Rapid Prototyping: Verfahren und Vorteile im Überblick

Was fällt Ihnen zum Begriff „Prototyp“ ein? „Erlkönig“ vielleicht, „teuer“ oder „langwierig“? Die Erstellung von Prototypen muss nicht zwangsläufig kostenintensiv und langwierig sein. Möglich wird eine zügige Herstellung von Modellen für Projekte unterschiedlichster Branchen durch Rapid Prototyping. Was genau das ist, erklärt Ihnen unser Artikel.

Rapid Prototyping: 7 Vorteile für Ihre Produktentwicklung

Rapid Prototyping, häufig gleichgesetzt mit vielen 3D-Druck-Verfahren, ist eine moderne Methode der Produktentwicklung. Sie birgt großes Potenzial für eine effizientere Fertigung von Prototypen und kann den gesamten Workflow vom Design bis zur Produktion beschleunigen und vereinfachen. Daher gilt Rapid Prototyping als zukunftsweisender Trend.

1. Erhalten Sie schnelle Prototypen im 3D-Verfahren

Die schnelle Fertigung von Modellen durch 3D-Druck macht den zeitintensiven Einsatz von CNC-Maschinen und Tools zunehmend überflüssig. Traditionell können mit der CNC-Technologie einfache Teile innerhalb einer Woche aus Metallplatten hergestellt werden. Dazu werden meist zusätzliche Maschinen, etwa Fräsen, benötigt. 3D-Drucker hingegen nutzen Volumendaten direkt und ohne den Einsatz weiterer Maschinen oder im Vorfeld angefertigter Formen.

Gleichzeitig sind Sie flexibler hinsichtlich der Materialien und geometrischer Ausformungen Ihres Vorhabens. Beispielsweise kann ein speziell konfigurierter Lagerträger aus Nylon per 3D-Druck innerhalb weniger Stunden hergestellt und ausgeliefert werden, während ein Metallmodell aufwändiger in der Fertigung und dadurch langsamer in der Auslieferung ist.

Rapid Prototyping bietet also eine Zeitersparnis, die die gesetzte Produktions-Timeline von Tagen oder Wochen auf einige Stunden straffen kann.

2. Setzen Sie auf eine kostengünstige Herstellung der Modelle

Der 3D-Druck kann einen Kostenvorteil gegenüber herkömmlichen Herstellungsverfahren, wie CNC, bieten. Der Einsatz dieser klassischen Verfahren ist meist mit Zusatzkosten durch Materialbeschaffung, Programmiertools und deren Konfiguration, den Betrieb und die Überwachung der Maschine gekoppelt. Hinzu kommen oft noch Kosten für die Fertigstellung des Endproduktes.

Beim Rapid Prototyping wird dagegen eine CAD-Datei mit 3D-Daten an den Drucker geschickt, gelesen und ausgedruckt. Das fertige Modell erhält danach nur noch das Finish, beispielsweise durch Sandstrahlen. In der Medizintechnik, besonders in der Prothetik, leisten solche Prototypen bereits gute Dienste.

Aber auch in der Kunst, zum Beispiel bei der Erstellung von Replikaten berühmter Kunstwerke, kann Rapid Prototyping eingesetzt werden.

3. Testen Sie unterschiedliche Designs

Bei der Herstellung von Prototypen war es bisher recht kosten- und zeitaufwändig, verschiedene Varianten oder andere Designs auszuprobieren und Prototypen davon herzustellen. Bei Teilen mit sehr dünnen Wänden, scharfen Ecken oder Winkeln, die die Fräse oder das Schleifgerät nicht erreicht, stößt die CNC-Technik an ihre Grenzen.

Die Rapid-Prototyping-Methode des Auftragens „Schicht für Schicht“ ist hingegen in der Lage, solche technischen Grenzen zu überschreiten.

Das Modell für ein Bauprojekt eines Architekturbüros beispielsweise kann durch Rapid Prototyping deutlich unkomplizierter erstellt und danach auch noch variiert werden. Es versetzt den Anwender in die Lage, umstandslos verschiedene Designs auszuprobieren, um das optimale Ergebnis zu produzieren.

4. Die Konsolidierung von Einzelteilen wird flexibler

Bei einem aus mehreren Teilen zusammengefügten Modell ist es wichtig, die verschiedenen Bauteile einzeln zu prüfen. Die Fabrikation der Teile eines Ganzen per Rapid Prototyping erlaubt die Prüfung und Konsolidierung der Einzelteile während des Fertigungsprozesses.

Dieses ist nicht nur kostengünstig, sondern erlaubt darüber hinaus die schnelle Anpassung des Designs und der Teilfunktionen. Verschiedene Industriebereiche, wie die Zulieferer im Maschinenbau, können von dieser Vereinfachung profitieren.

5. Probieren Sie verschiedene Materialien aus

Der 3D-Druck ermöglicht Designern die Auswahl aus verschiedenen Materialien, die dem Material des Endproduktes nahe kommen oder sich in der entsprechenden Umgebung ähnlich verhalten. Je nach dem Einsatzgebiet des geplanten Endproduktes werden verschiedene Verfahren und Materialien angewendet.

Nylon 12 beispielsweise hält Temperaturen bis 149 Grad Celsius aus, das Metallkomposit Aluminium AlSiMg ist druckresistent und temperaturbeständig, wie es bei Automotoren erforderlich ist.

6. Verbessern Sie die Risikominimierung

Wenn Sie ein Design vor der Produktion in der Hand halten, begutachten und testen können, minimiert dieses die Risiken, die durch kostspielige Fertigungsprozesse oder die entsprechende Werkzeugausstattung entstehen können.

Da der 3D-Druck kostengünstig ist, vermindert sich das Kostenrisiko für Ihr Unternehmen vor allem dann, wenn Sie sich im Verlauf der Entwicklungsphase für ein ganz anderes Design entscheiden oder noch Zeit für die Entwicklung weiterer Designs benötigen.

7. Nutzen Sie Rapid Prototyping als abfallarmes Verfahren

Viele Kunden schauen zunehmend auch auf den Fertigungsweg von Produkten. Rapid Prototyping erlaubt eine abfallarme Fertigung von dreidimensionalen Teilen, da keine Formen gebaut oder anderweitig mechanisch hergestellt werden müssen.

Abfallprodukte, die im konventionellen Prototypenbau anfallen, entfallen beim Rapid Prototyping.

Die wichtigsten Rapid-Prototyping-Verfahren im Überblick

• Electro Beam Melting (EBM) ist ein additives Verfahren, bei dem Bauteile schichtweise aufgebaut werden. Dabei verschmilzt ein Elektronenstrahl Metallpulver, insbesondere Titanpulver, Schicht für Schicht. EBM-Bauteile sind voll funktionsfähig und eignen sich für Prototypen und Kleinserien im Flugzeugbau, Motorsport und der Medizintechnik.

• Lasermelting ist ein additiv/generatives Verfahren, bei dem ein Metallpulver, besonders Edelstahl, Werkzeugstahl und Aluminium, schichtweise aufgetragen und durch einen Laser aufgeschmolzen wird. Die so gefertigten Teile sind sofort einsatzfähig und eignen sich als Prototypen für Modellbauer und Kleinserien sowie für den Einsatz in der Medizin.

• Selektives Lasersintern (SLS) beinhaltet das Aufschmelzen eines pulverisierten Ausgangsmaterials per CO2-Laser. Das Material wird bei diesem Verfahren Schicht für Schicht auf eine Teilplattform, eingebettet in ein Pulverbett, aufgebracht. Beispiele für Einsatzmöglichkeiten der mechanisch und thermisch hoch belastbaren SLS-Teilen sind Muster für den Werkzeugbau, Urmodelle für Silikonformen, Designstudien und Maschinenbauteile mit komplexer Form.

• Stereolithographie (SLA) ist ein besonders kostengünstiges Verfahren, bei dem flüssige Epoxydharze verwendet werden. Die Aushärtung des lichtaushärtenden Kunststoffs wird per Laser schichtweise vorgenommen. Die Stereolithographie bietet die präzise Fertigung äußerst feiner Strukturen und ebenen Oberflächen bei hoher Maßgenauigkeit.

• 3D-Farbdruck (DoP) wird häufig während der Konzeptionierung und in Designstudien in der Architektur, im Gesundheitswesen und in der Industrie eingesetzt. Die Anschauungsmodelle und Prototypen werden in Farbe aus pulverförmigen Rohstoffen aufgebaut und wirken dadurch besonders anschaulich.

Rapid Prototyping ist ein trendweisendes Verfahren zu Herstellung von Modellen und Werkzeug-Kleinserien. Wichtige Vorteile des Rapid Prototyping liegen in den Kosten und der Geschwindigkeit, in der Sie zum Prototyp oder Werkzeug gelangen. Dadurch können in kürzerer Zeit mehr Modelle ausprobiert, optimiert oder als fertiges Werkzeug geliefert werden.

Durch den generativen Aufbau fallen viele Abfälle weg, wie Späne oder Staub, was Ihre Ressourcen schont. Die Vielfalt der einsetzbaren Materialien und Verfahren bietet überdies eine breite Palette von Einsatzmöglichkeiten der gefertigten Teile.

Titelbild: gorodenkoff / iStock / Getty Images Plus