3D-Druck-Verfahren für Prototyping und Produktion

3D-Druck-Verfahren für
Prototyping und Produktion
WIE SIE MIT ADDITIVER FERTIGUNG
BESSERE PRODUKTE ENTWICKELN
Real Parts. Really Fast.
Proto Labs Ltd., Alte-Neckarelzer-Straße 24 | 74821 Mosbach, Germany | +49 (0) 6261 6436 947 | protolabs.de
Architekten bauen nicht ohne ein Modell. Sie entwerfen Baupläne, produzieren „Renderings“ und bauen 3D-Modelle.
Doch obwohl diese Planungshilfen dem späteren Gebäude in ihrer Form gleichen, gibt es bei der Größe und den
Materialien keine Ähnlichkeit. Daher ist – außer im Fall von vorgefertigten oder modularen Gebäuden – das fertige
Produkt erst dann erstmals in der eigentlichen räumlichen Anordnung zu sehen, nachdem die echten Baumaterialien
zusammengesetzt wurden. Dies ist einer der Gründe, warum die Architektur sich nur eher langsam verändert. Ohne Tests
unter realen Bedingungen sind große Veränderungen riskant.
Bei der Produktentwicklung ist dies anders. Die Produkte von heute werden so entwickelt, dass sie in Größenordnungen
von mehreren tausend oder hunderttausend Stück hergestellt werden können. Sowohl Einzelteile als auch montierte
Produkte können während des Entwicklungsprozesses gebaut und getestet werden. Dies erklärt zum Teil die heutzutage
hohe Innovationsrate von Produkten. Dadurch lastet jedoch ein hoher Druck auf dem Prototyping-Verfahren. Neue
Produkte müssen die Erwartungen der Käufer in einem wettbewerbsintensiven Markt erfüllen oder übertreffen. In
vielen Fällen liegt ihr Mehrwert in ihrer Innovation, d.h. der Tatsache, dass sie sich von allen bisherigen Produkten und
Entwicklungen am Markt unterscheiden. Die Produkte müssen schnell entwickelt und auf den Markt gebracht werden, um
sich gegen Wettbewerber durchzusetzen. Ein intelligentes Prototyping kann beim Erreichen all dieser Ziele helfen. Dabei
liegt die Herausforderung in der Auswahl des richtigen Prototyping-Verfahrens zu jedem Zeitpunkt der Entwicklung.
Die additive Fertigung oder der 3D-Druck, wie sie häufig genannt wird, ist ein Verfahren, das digitale CAD-Modelle
zum Bau von physischen, oft geschichteten realen Objekten verwendet. Die Eignung der Technologie hängt von der
späteren Verwendung des Teils ab. So besitzt z.B. das Konzeptmodell eines Gehirns für einen Arzt während der
Planung einer Operation einen medizinischen Wert, doch es würde niemals in die Produktion gehen, da nur ein oder
zwei gedruckte Einzelstücke aus einem kunststoffähnlichen Werkstoff benötigt werden. In anderen Fällen kann die
additive Fertigung zur Herstellung kleiner Mengen voll funktionsfähiger Teile aus hochwertigen Metallen für den
Endgebrauch eingesetzt werden.
Hochgeschwindigkeits-StereolithographieAnlagen ermöglichen die Herstellung von Teilen
mit hervorragenden Oberflächenqualitäten, welche
die Eigenschaften von Kunststoffen wie ABS,
Polycarbonat und Polypropylen besitzen.
Kommt bei der Fertigung jedoch schließlich ein Verfahren wie das Spritzgießen zum Einsatz, findet der 3D-Druck in der
Entwicklung nur begrenzte Anwendung. In späteren Entwicklungsphasen eines Guss- oder Spritzgussteils beispielsweise,
wird es wichtig, Teile zu testen, die mit den endgültigen Produktionsteilen identisch (oder nahezu identisch) sind. Dies
beinhaltet das wiederholbare Spritzgießen von Prototypen aus Kunststoff oder Metall. Daher kann sich die Methode zur
Prototypenherstellung je nach Anwendung, Materialanforderungen, Machbarkeit und anderen Faktoren während des
Entwicklungsprozesses ändern.
In der Frühphase werden Prototypen in der Regel in sehr kleinen Stückzahlen produziert und müssen nicht unbedingt alle
funktionalen Eigenschaften von Produktionsteilen besitzen. Da die Werkstoffauswahl und die innere Struktur des Teils
in diesem Stadium nicht so entscheidend sind, können Prototypen mithilfe einer Reihe additiver Verfahren hergestellt
werden, die sowohl schnell als auch kostengünstig realisierbar sind.
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Einsatzbereiche von Teilen, die mit additiven Verfahren hergestellt werden:
•Produktionsteile • Werkzeugmuster und Komponenten
•Funktionsmodelle • Spezifische Vorrichtungen
•Anschauungsobjekte •Konzeptmodelle
• Passform- und Montageprüfung •Gussmodelle
Für jede Arbeit das richtige Werkzeug
Unterschiedliche Prototyping-Verfahren dienen unterschiedlichen Zwecken. Denken Sie beispielsweise an einen
Designer oder Ingenieur, der ein Handgerät entwickelt, das bewegliche Teile enthält. Der Entwicklungsprozess kann mit
einer Reihe von 3D-CAD-Modellen beginnen. Diese ermöglichen die schnelle Entwicklung und virtuelle Montage der
Komponenten. Sobald erste physische Prototypen hergestellt werden können, kann der Designer additive Prototypen
anhand der CAD-Modelle herstellen. Für die Schalenbauteile wählt er aufgrund der hohen Oberflächenqualität das SLVerfahren. Das SLS-Verfahren bietet sich wegen der guten Materialeigenschaften für die innen Bauteile an. Im Verlauf
des Entwicklungsprozesses können mit der Weiterentwicklung des Designs der Verkleidung und der Innenteile mehrere
Iterationen dieser Prozesse durchgeführt werden.
Beim selektiven Lasersintern werden Schichten aus feinem
Pulver zu komplexen Teilen aus Nylon-Thermoplasten
in verschiedenen Gütegraden verschmolzen.
Für Funktionsprüfungen, bei denen getestet wird, wie sich die Innenteile unter Belastung verhalten und wie das
Gehäuse Stürzen standhält, kann der Designer zunächst die 3D-CAD-Modelle senden, um ein oder mehrere maschinell
gefertigte Prototypen der einzelnen Komponenten aus geeigneten Werkstoffen zu erhalten. Diese Prototypen besitzen
die physikalischen Eigenschaften von Produktionsteilen und bilden – besonders im Fall des Gehäuses – deren äußeres
Erscheinungsbild ab. Bei größeren Tests können dieselben CAD-Modelle zur Herstellung von Schnellspritzgussteilen für
die Material- und Marktbewertung verwendet werden. Geht aus den Tests hervor, dass das Produkt marktreif ist, können
dieselben Formen zur Herstellung von Teilen für die Vermarktung verwendet werden, während Stahlwerkzeuge für die
Serienproduktion gefräst werden.
Das scheinbar Unmögliche möglich machen
Der Bau eines Teils aus tausenden dünnen Schichten bietet Designern von CAD-Modellen für den 3D-Druck die
Möglichkeit, hochkomplexe Geometrien abzubilden, die häufig unmöglich spritzgegossen werden können, wie z.B.
interne Kanäle und Löcher, die mit Schaftfräsen nicht zu erreichen sind, oder ganze Baugruppen, die als ein einzelnes Teil
gedruckt werden können. Doch was passiert, wenn additive Prototypen plötzlich für das Spritzgussverfahren bereit sind?
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Der Wechsel vom direkten Metall-Lasersintern (DMLS) hin zum Metallspritzgießen (MIM) von Kleinserien bei
der Herstelllung von Edelstahl-Prototypen ist ein gutes Beispiel für den Prozess der Produktentwicklung.
Während spritzgussspezifische Designüberlegungen, wie Formschräge, Radien und gleichmäßige Wandstärke
beim 3D-Druck eine verschwindend geringe Rolle spielen, nimmt die Bedeutung dieser Elemente deutlich
zu, sobald auf das MIM-Verfahren umgestellt wird. Bei Proto Labs identifiziert eine automatisierte Software
etwaige Formbarkeitsprobleme und unterbreitet in einem interaktiven Angebot Lösungsvorschläge. Dies kann
zwar eine Überarbeitung des Designs mit sich bringen, bietet jedoch eine schnelle Möglichkeit, um einen
gedruckten Prototypen in ein serienreifes Teil zu verwandeln.
Skalierbarkeit und Wirtschaftlichkeit
Allen additiven Verfahren ist die Unmöglichkeit der Massenproduktion mit Stückzahlen von tausenden und
hunderttausenden Teilen gemein. Ist die Skalierbarkeit ein Bereich, den sich die additiven Verfahren schon bald
erschließen könnten? Terry Wohlers vom unabhängigen Beratungsunternehmen Wohlers Associates, Inc. zufolge,
beginnen die Medizintechnik und die Luft- und Raumfahrtindustrie mit der Produktion von gedruckten Teilen in höheren
Stückzahlen, ebenso wie Firmen in der Dental- und Schmuckindustrie. Für eine richtungsweisende Veränderung ist
wahrscheinlich jedoch mehr nötig. Wohlers zufolge sind additive Kunststoffmaterialien derzeit in der Regel 50 bis
100 mal teurer als solche, die in der traditionellen Fertigung zum Einsatz kommen. Daher eignen sich momentan eher
kleine Mengen für die additive Fertigung. Wenn der Gerätedurchsatz steigt und die Geräte- und Materialkosten sinken,
wird das Potenzial für größere Produktionsmengen steigen. Bis dahin bleiben Verfahren wie das Spritzgießen, die mit
Vorabinvestitionen in Werkzeuge, jedoch auch mit niedrigeren Stückpreisen bei größeren Mengen einher gehen, der
logische nächste Schritt nach der Prototypenherstellung.
Mit präzisen Metallsinteranlagen können Teile aus
Metallen wie z.B. Edelstahl, Kobalt-Chrom, Aluminium in
Produktionsqualität gebaut werden.>>
3D-Druck-Verfahren für Prototyping und Produktion
Auswahl des richtigen Verfahrens
Es gibt nicht unbedingt ein bevorzugtes additives Prototyping-Verfahren. Die Herausforderung besteht darin, die
besten Prototyping-Methoden für ein Projekt, sowie für jede Phase des Projekts zu finden. Zu den Variablen bei den
Prototyping-Methoden zählen Geschwindigkeit, Kosten, Erscheinungsbild, unterstützte Werkstoffe und eine Reihe
physikalischer Eigenschaften. In einigen Fällen wird lediglich ein Anschauungsobjekt benötigt, in anderen Fällen muss
das Teil an andere Komponenten angepasst sein.
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BJET
Binder Jetting
Binder Jetting ist eines der einfachsten und grundlegendsten additiven Prototyping-Verfahren. Ein TintenstrahlDruckkopf bewegt sich über ein Pulverbett und trägt dabei selektiv ein flüssigkeitsbindendes Material auf. Der Prozess
wird so lange wiederholt, bis das komplette Teil geformt wurde. Nach Abschluss wird das ungebundene Material entfernt,
zurück bleibt das fertige Objekt.
VorteileNachteile
•Schnell • Raue Oberfläche
• Kostengünstig • Geringe Festigkeit
• Leicht einfärbbar • Ungeeignet für Funktionsprüfungen
• Einfache Nachbildung komplizierter Geometrien • Keine Informationen zur Machbarkeit
FDM
Fused Deposition Modeling
Beim Fused Deposition Modeling (FDM), wird thermoplastischer Kunststoff (ABS, Polycarbonat oder eine ABS/
Polycarbonat-Mischung) geschmolzen und anschließend in Schichten zu einem fertigen Prototypen erhärtet. Da bei
diesem Verfahren echte thermoplastische Kunststoffe zum Einsatz kommen, bietet es eine höhere Festigkeit als das
Binder Jetting und kann in begrenztem Umfang für Funktionsprüfungen verwendet werden.
VorteileNachteile
•Preiswert
• Mittlere Festigkeit
• Geriffelte Oberfläche
•Teilweise Übereinstimmung bei den physikalischen
Eigenschaften von ABS oder PC
• Begrenzt für Funktionsprüfungen geeignet
•Einfache Nachbildung komplizierter Geometrien
•Langsamere Produktion als beim Binder Jetting; die Herstellung großer Teile kann Tage in Anspruch nehmen
• Mangelhafte Festigkeit auf der Z-Achse
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SL
Stereolithographie
Die Stereolithographie (SL) verwendet einen computergesteuerten Laser zum Bau von Teilen in einem Bad mit UVhärtendem Kunststoff. Beim Aufbau der einzelnen Schichten mit dem Laser wird das Bad mit dem flüssigen Kunststoff
nach jeder Schicht abgesenkt, sodass die nächste Schicht ausgehärtet werden kann. Die Qualität des fertigen Teils hängt
weitgehend von der Qualität der verwendeten Ausrüstung und des eingesetzten Verfahrens ab.
VorteileNachteile
•Preiswert
• Geringere Festigkeit
• Hervorragende Oberflächenqualität
•Ausgehärteter Kunststoff kann mit der Zeit brüchig werden
• Einfache Nachbildung komplizierter Geometrien
•Eine der besten Oberflächenqualitäten bei
additiven Verfahren
• Begrenzt für Funktionsprüfungen geeignet
SLS
Selektives Lasersintern
Das selektive Lasersintern (SLS) verwendet einen computergesteuerten CO2 -Laser zum Aufschmelzen von
pulverförmigem Material, wie Nylon, von unten nach oben. Die Festigkeit ist besser als bei der SL, fällt jedoch geringer
aus als bei subtraktiven Verfahren, wie Spritzgießen oder CNC-Bearbeitung. Außerdem hat es einen gewissen Nutzen
als Produktionsverfahren.
VorteileNachteile
•Preiswert • Begrenzte Kunststoffauswahl
• Unterstützt eine Reihe von Werkstoffen • Raues Oberflächenfinish
• Sehr gute Maß- und Formgenauigkeit • Einfache Nachbildung komplizierter Geometrien
• Haltbarer als SL-Teile
• Für manche Funktionsprüfungen geeignet
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PJET
PolyJet
Beim PolyJet (PJET)-Verfahren werden mit einem Druckkopf Schichten von photopolymerem Kunststoff aufgesprüht,
die nacheinander mit einem UV-Licht ausgehärtet werden. Die Schichten sind sehr dünn und ermöglichen so eine hohe
Auflösung. Das Material wird von einer Gelmatrix unterstützt, die nach Fertigstellung des Teils entfernt wird.
VorteileNachteile
DLP
• Preiswert • Begrenzte Kunststoffauswahl
• Einfache Nachbildung komplizierter Geometrien
• Mangelhafte Festigkeit
• Nicht für Funktionsprüfungen geeignet
Digital Light Processing
Bei der auf Digital Light Processing (DLP) basierenden additive Fertigung wird ein Körper digital in Schichten zerlegt,
die ein DLP-Chip von Texas Instruments nacheinander auf die Oberfläche eines flüssigen Photopolymerbades projiziert.
Das projizierte Licht härtet eine Schicht aus flüssigem Photopolymer aus, die auf einer beweglichen Bauplattform ruht.
Die Bauplattform bewegt sich in kleinen Schritten nach unten, während neue Bilder auf die Flüssigkeit projiziert werden.
Dabei werden die Schichten nach und nach ausgehärtet, wodurch schließlich das fertige Objekt entsteht. Das übrige
flüssige Photopolymer wird anschließend aus der Wanne gespült, zurück bleibt das Volumenmodell. Das Verfahren kann
sich bei der Herstellung kleiner Mengen an kleinen, detailreichen Teilen als nützlich erweisen, ist jedoch bei größeren
Teilen, insbesondere solchen, die glatte Oberflächen benötigen, weniger geeignet.
VorteileNachteile
• Relativ schnell • Begrenzte Kunststoffauswahl x
• Konkurrenzfähige Preise • Unter Umständen nicht für Funktionsprüfungen geeignet
• Hohe Auflösung möglich • Raue Oberflächen, besonders bei unterstützten
• Kann komplexe Formen herstellen Oberflächen möglich
Direktes Metall-Lasersintern
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DMLS
Das direkte Metall-Lasersintern (DMLS) ist das führende additive Verfahren zur Herstellung von Prototypen aus Metall.
Es ähnelt dem selektiven Lasersintern mit Kunststoff, eignet sich jedoch für den Einsatz mit Metallen, wie Aluminium,
Edelstahl, Titan, Kobalt-Chrom und Inconel. Es bietet gute Präzision und Detailtreue sowie hervorragende mechanische
Eigenschaften. DMLS kann für sehr kleine Teile und Merkmale verwendet werden. Da es ein additives Verfahren ist, kann
es Geometrien wie umschlossene Räume reproduzieren, die unmöglich zu fräsen wären. Die Schichten können bis zu
20 Mikrometer dünn, die Toleranzen bei kleinen Merkmalen bis zu ±0,05 mm klein sein. Bei mittels DMLS hergestellten
Teilen sind Nachbearbeitungen wie maschinelles Bohren, Schlitzen, Fräsen und Reiben, sowie Veredelungsverfahren wie
Anodisieren, Elektropolieren, manuelles Polieren und Pulverbeschichten bzw. Lackieren möglich.
VorteileNachteile
• Möglichkeit der Verwendung fast aller Legierungen
•Mechanische Eigenschaften wie bei konventionell
geformten Teilen
• Herstellung von Geometrien, die durch Bearbeitung
oder Spritzgießen unmöglich herzustellen sind
• Relativ langsam
•Teuer
•Herstellung qualitativ hochwertiger Teile erfordert Know-how
•In der Regel teure Nachbearbeitung notwendig
Ausgelagerte
Prototypenherstellung
Während einige der beschriebenen Verfahren intern
durchgeführt werden können, werden die meisten
dieser Prototyping-Verfahren ausgelagert. Das
Outsourcing ermöglicht es dem Entwickler, die
besten Methoden für seine spezifischen Bedürfnisse
auszuwählen. Dies kann bedeuten, dass im Verlauf
eines einzelnen Projekts mehrere PrototypingMethoden eingesetzt werden. Bei der Auswahl
eines Anbieters sollten Sie die Anforderungen
und Ziele Ihres Projekts berücksichtigen:
3D-Druck-Verfahren für Prototyping und Produktion
• Bietet der Hersteller geeignete Prototyping-Methoden für Ihre spezifischen Bedürfnisse an?
• Kann er Ihnen helfen, die beste Methode in jeder Phase des Prozesses auszuwählen?
• Bietet er Ihnen irgendwelche Hilfestellungen zum Teiledesign an?
• Kann der Hersteller Kontinuität gewährleisten, wenn Sie eine Serie von Prototypen benötigen?
• Wie viel Erfahrung besitzt der Hersteller in den von Ihnen eingesetzten Verfahren?
• Ist er in der Lage, bei jedem Prototyping-Verfahren die höchstmögliche Qualität zu gewährleisten?
• Kann er Ihnen ggf. Nachbearbeitungen für Ihre Prototypen anbieten?
•Welche Werkstoffe kann der Hersteller für das ausgewählte Verfahren anbieten, wenn das Material eine entscheidende Rolle spielt? Kann er Ihnen alternative Verfahren anbieten, wenn ein bestimmtes Verfahren sich nicht für das von Ihnen bevorzugte Material eignet?
• Welche Bearbeitungszeiten bietet der Hersteller an?
• Welchen Ruf hat der Hersteller bei der Einhaltung von Fristen?
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