Erläuterungen zum Rapid Prototyping (schnelle Prototypenerstellung) mit 3D-Druck

Die Erstellung von Prototypen ist ein integraler Bestandteil des Produktdesigns und der Produktentwicklung. Es ist ein iterativer Prozess, um ein optimiertes und getestetes Design zu erzielen.

Entwickler erstellen ein anfängliches Konzeptmodell eines Teiles oder Produkts zum Testen. Dann erstellen sie ein Teil mit dem vorläufigen Entwurf (den Prototyp), führen eine Reihe von Tests durch und bewerten anschließend die Vorteile und Verbesserungsmöglichkeiten des Entwurfs. Dies wird solange wiederholt, bis am Ende ein validierter Entwurf entsteht, der die Anforderungen des Kunden und der Entwickler erfüllt.

Rapid Prototyping bezeichnet die Verwendung digitaler Technologien zum schnelleren und einfacheren Entwerfen und Herstellen von Prototypen. Rapid Prototyping basiert in der Regel auf 3D-Drucktechnologien zur schnellen Herstellung von Prototypen ohne die Verwendung von Werkzeug- oder Matrizensätzen.

Neben der physischen Herstellung von Prototypen umfasst Rapid Prototyping auch technische Tätigkeiten wie die Konstruktion, Änderung und Prüfung.

Vor Rapid Prototyping. Vor der Erfindung des kommerziellen 3D-Drucks mussten Ingenieure mit einer Kombination aus schnell hergestellten Schaumstoffmodellen und detaillierten Tonmodellen arbeiten, die von spezialisierten Handwerkern hergestellt wurden. Dies brachte wesentlich längere Vorlaufzeiten für die Herstellung jedes Prototyps sowie höhere Herstellungskosten für jedes Prototypteil mit sich und führte letztlich dazu, dass in jedem Konstruktionszyklus innerhalb einer bestimmten Zeitspanne nur wenige Teile wiederholt werden konnten.

Rapid Prototyping beginnt mit der Erstellung einer computergestützten Design-Datei (CAD) für die erste Iteration des Teils. Benutzer können diese Design-Datei für das Teil dann in die 3D-Druckersoftware importieren.

Dort wird direkt der Druck gestartet. Der Prototyp wird in einem Zeitraum zwischen mehreren Stunden bis zu 1-2 Tagen für die Prüfung, Bewertung und Modifizierung für die nächste Iteration gedruckt.

Viele 3D-Drucker sind jedoch auf Teile in Prototypenqualität beschränkt. Bei der Verwendung dieser Drucker müssen die Entwürfe möglicherweise geändert werden, um die üblichen Einschränkungen in der Fertigung zu berücksichtigen.

Bei der Erstellung von Prototypen in der Additiven Fertigung im industriellen Maßstab tauschen Anwender einfach die für Prototypen benutzten Kunststoffe wie PLA gegen Materialien mit mehr Festigkeit aus.

Formale Definitionen Formal wird der 3D-Druck als ein Fertigungsverfahren definiert, das digitale CAD-Dateien Schicht für Schicht in reale Objekte verwandelt. Rapid Prototyping ist einer von vielen Anwendungsfällen des 3D-Drucks.

Derzeitige Verwendung Der Begriff Rapid Prototyping wird heute vor allem mit der alten Epoche der 3D-Drucker in Verbindung gebracht. Die ersten Drucker waren nicht in der Lage, eine ausreichende Teilefestigkeit oder -qualität für höherwertige Fertigungsanwendungen zu liefern. Somit beschränkte sich ihre Nutzung auf die Prototypenerstellung. Viele der ersten Drucker wurden als Lösungen für die schnelle Prototypenerstellung vermarktet, wodurch der 3D-Druck noch im letzten Jahrzehnt als Technologie für die schnelle Erstellung von Prototypen galt. Deshalb wurden die beiden Begriffe oft verwechselt und vermischt, sodass „Rapid Prototyping“ fälschlicherweise synonym mit „3D-Druck“ verwendet wurde.

Entstehung der Additiven Fertigung. Heute steht der häufig verwendete Begriff ‚Additive Fertigung‘ für einen Paradigmenwechsel im 3D-Druck. Der Begriff beschreibt in der Regel den Einsatz des 3D-Drucks für hochwertige industrielle Anwendungen wie z. B. hochleistungsfähige Endverbrauchsteile. Der Begriff impliziert die Abkehr vom 3D-Druck in seiner ursprünglichen Verwendung für die schnelle Prototypenerstellung.

Der Einsatz einer 3D-Druckplattform für die schnelle Prototypenerstellung bietet zahlreiche Vorteile gegenüber der Herstellung von Prototypen mit herkömmlichen Methoden:

Kürzere Vorlaufzeiten. Rapid Prototyping mit 3D-Druck verkürzt die Vorlaufzeiten von Tagen auf Stunden.

Die Erstellung von Prototypen mit herkömmlichen Herstellungsverfahren erfordert neue Werkzeuge sowie zusätzliche Prozesse wie das Erstellen von Zeichnungen, Einreichen von Bestellungen und Einhalten von Lieferzeiten. Ohne den 3D-Druck vor Ort kann die Beschaffung eines Prototyps Wochen bis Monate dauern.

Kürzere Vorlaufzeiten schonen nicht nur Ihre Nerven, sie bringen Ihnen konkrete geschäftliche Vorteile. Unternehmen beschleunigen die Innovationen und bringen Produkte schneller auf den Markt.

Kosteneffizienz. Im Vergleich zur herkömmlichen Fertigung ist der Einsatz eines 3D-Druckers für die schnelle Prototypenerstellung wesentlich kostengünstiger. Sie benötigen keine teuren Fachkräfte, haben keine Kosten für Drittanbieter oder spezielle Werkzeuge oder Stanzformen.

Einfache Verwendung. Ein weiterer Vorteil ist die Benutzerfreundlichkeit eines 3D-Druckers für die schnelle Prototypenerstellung. Das Drucken von Teilen ist ohne Fachkenntnisse möglich und kann von jedem ausgeführt werden. Es fallen nicht so viele Stunden für geschulte Facharbeiter in der Fertigung an und es müssen keine Zeichnungen erstellt, Bestellungen aufgegeben und logistische Details mit Drittanbietern koordiniert werden.

Prototypenerstellung und Produktion auf einer Plattform Durch die Verwendung eines industriellen 3D-Druckers können Entwickler Prototypen und Werkzeuge für Endteile auf der gleichen Plattform herstellen, was bei Druckern, die auf schwächere Materialien begrenzt sind, nicht möglich ist. So werden erfolgreiche Druckaufträge für Endteile sichergestellt. Anstatt mit Anpassungen die Einschränkungen der subtraktiven Fertigung auszugleichen, können Anwender direkt auf ein leistungsfähigeres Material umsteigen.

Materialien: Viele Benutzer stellen Prototypen gerne aus kostengünstigen Materialien her. So lassen sich günstige Prototypen herstellen, die keine besonderen mechanischen Eigenschaften erfordern.

Anwender, die einen fortschrittlichen 3D-Drucker nutzen, der sich für die Produktion eignet, können leistungsfähige Materialien für funktionale Prototypen für Anwendungen mit hohen Anforderungen an die Festigkeit, beispielsweise Prototypen für Snowboard-Bindungen oder für den Druck von validierten Endteilen verwenden.

Der 3D-Druck mit modernen Kunststoffen ist auch eine schnellere und kostengünstigere Methode zur Herstellung von Prototypen für Teile, die anschließend aus Metall gefertigt werden.

PLA (Polylactide) ist ein Niedertemperatur-Thermoplast und gängiges und kostengünstiges Prototypen-Material für einen einfachen und erfolgreichen 3D-Druck.

Drucker. Eine weitere wichtige Überlegung betrifft die Auswahl des 3D-Druckers, der für das Rapid Prototyping verwendet wird. Unternehmen müssen Faktoren wie Geschwindigkeit, Zuverlässigkeit, unterstützte Materialien, Baugrößen und Softwarefunktionen berücksichtigen.

Auch wenn es viele 3D-Drucker für die Herstellung von Prototypen mit geringer Qualität gibt, sollten Unternehmen Drucker in Betracht ziehen, die qualitativ hochwertige Teile für den Endverbraucher produzieren können.

Ein kostengünstiger Drucker, der nur PLA druckt, scheint eine einfach und schnelle Lösung für die Prototypenerstellung zu sein. Kompromisse bei der Zuverlässigkeit eines Druckers können jedoch die Designzyklen behindern und alle Vorteile zunichtemachen.

Centor, ein preisgekrönter Hersteller von Industrietorsystemen, konnte seine Kosten pro Prototyp von 800 Dollar (bei maschineller Bearbeitung) auf nur 10 Dollar senken. Digital Forge verkürzte die Durchlaufzeiten von etwa einer Woche auf nur 12 Stunden.

Caldwell Manufacturing, ein weltweiter Hersteller von Fenster- und Türbeschlägen mit Sitz im Bundesstaat New York, hat Teile, die früher zwischen 500 und 3.000 Dollar kosteten, für nur 30 Dollar hergestellt. Diese Teile hatten eine Vorlaufzeit von bis zu acht Wochen; mit Digital Forge stellt Caldwell sie in nur drei Tagen her.