CC0 Creative Commons)

Welche Varianten gibt es?

Die verschiedenen Formen des Rapid Prototyping richten sich nach dem verwendeten Material. Inzwischen sind verschiedene Rohstoffe durch die Weiterentwicklung des Prozesses nutzbar. Hierzu gehören beispielsweise Keramik, Papier, Aluminium, Stahl und Kunstharz. Je nach Werkstoff sind die Maschinen auf die unterschiedlichen Anforderungen ausgerichtet. Kommt es auf eine sehr hohe Genauigkeit an, empfiehlt sich das sogenannte Inkjet- oder Polyjetverfahren. Dieses 3D Druckverfahren arbeitet mit einem Kunstharz, der sehr flexibel und formbeständig ist. Beim Auftragen ist der Harz flüssig und erhärtet sich erst unter einer UV-Lampe. Das ist vorteilhaft, weil die Unternehmen so die Möglichkeit haben, eine detaillierte und ebenmäßige Oberfläche zu erzeugen.

Eine weitere Methode, um eine hohe Genauigkeit zu gewährleisten, stellt die Stereolithografie dar. Bei diesem Verfahren legen die Maschinen dünne Schichten aus Kunstharz übereinander. Ein Laser härtet diese im Anschluss aus. Das Laserintern-Verfahren arbeitet hingegen mit einem Pulver, das die Schichten Schritt für Schritt auflegt und mit einem Laser verflüssigt. Beim Verflüssigen verbindet sich das Pulver. Diese Methode ist jedoch nur mit kunststoffähnlichen Materialien möglich. Häufig kommen Elastomere, Alumide, Polyamide oder Nylon zum Einsatz. Ebenso wie das Laserintern-Verfahren arbeitet auch der klassische 3D-Drucker . Der Unterschied ist, dass dieser keinen Kunststoff, sondern ein gipsartiges Pulver für den Aufbau verwendet. Die Nachteile des Druckers sind, dass die Genauigkeit weniger ausgeprägt und die Beschaffenheit der Oberfläche vergleichsweise rau ist. Der Vorteil sind jedoch geringere Kosten.

Vakuumguss: Das Verfahren für die Erstellung von maschinellen Bauteilen. Foto: Pixabay @ shotput (CC0 Creative Commons)

Kleinserien durch Vakuumguss         

Das perfekte Verfahren für Kleinserien stellt der Vakuumguss dar, der von auf Prototypen spezialisierten Firmen wie Visiotech angeboten wird. Für dieses Verfahren wird zunächst ein bereits vorhandener Prototyp oder ein Urmodell benötigt. Aus dem Urmodell stellt der Vakuumguss dann eine teilweise aus Silikon bestehende Form her, ähnlich wie ein Förmchen. Die entstandene Form ist anschließend nutzbar, um beispielsweise ein Produkt zu vervielfältigen. Ideal ist dieses Verfahren für die Fabrikation von Bauteilen, zum Beispiel, um einzelne Teile für Maschinen herzustellen. Die Bauteile sind sehr robust und ideal für solche Zwecke geeignet. Wer in diesem Zusammenhang die Langlebigkeit und Stabilität der Modelle erhöhen möchte, nutzt zwei weitere Prototyping-Verfahren. Das Fused Deposition Modeling ist ein sogenanntes Schmelzschichtverfahren. Dieses erstellt Prototypen aus einem schmelzfähigen Kunststoff. Im Gegensatz dazu ist das selektive Laserschmelzen sogar im Stande dazu, Stahl, Aluminium oder Titan zu bearbeiten. Beim Laserschmelz-Verfahren bauen die Maschinen den Druck ebenfalls in Schichten auf.

Produkt- und Anwendungsvielfalt

In unserer schnelllebigen Welt sind es vor allem Indikatoren wie Fortschritt und Schnelligkeit, die dafür sorgen, dass so manches Unternehmen zu den erfolgreichsten der Welt gehört. Wer mit dazu gehören will, kommt am Rapid Prototyping nicht vorbei. Nicht nur die bereits aufgezählten Vorteile

  • geringer Kostenfaktor und
  • Schnelligkeit bei der Erstellung von Prototypen

sind Argumente für das spezielle Verfahren. Auch die Vielzahl der möglichen Produkte ist überwältigend. Das Prototyping geht sehr schnell und so können Firmen unkompliziert neue Formen ausprobieren. Dadurch ergeben sich nicht nur vielfältige Produkte, sondern auch eine große Menge an Anwendungsmöglichkeiten. Das haben auch die Universitäten im Fokus, weshalb es beispielsweise an der Universität Roststock am Lehrstuhl für Fluidtechnik und Mikrofluidtechnik inzwischen Lehrveranstaltungen rund um das Rapid Prototyping gibt.

Modelltypen und Anwendungsbereiche

Wie schon kurz angesprochen, liegt das Hauptanwendungsgebiet des Rapid Prototypings in der Herstellung von Modellen und Prototypen, oft im Bereich der technischen Bauteile. Diese differenzieren sich je nach Einsatzgebiet. Es gibt beispielsweise Design-Modelle, welche als Entwurf zur optischen Beurteilung dienen. Eine andere Art stellen Ergonomie-Varianten dar. Sie unterstützen die Entwickler dabei, spezifische Eigenschaften des späteren Produktes hinsichtlich Bedienung und Anwendung zu überprüfen. Funktions-Prototypen dienen, wie der Name schon verrät, der Kontrolle von Funktionalitäten des Endproduktes. Um die optische Form in Dimension und Proportion zu prüfen, nutzen die Unternehmen sogenannte Proportions-Modelle. Hierbei handelt es sich außerdem um die Varianten, die am kostengünstigen und schnellsten gefertigt werden.

Ein letzte Variante ist das technische Modell. Es ermöglicht eine abschließende Kontrolle aller relevanten Eigenschaften. Aktuelle Anwendungsbereiche des Verfahrens sind die Automobil-, Raumfahrt- und Flugzeugindustrie, die Architektur, das Gesundheitswesen und der Maschinenbau.

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