Rapid Prototyping – Ein Potenzial für hochmoderne Fertigung

Unter diesem Begriff wird in der Wirtschaft die schnelle Erstellung von innovativen Prototypen (Modellen) verstanden. Üblicherweise handelt es sich hierbei um Grundmuster für die industrielle Fertigung von mechanischen Bauteilen oder komplexeren Baugruppen. Die Basis für deren Umsetzung bildet die computergestützte Verarbeitung von 3D-CAD-Daten. Speziell stellen leistungsfähige 3D-Druckverfahren die hierzu erforderliche Technologie zur Verfügung (additive Fertigung).

Wie entwickelte sich die Nachfrage für Rapid Prototyping in der Industriegeschichte?

Bis zur Mitte der 80er Jahre ging es im Rahmen der industriellen Fertigung vorrangig um die Rentabilität der Produktion.

So standen die deutliche Verringerung von Herstellungskosten und zugleich das Absichern der Produktleistung massgeblich im Fokus.

Aufgrund dieser ökonomischen Anforderungen war es nötig, vorweg geplante Erzeugnisse ohne die Verwendung kostenintensiver Hilfsmittel und innerhalb kurzer Zeitspannen auszutesten. Somit entstand erstmalig eine starke Nachfrage bezüglich aussagekräftiger Modelle beziehungsweise Prototypen.

In den 90er Jahren setzte sich die Akzentuierung der Produktqualität zunehmend im Wirtschaftsleben durch. Um die Qualitätssicherung für die herzustellenden Erzeugnisse zu gewährleisten, verwendeten die Produktdesigner*innen umso mehr aussagefähige Prototypen.

Mit der Jahrtausendwende wurde schliesslich die Konzeption «Time to Market» bedeutsamer. Alles drehte sich um einen zügigen Marktauftritt der Innovationen. Doch die Realisierung dieses Zeichen setzenden Massstabs für moderne Fertigungsprozesse verlangte zeitnahe Entwicklungsabläufe und Produktionsverfahren.

Gerade dieser wirtschaftliche Trend beschleunigte das Wachstum von modernen Technologien, welche die rasche Erstellung von modellhaften Prototypen ermöglicht.

Prototyp für ein Mobil-Telefon
Prototyp für ein Mobil-Telefon

Die fortan aufstrebende Rapid Prototyping Technologie

Im Jahr 1984 kamen die ersten Stereo-Lithografie Maschinen auf den Markt. Diese zukunftsweisende Technologie bot erstmals eine auf Lasertechnik fussende Anfertigung von Grundmodellen (Prototypen).

Sie wurde konkret durch das Überlagern ausgehärteter Schichten eines fluiden, UV-sensiblen Polymers realisiert.

Innerhalb der nachfolgenden Dekaden entstanden anschliessend weiterführende Rapid Prototyping Methoden wie beispielsweise die leistungsfähige Technik zum selektiven Laser-Sintern.

Das früheste Verfahren zum 3D-Rapid-Prototyping auf der Grundlage des Fused Deposition Modeling (FDM) wurde in den 90er Jahren etabliert.

Letztendlich zeigt sich das hochmoderne 3D-Druck System als die aktuellste Rapid Prototyping Technik. Sie gelangte seit Anbruch des neuen Jahrtausends auf den industriellen Markt.

Wo stehen wir heute?

Die Begriffe «Rapid Prototyping» und «3D-Druck» überschneiden sich teilweise, seitdem es die moderne Hightech Druck-Methode gibt. So wurde die moderne 3D-Druck Technik anfänglich mit dem obigen Fachwort assoziiert.

Auf diese Weise ist aktuell die vorgängige Aufgabe der superschnellen Prototyp-Fertigung effektiv gelöst. Wichtige Fachkräfte wie Produktdesigner*innen, Ingenieur*innen und Architekt*innen können heutzutage Kundenwünsche innerhalb kürzester Zeit plakativ und direkt «begreifbar» entwerfen.

Jetzt wächst der technische Fortschritt auf dem Praxisfeld der 3D-Druck Technologie weiterhin rapide. Somit gingen verwandte Anwendungsgebiete wie das Rapid Tooling und das Rapid Manufacturing daraus hervor. Inzwischen ist nahezu jedes Design mittels CAD-Programmen und 3D-Druck visuell und haptisch darstellbar.

Da die Prototypen in kleinen Mengen erforderlich sind, ist die 3D-Druck Technik als Baustein der Produktentwicklung gegenwärtig die rentabelste Fertigungsvariante.

3 D Druck mit Rapid Prototyping
3 D Druck mit Rapid Prototyping

Vor welchen Herausforderungen steht die 3D-Druck Erstellung von Prototypen?

Mit lediglich 30 «Lebensjahren» seit Beginn seiner Einführung steht der moderne 3D-Druck vor vielerlei Herausforderungen. Innerhalb des zurückliegenden Jahrzehnts hat jedoch gerade diese Spezialbranche einen riesigen Satz nach vorn gemacht.

Der technologische Fortschritt umfasst nicht zuletzt signifikante Verbesserungen der technischen Systeme hinsichtlich ihrer Flexibilität und Druckgeschwindigkeit. Darüber hinaus sind mittlerweile vielfältige Grundmaterialien inklusive mehrfacher Kombinationsmöglichkeiten verfügbar. Letztlich sind mit der Zeit mannigfaltige Automatisierungslösungen entwickelt worden.

Für das Wachstum des technischen Knowhows und dessen Umsetzung für die additive Fertigung von Prototypen verbleiben beachtliche Challenges:

  • weitere Verbesserungen der Effizienz und Druckgeschwindigkeiten
  • Optimierung der Werkstoffe und Beseitigen von Inkonsistenzen bei der Festigkeit des gedruckten Materialgefüges
  • Verringern manueller Nachbesserungen bei 3D-gedruckten Prototypen
  • Realisieren vorliegender Softwareanforderungen beim Strukturieren und Verarbeiten von Daten
  • Aufhebung noch vorhandener Mängel bei der Standardisierung interner sowie übergreifender Branchenlösungen
  • Meistern von Herausforderungen beim effektiven Workflow
  • Perfektionierung bei der Integration von zusätzlichen Systemkomponenten (AM-Ökosystem)

Das kostensparende Rapid Prototyping mit Vorteilen und Nachteilen

Das effiziente Prototyping ist das Herzstück innerhalb einer zeitgemässen, profitablen Produktentwicklung. Wegen der zahlreichen Wettbewerber*innen kann – im Extremfall – ein langes Andauern bis Einführung des Artikels zur Insolvenz des Herstellers beitragen. Last, but not least ist darum die schnelle Technik des 3D-Drucks mit mancherlei Vorteilen für die Wirtschaftsunternehmen verbunden.

Die Benefits einer raschen Erstellung von Prototypen auf Basis des 3D-Drucks liegen somit auf der Hand:

  • Das additive Fertigen ist zügiger ausführbar und anpassbarer als subtraktive Verfahren wie beispielsweise die CNC-Frästechnik.
  • Ein fixes Prototyping mittels 3D-Druck ist kosteneffizienter für hochkomplexe Bauelemente beziehungsweise komplette Baugruppen.
  • Es vergeht weitaus weniger Zeit zwischen der Erstellung unterschiedlicher Versionen eines bestimmten 3D-Druck Prototypen.
  • Die allermeisten Programmmodule zum Bearbeiten von 3D-Druck Dateien ermöglichen komfortable Synchronisations-Optionen.
  • Die anwenderfreundliche Systemsteuerung des 3D-Drucks ist besser ausgestaltet als eine vergleichbare Benutzeroberfläche für die CNC-Bearbeitung.
  • Additive Fertigungsprozesse wie das 3D-Drucken schöpfen jedes Gramm von Rohstoffen bestens aus.
  • Insgesamt vollzieht sich das 3D-Druckverfahren ökologisch nachhaltiger. Gerade dies ist optimal für die Erhaltung einer intakten Umwelt.

So effektiv und kostensparend das 3D-Druck Prototyping immer ist, einige Nachteile gibt es. Allein die Investitionen für die notwendige Infrastruktur (EDV, Grundmaterialien, Maschinen) sind finanziell aufwändig. Der am meisten ins Gewicht fallende Nachteil ist die bislang langwierige Anfertigung von Prototyping Testmodellen mit einem komplizierten Schichtaufbau. Auf diesem spezifischen Praxisfeld sind somit erhebliche Verbesserungen nötig.

Zu guter Letzt zwei Anwendungsbeispiele

Der 3D-Druck Modellbau gewährleistet innerhalb der Fahrzeugherstellung die rapide Entwicklung komplexer, individualisierter Bauteile – zunächst zu experimentellen Zwecken in den Industrielaboren.

Im Rahmen eines leistungsfähigen Gesundheitswesens werden hochmoderne Prototyping Fertigungen zielgerichtet zum Optimieren von Implantaten und Prothesen eingesetzt.

Die schnelle Prototyping Fertigung – Ein Fazit

Die zeitnahe Erstellung von experimentellen Prototypen (Modellen) auf Grundlage des 3D-Drucks ist ein essenzieller Baustein innerhalb der modernen, kosteneffizienten Produktentwicklung.

Das Thema Rapid Prototyping im Web

… und auf raeber-blog.ch

21.6.2022 / Autorenteam, Robert W. Müller

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