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Aus der Vision wird mithilfe neuer Technologien binnen kürzester Zeit Realität.

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Prototypen Modellbau: Visionen schnell und präzise greifbar machen

In den 1970er Jahren ging es in der industriellen Fertigung insbesondere um die Automatisierung. Dagegen standen in den 1980er Jahren Rationalisierung und Kostensenkung im Fokus. Heute stehen insbesondere die Geschwindigkeit und die Präzision im Vordergrund. Dies ist gerade beim Prototypen Modellbau und nicht zuletzt auch bei den Technologien Rapid Prototyping und Rapid Tooling ersichtlich. Denn hier werden Ideen schnell greifbar gemacht; aus der Vision wird mithilfe neuer Technologien binnen kürzester Zeit Realität.

Wie funktioniert Prototypen Modellbau / Prototypen Modelling?

Grundsätzlich kommen beim Prototyping Modeling Fertigungsverfahren zum Einsatz, die erstellte bzw. vorhandene CAD-Daten in entsprechende Werkstücke umsetzen. Zumeist läuft dies direkt ohne spezielle manuelle Formen und Umwege ab. In diesem Fall wird vom Rapid Prototyping gesprochen. Als relevante Datenschnittstelle wird bei dieser Verfahrensgruppe das STL-Format genutzt. In der Regel handelt es sich bei den im Prototyping Modeling verwendeten Methoden um so bezeichnete Urformverfahren. Verfahren dieser Art bauen die jeweiligen Modelle bzw. Werkstücke aus formneutralen oder formlosen Material schichtweise auf; immer unter Nutzung chemischer und physikalischer Effekte.

Wie geht man beim Prototypen Modellbau vor?

Mittlerweile gibt es über ein Dutzend Fertigungsverfahren für die Prototyp-Entwicklung. Im Hinblick auf den Prototypenbau ähnelt sich die Vorgehensweise zwar, unterscheidet sich aber durch Details und Nuancen. Folgende Vorgehensweisen bzw. Prozesse kommen beim Prototyping Modeling hauptsächlich zum Einsatz:

3D-Print: Schichtweiser Aufbau ermöglicht die Fertigung von dreidimensionalen Modellen

Als übergreifendes Verfahren kommt der 3D-Print bei der Prototypenfertigung zum Einsatz. Bei diesem Prozess wird das jeweilige Substanz schichtweise aufgetragen und dreidimensionale Werkstücke bzw. Modelle erzeugt. Der schichtweise Aufbau erfolgt stets computergesteuert aus festen oder flüssigen Werkstoffen nach zuvor festgelegten Formen und Maßen. Beim Aufbau der Schichten finden grundsätzlich sowohl chemische als auch physikalische Härtungs- und Schmelzprozesse statt. Als Materialien bzw. Werkstoffe kommen beim 3D-Print typischerweise Kunstharze, Kunststoffe, Keramiken oder auch Metalle zum Einsatz. Mittlerweile sind auch aus Kohlenstoff entwickelte Carbon- und Graphitmaterialien bei 3D-Print einsetzbar.

Mehrere Fertigungsverfahren stehen beim 3D-Print zur Auswahl

Der 3D-Druck ist eine feste Größe beim Prototypen Modellbau in der Industrie oder beispielsweise auch in der Forschung. Zudem wird dieses Druckverfahren auch in der Kunst oder etwa im Unterhaltungsbereich genutzt. Im Allgemeinen zählt der 3D-Print zu den generativen Fertigungsverfahren, wobei es dabei – je nach Verfahrensdefinition und je nach verwendeten Materialien – Überschneidungen und Gemeinsamkeiten gibt. Zur Erstellung von Mustern im Rahmen des 3D Drucker Modellbaus können verschiedene Fertigungsverfahren genutzt werden. Diese lassen sich in folgende Kategorien unterteilen:
- Digital Light Processing (DLP)
- Jetting-Verfahren (HSS, Multi Jet Fusion)
- Schmelzschichtverfahren (FDM/FFF)
- Selektives Lasersintern (SLS)
- Selektives Laserschmelzen (SLM) 
- Stereolithografie (SLA)

Ergebnisse beim Prototypen Modellbau lassen sich durch 3D-Drucker mit moderner Technologie optimieren

Moderne 3D-Drucker, wie zum Beispiel der von uns verwendete Connex3, können insgesamt drei verschiedene Modellmaterialien gleichzeitig verarbeitet werden. Dies ermöglicht die Kombination von unterschiedlichen Materialeigenschaften und Farben. Dabei kann zwischen insgesamt bis zu zehn verschiedenen Farbpaletten gewählt werden, wobei die Farben grundsätzlich weitaus kräftiger als bei herkömmlichen Geräten sind. Zudem können gleich 45 digitale Materialien eingesetzt werden, wobei sich Digital ABS jetzt auch mit VeroClear, Tango-Overmolding oder einem anderen Stoff kombinieren und drucken lässt. Dies ist für den 3D Drucker Modellbau und der Prototypenentwicklung ein bedeutender Meilenstein. Denn mit einem Drucker dieser Art entstehen hochwertige Prototypen bzw. Modelle, die über eine explizit hohe Funktionalität verfügen und erstklassige Haptik mit einer hervorragenden Optik vereinen. Entsprechende Modelle kommen beim Prototypen Modellbau vor allem als Design- oder Urmodelle zum Einsatz; zudem werden sie für Konstruktionsprüfungen verwendet. Als Folgeverfahren bieten sich der Metallguss oder der Kunststoff-Vakuumguss an.

Multi Jet Fusion: Prädestiniert für das Segment Additive Manufacturing

Beim additiven Fertigungsverfahren handelt es sich um eine Technologie bzw. um ein Prozess auf Pulverbasis. Ein Laser kommt dabei allerdings nicht zum Einsatz. Stattdessen wird ein Pulverbett verwendet, das dann von Anfang an in gleichmäßiger Form erhitzt wird. Um Partikel selektiv zu schmelzen, wird eine wärmeleitende Flüssigkeit hinzugefügt bzw. eingespritzt. Stehen demgegenüber eine gute Oberflächenqualität und das Erstellen von scharfen Kanten im Fokus, kommt eine wärmehemmende Flüssigkeit zum Einsatz: diese wird um die jeweiligen Konturen gespritzt. Über die Pulverbett-Oberfläche werden dabei Lampen bewegt. Das eingespritzte Material nimmt die dadurch erzeugte Wärme auf. Gleichzeitig wird durch diesen Arbeitsschritt die gleichmäßige Verteilung unterstützt. Grundsätzlich ist das Verfahren Multi Jet Fusion perfekt für den Bereich Additive Manufacturing geeignet. Dabei wird in kürzester Zeit eine effektive produktive Detailgenauigkeit erreicht.

Multi Jet Fusion ist vorzugsweise für folgende Anwendungsbereiche prädestiniert:

  • Fertigung von komplexen Funktionsteilen in geringer Auflage respektive Stückzahl.
  • Produktion von Mustern für Funktions- und Eignungstests.
  • Herstellung von Mustern mit expliziten mechanischen Eigenschaften; ähnlich der mechanischen Eigenschaften von Spritzgussteilen.
  • Fertigung von Serien kleiner Komponenten; dies stellt eine kostengünstige Variante zum Spritzgussverfahren dar.

Polyjet: Schnell, äußerst präzise und oftmals keine Nacharbeit

Hierbei handelt es sich um eine leistungsstarke 3D-Drucktechnologie, mit deren Hilfe Prototypen, Produktionshilfsmittel sowie glatte, präzise Bauteile hergestellt werden können. 
Der PolyJet-3D-Druck ähnelt von der Verfahrensweise her dem klassischen Tintenstrahldruck. Der entscheidende Unterschied: Während beim Tintenstrahldruck Tintentropfen auf Papier aufgesprüht werden, bringen PolyJet-3D-Drucker schichtweise flüssiges Fotopolymer auf eine entsprechende Bauplattform auf.

Auch eine simultane Verarbeitung von mehreren Materialien und Farben ist möglich

Das Verfahren basiert auf mehreren Arbeitsschritten. Zu Beginn berechnet die eingesetzte Vorbereitungssoftware automatisch die exakte Positionierung bzw. Platzierung des Fotopolymers und des bei diesem Verfahren benötigten Stützmaterials via 3D-CAD-Dateien. Anschließend sprüht der verwendete 3D-Drucker winzige Tröpfchen des Fotopolymers auf. Diese werden sofort mittels UV-Licht vernetzt. Dadurch sammeln sich auf der Bauplattform feine Schichten an, aus denen dann letztendlich präzise 3D-Modelle entstehen. Um komplexe Formen oder zum Beispiel Überhänge zu unterstützen, verarbeitet der jeweils eingesetzte 3D-Drucker zusätzlich Stützmaterial. Dieses kann später wieder leicht manuell mit Wasser oder auch in einem speziellen Lösungsbad entfernt werden. Das Polyjet-Verfahren erlaubt zudem die simultane Verarbeitung von mehreren Materialien. So ist es dann möglich, dass zum Beispiel Softtouch-Oberflächen gemeinsam mit dem entsprechenden Trägermaterial direkt aus einem Stück gefertigt werden.

Das Polyjet-3D-Druckverfahren bietet wesentliche Merkmale und verschiedene Vorteile:

  • Die Technologie ermöglicht im Rahmen des Prototyping Modeling eine vergleichsweise außergewöhnliche Oberflächenglätte, Präzision sowie Detailgenauigkeit.
  • Es lassen sich hochgradig detaillierte und glatte Musterstücke anfertigen, die dem jeweiligen Betrachter die Ästhetik des eigentlichen Endprodukts vermittelt.
  • Hergestellt werden können zum Beispiel Fertigungs- und Formwerkzeuge, Montagevorrichtungen sowie auch Schablonen.
  • Das Verfahren gewährleistet das Erschaffen von größeren bzw. komplexen Formen, feinen Oberflächen und aufwändigen Details.
  • In einem einzigen Modell können eine große Anzahl an Materialien und Farben integriert werden. Dadurch wird im Vergleich zu anderen Verfahren eine erstklassige Effizienz erreicht.
  • Selektives Lasersintern (SLS): Äußerst schnelle Fertigung von Prototypen gewährleistet

Hierbei handelt es sich um ein generatives Schichtbauverfahren, bei dem ein pulverförmiger Ausgangsstoff als Ausgangsmaterial dient. Durch das Sintern mittels eines Lasers werden aus dem Ausgangsstoff dann Schicht für Schicht räumliche Strukturen hergestellt. Auf diese Weise können beliebige dreidimensionale Geometrien erzeugt werden. Für den Modellbau wichtig: Es lassen sich auch Geometrien mit Hinterschneidungen erzeugen. Das ist bei einer gießtechnischen oder mechanischen Fertigung nicht möglich. Vom Verfahrensweg her werden aus den aufbereiteten CAD-Daten mittels des so bezeichneten Slicen mehrere Schichten aus dem verwendeten Werkstoff erstellt. Der pulverförmige Werkstoff kann ein Kunststoff, ein Metall- oder Keramikpulver sowie ein kunststoffbeschichteter Formsand sein. Hergestellte Modelle können in der Regel direkt als Funktionsmodell eingesetzt werden und dienen oftmals der Überprüfung der Konstruktion. Zudem wird diese Technologie auch im Bereich Rapid Tooling respektive Rapid Manufacturing eingesetzt.

Weitere Vorgehensweisen bzw. Verfahren: Vom Fräsen bis hin zum Kunststoffguss

Beim Prototypen Modellbau verstärkt die Techniken Fräsen, Kunststoff- und Feinguss sowie der Metallguss-Differenzdruck zum Einsatz. Dabei kommen etwa beim vergleichsweise kostengünstigen Fräsen explizite CNC-Fräsen zum Einsatz, die auch große Modelle vergleichsweise günstig herstellen. Die Modelle sind ungemein detailgetreu und weisen eine sehr hohe Genauigkeit auf. Beim Kunststoffguss bzw. Silikon-Vakuumgießen werden demgegenüber innerhalb kürzester Zeit gebrauchsfertige Prototypen hergestellt, die über seriennahe Eigenschaften verfügen. Dabei können weiche und harte Materialien kombiniert werden. Beim Modellbau Prototyping werden mit Hilfe dieses Verfahrens vor allem hochtransparente Teile angefertigt.

Prototypen Modellbau: Differenzdruck für zierliche Gehäuseteile

Sollen dagegen Kleinserien mit einer sehr guten Oberfläche erstellt werden, die nur wenig Nacharbeit benötigen, kommt häufig der Metall-Feinguss zur Anwendung. Der Metallguss-Differenzdruck basiert genau auf diesem Feinguss-Verfahren sowie auf dem Wachsausschmelzverfahren und dem Kunststoff-Vakuumguss. Beim Prototypen Modellbau wird dieses Verfahren insbesondere für die Fertigung von zierlichen Gehäuseteilen und von Serienanfertigungen im Druckguss.

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