Was versteht man unter Rapid Prototyping?

Wie kam es zu dieser außergewöhnlichen Entwicklung?

Hier eine kurze Geschichte des 3D-Drucks:

Die ersten Versuche im 3D-Druck fanden 1980 in Japan statt. Hier wurde zum ersten Mal eine Methode beschrieben, wie man Schicht-auf-Schicht 3-dimensionale Strukturen herstellen konnte. Das erste Patent wurde 1984 in Amerika angemeldet, 1986 bewilligt und beschrieb den Prozess der Stereolithographie (kurz: SLA): Ein lichtempfindliches Harz wird mithilfe von UV-Licht selektiv polymerisiert. Im selben Jahr wurde das erste Unternehmen für 3D-Druck gegründet.

Bereits zwei Jahre später wurde ein Patent für das Verfahren „Selektives Lasersintern (SLS)“ angemeldet. Der 3D-Druckprozess „Selektives Laserschmelzen (SLM) wurde Ende der 1990er in Deutschland entwickelt. In diesen beiden 3D-Druckverfahren werden Pulverkörner schichtweise aufgetragen und mittels eines Lasers selektiv miteinander verschmolzen.

1989 folge die Patentanmeldung der 3D-Druckmethode „Fused Deposition Modelling (FDM)“, bei der ein zugeführter Kunststoffdraht punktuell aufgeschmolzen wird. Als 2009 das Patent für das FDM-Verfahren auslief, stieg das Interesse an dieser neuen Technologie rasant an.

Heutzutage ist der 3D-Druck ein etablierter Fertigungsprozess. Durch die vielfältigen Drucktechnologien gibt es nahezu keine Einschränkungen mehr für die Konstruktion hinsichtlich Design und Funktion.

Welche Gesichtspunkte sind bei der Konstruktion zu beachten?

• Statik: Bisher massiv ausgeführte Bauteile können durch geeignete Streben mit deutlich weniger Material und Gewicht hergestellt werden. Dies hat entscheidende Vorteile für viele Industriezweige, vor allem in der Luft- und Raumfahrt. Die Statik darf allerdings nicht außer Acht gelassen werden, denn das Bauteil muss nach wie vor dieselbe Funktionalität und Belastbarkeit bieten.

• Wärmemanagement: Im 3D-Druck wird viel Wärme in das Bauteil eingebracht. Diese Wärme muss gezielt abgeführt werden, um eine Aufheizung und infolgedessen eine Verformung des Werkstücks zu vermeiden. Da eine aktive Kühlung nicht möglich ist, muss die Wärme über die bereits gedruckte Masse und eine evtl. erforderliche Stützstruktur abfließen.

• Stützstruktur: Die Bauteile können nicht einfach auf der Druckplatte aufgebracht werden, da sie unter Umständen nur mit sehr viel Aufwand von der Druckplatte abgenommen werden können. Es bietet sich daher an, eine Stützstruktur aus Mikrostegen zwischen Druckplatte und Bauteil in das 3D-CAD-Modell einzufügen. Diese Stützstruktur hält nicht nur das Bauteil in Position, unterstützt flache Bauteilsegmente (Bögen, Überhänge, etc.), sondern sorgt auch für den Abfluss der eingebrachten Prozesswärme.

Rapid Prototyping und 3D Metalldruck

Besonders interessant ist der 3D-Druck im Metallbereich. Während in der Vergangenheit Erstmuster mittels Rapid Prototyping ausschließlich aus Kunststoff hergestellt werden konnten, ermöglicht das Verfahren des Selektiven Laserschmelzens (SLM) nun auch die Herstellung von Prototypen aus Metall.

Dabei kommt das sogenannte Pulverbettverfahren zum Einsatz: Auf die Druckplatte wird eine dünne Schicht Metallpulver aufgetragen und mittels Laserstrahl punktuell (selektiv) nach CAD-Vorgaben mit der Grundplatte verschmolzen. Das nicht geschmolzene Pulver verbleibt auf der Druckplatte.

Es folgt die nächste Schicht, die wiederum mit der Struktur der ersten Schicht verschmolzen wird. Auf diese Weise entsteht Schicht für Schicht eine dreidimensionale Struktur.

Welche Oberflächenveredelungen bieten wir an?

Gedruckte Bauteile besitzen eine durch die Körnigkeit des Metallpulvers charakteristische raue Oberfläche, die je nach Kundenbedürfnissen mehr oder weniger bearbeitet werden muss.

Zunächst wird nach Beendigung des Druckvorgangs die Druckplatte mit den Bauteilen aus der Arbeitskammer entnommen und das nicht geschmolzene Pulver entfernt. Da die Bauteile durch Mikrostege an die Druckplatte angebunden sind, werden diese Mikrostege zuerst entfernt. 

Falls eine Veredelung der rauen Oberfläche erforderlich ist, kann dies durch verschiedene Methoden erfolgen:

• Sand-, Glasperlen- oder Korundstrahlen
• Trowalisieren (sofern es die Filigranität der Bauteile zulässt)
• Polieren

Je nach Umfang der nachträglichen Oberflächenbearbeitung muss das Bauteil mit Aufmaß gedruckt werden, damit das Bauteil nach der Oberflächenbearbeitung seine tatsächlichen Abmessungen erhält.

Wie genau ist Rapid Prototyping, welche Toleranzen gibt es?

Wir können nur für das Rapid Prototyping bzw. für den 3D Metalldruck Angaben machen. Je nach Anforderung und Bauform des Produktes variieren die Toleranzen. Wir erzielen Säulen- und Wandstärken von ca. 80-100µm und sind damit in der Lage sehr komplexe Strukturen mit Hohlräumen und Kanälen ohne interne Stützstruktur zu drucken! Je nach Anforderung können wir Kanäle mit Durchmesser bis 100 µm und Wandstärken <100µm herstellen. In jedem Fall sollten die Anforderungen im Vorfeld mit uns besprochen werden, denn die Grenzen des Machbaren sind fließend.

Welche Formen und Geometrien können mit Rapid Prototyping erstellt werden?

Es können hochkomplexe Formen im Rapid Prototyping bzw. dem 3D Metalldruck realisiert werden. Zum Beispiel können Kanäle unter 0,200mm im Durchmesser hergestellt werden, die in Sonden für die Automobilindustrie oder der Luft- und Raumfahrt zur Anwendung kommen. Die Wandungen müssen entsprechend glatt sein, um Strömungsgeschwindigkeiten messen zu können von Gasen, Ölen oder Wasser. Wandstärken unter 200µm sind dabei gefordert, die trotz der Filigranität besonders robust sein müssen, um im harten Rennsport bestehen zu können.