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Der schnelle Weg

Moderne Produktentwicklung ist ohne die Techniken des Rapid Prototyping kaum mehr denkbar. Drei Verfahren geben dabei den Ton an: Das 3D-Printing, das Lasersintern und die Stereolithografie. SCOPE-Redakteur Michael Stöcker zeigt auf, wie sie – richtig eingesetzt – die Zeit von der Idee zur Serie auf wenige Wochen reduzieren.

Doppelkopf-Laser und großer Bauraum: In der P700 von EOS finden selbst große Prototypen in wenigen Stunden zu ihrer Form.

Die Automobilwirtschaft tut es, die Konsumgüter-Industrie sowieso und viele Zulieferer inzwischen auch: Modelle, Muster und Prototypen bauen mit den Methoden des Rapid Prototyping. Neben verschiedenen Duplikationsverfahren geben dabei seit einigen Jahren die generativen Schichtbau-Verfahren den Ton an. Und hier sind vor allem das Lasersintern, die Stereolithografie und das 3D-Printing maßgebend.

Bei Adidas in Herzogenaurach ist beispielsweise der 3D-Farbdrucker Spectrum Z510 des US-amerikanischen Herstellers Z Corporation ein unverzichtbarer Bestandteil der Produktentwicklung. Er beschleunigt den Modellbau, optimiert die Designbewertung und vereinfacht die Kommunikation zwischen Technik und Management. Dieses Komplettsystem wird hierzulande von 4D Concepts angeboten und kommt meist in den frühen Stadien einer Produktentwicklung zum Einsatz. Denn im 3D-Printing lassen sich die CAD-Zeichnungen der Konstrukteure in Rekordtempo und zu extrem günstigen Preisen in Modelle und Prototypen verwandeln. Für das Entwicklungsteam von Adidas hatte es zudem strategische Bedeutung, zu den ersten Anwendern des neuen 3D Farbdruckers zu gehören. Denn in Herzogenaurach werden neue Technologien und Prozesse entwickelt und nach erfolgreicher Einführung von Adidas-Kollegen in vielen Ländern übernommen. 4D Concepts gab dem Sportschuh-Hersteller daher die Möglichkeit, schon während der Beta-Phase des Spectrum Druckers mit der Evaluierung des neuen Systems – und damit lange vor der offiziellen Markteinführung – zu beginnen. Dabei zeigte sich, dass der 3D-Farbdrucker hinsichtlich Fertigungstempo, Detailauflösung und Betriebskosten der Konkurrenz eine Nasenlänge voraus ist. 3D Printer werden grundsätzlich in den frühen Stadien der Produktenstehungsphase eingesetzt, um mit der unkomplizierten Verfügbarkeit von Modellen die Formfindung der Konstrukteure sowie die Kommunikation zwischen den Verantwortlichen zu verbessern. So auch bei Adidas, wo die Modelle aus dem Spectrum Z510 der Bewertung von Designvarianten dienen. Dabei ist der 3D Drucker heute voll integriert in die Prozesskette der Entwicklungsarbeit. Als geradezu ideal für die Sportschuh-Entwicklung erweist sich der gegenüber den kompakteren Vorgängern deutlich größere Bauraum (356 x 254 x 203 mm) des neuen Farbdruckers.

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Prototypen-Produktion im großen Stil: Bei FKM sind fast alle Anlagentypen von EOS im Einsatz.

Frühe Ansichten
Außerdem hielt mit dem Spectrum Z510 der Farbdruck Einzug in die Entwicklungsabteilung von Adidas. Waren früher nur einfarbige Prototypen möglich, so können nun mehrfarbige Modelle gefertigt werden. Damit lassen sich die verschiedenen Funktionszonen der Sportschuhe farblich differenziert darstellen. Das vereinfacht die Bewertung von Design und Technik erheblich. Außerdem erleichtert das mehrfarbige Prototyping die interne Kommunikation.

Ein besonderes Merkmal dieses 3D-Printers ist die Kombination von hoher Baugeschwindigkeit und hoher Auflösung von 600 x 540 dpi bei Schichtdicken von nur 0,1 mm. Das ermöglicht die Fertigung filigraner Modelle mit gut differenzierten Oberflächen-Strukturen und recht hoher Detailgenauigkeit. Dabei ist der 3D Farbdrucker bezogen auf den größeren Bauraum mit zwei Schichten pro Minute deutlich schneller als die Vorläufermodelle. Zur Anfertigung einer mehrfarbigen Turnschuhsohle mit den Maßen 290 x 82 x 40 mm benötigt er lediglich eine Stunde und 45 Minuten. Der Spectrum Z510 arbeitet nach dem generativen Schichtbauverfahren mit einem Mineralpulverwerkstoff. Da der Druckprozess auf der Tintenstrahltechnik von Hewlett Packard basiert, kommen handelsübliche HP-Druckköpfe zum Einsatz. Auf Stützgeometrien kann verzichtet werden und durch Infiltration lassen sich verschiedene Werkstoffprofile einstellen. Elastische Teile entstehen durch die Infiltration von PU-Materialien; Feinstrukturen durch den Einsatz eines Polymer-Compounds. Weitere Materialeigenschaften lassen sich durch Infiltration von Wachs, Polyester oder Epoxidharz realisieren. Weiterhin überzeugt dieser 3D Drucker durch seine Wirtschaftlichkeit. Abgerundet wird dieses Vorteilsbündel durch den Rundum-Service von 4D Concepts. Bereits seit 1998 als Vertriebs- und Servicepartner von Z Corporation tätig, verfügt der deutsche Entwicklungsdienstleister über langjährige Erfahrung im 3D-Printing – unter anderem basierend auf über 120 installierten Systemen. Die rasche Bereitstellung von Verbrauchsstoffen sowie kurze Reaktionszeiten bei Wartung und Kundenunterstützung stellen die hohe Verfügbarkeit des Farbprinters in der Produktentwicklung sicher. Nicht zuletzt wegen der einfachen Bedienbarkeit der Anlagen und den geringen Materialkosten ist das 3D-Printing das prädestinierte RP-Verfahren für den Einsatz in frühen Entwicklungsphasen. Diese Vorteile versöhnen viele Anwender mit Nachteilen bei Festigkeit und Oberflächenqualität. Sind die Ansprüche in diesen Punkten höher, so empfiehlt sich ein Blick auf die beiden Klassiker unter den Technologien des Rapid Prototyping: Das Lasersintern und die Stereolithografie.

Fester Bestandteil der Produktentwicklung bei Adidas: 3D-Farbdrucker des US-amerikanischen Herstellers Z Corporation.

Trend zu großen Dimensionen
Beide Verfahren zählen zu den fest etablierten Methoden im Rapid Prototyping. Dabei ermöglicht das Schichtbau-Verfahren des Lasersinterns die Herstellung sehr stabiler und großer Funktionsmodelle. Aufgrund ihrer hohen Festigkeit lassen sich damit seriennahe Einbau- und Belastungstests fahren. Außerdem entstehen im Lasersintern heute Prototypen mit zum Teil beachtlichen Abmessungen: Ausladende Pkw-Kühlergrills, dicke Pumpentöpfe für Spülmaschinen oder komplette Einfüllstutzen für Tankanlagen.

Führender Systemhersteller auf diesem Gebiet ist das deutsche Unternehmen Electro Optical Systems (EOS). Seine zum Teil mit Doppelkopf-Lasern ausgestatteten Anlagen verfügen über Bauräume von bis zu 700 x 380 x 580 Millimetern, in denen selbst große Prototypen in wenigen Stunden zu ihrer Form finden. Dabei kann zwischen verschiedenen Werkstoffen gewählt werden, deren Eigenschaften die Herstellung seriennaher und belastbarer Funktionsteile erlaubt. Optimale Bedingungen für Entwicklungsingenieure, Konstrukteure und Designer! Als Entwicklungspartner von EOS begleitet das mittelständische Unternehmen FKM Sintertechnik mit Stammsitz im hessischen Biedenkopf die Lasersinter-Technologie seit mehr als elf Jahren. Es gilt daher als einer der maßgebender Prototyping-Dienstleister auf diesem Gebiet – und ist daher auch in der Lage, seinen Kunden die neusten Erkenntnisse auf Werkstoff- und Verfahrensseite bereit zu stellen. FKM fertigt vor allem für die Branchen Automotive, Haushaltsgeräte, Konsumgüter, Medizintechnik und Kommunikationstechnik. Über Nacht entstehen im Maschinenpark des RP-Dienstleisters dringend benötigte Prototypen für die Konstruktions- und Entwicklungsabteilungen der Hersteller. Meist handelt es sich dabei um mittelgroße Teile aus Polyamid 12, die sich durch hohe Oberflächenqualität und Detailgenauigkeit auszeichnen. Aber auch elastische Modelle mit Kautschuk-ähnlichen Eigenschaften werden immer häufiger nachgefragt. Zu den bislang wohl größten im Lasersintern realisierten Prototypen gehören dabei einteilige Innenverkleidungen für Pkw-Türen, die FKM für einen großen Automobil-Entwickler fertigte. „Der Trend im Rapid Prototyping geht ganz klar in Richtung komplette, einbaufertige Funktionsmodelle. Sie bieten den Ingenieuren und Konstrukteuren die besten Erkenntnisse über den Reifegrad einer Produktentwicklung“, sagt Geschäftsführer Jürgen Blöcher, der FKM seit 1994 gemeinsam mit Harald Henkel leitet.

Schneller Prototypenbau: Zur Anfertigung einer mehrfarbigen Turnschuhsohle benötigt der 3D-Printer weniger als zwei Stunden.

Direkt und schnell
Das Lasersintern ist im Gegensatz zur konkurrierenden Stereolithografie ein trockenes Verfahren. Dabei erstellen CO2- oder Faserlaser die Teile schichtweise aus pulverförmigem Material, das aufgeschmolzen wird und sich danach verfestigt. Das geschieht vollautomatisch und dauert – je nach Geometrie und Größe der Teile – nur wenige Stunden. Die steuerungstechnische Basis für die Laser wird aus den 3D CAD-Daten der Konstrukteure generiert. Die Anfertigung von Werkzeugen entfällt in vielen Fällen. Bei FKM sind fast alle Anlagentypen von EOS in Betrieb: Vier Eosint P700 (Doppelkopf-Laser) und vier Eosint P385 zur Fertigung von Kunststoffteilen, eine Eosint M250 Xtended für Bauteile aus Metall sowie eine Eosint S700 zur Herstellung von Modellen und Kernen aus Croning-Formsand.

Obgleich das Laser-Sintern als Methode des Rapid Prototyping entstand, entwickelt es sich derzeit auch zur Schlüsseltechnologie für das E-Manufacturing. Dieser Begriff steht für die schnelle und kostengünstige Produktion von Serienteilen auf der Basis der CAD-Daten. Und da EOS ja auch Anlagen zum Bau von Metall-Bauteilen (stahl- und bronzebasierte Werkstoffe, Kobalt-Chrom, Edelstahl) anbietet, wird das Verfahren branchenübergreifend eine ernstzunehmende Alternative für die Losgrößen angepasste Serienfertigung von Kleinteilen. Auch die „Mutter“ aller RP-Verfahren, die Stereolithografie, ist heute als Produktionstechnik für Serienteile im Gespräch. In der Produktentwicklung aber überzeugt diese Technologie vor allem wegen der extrem hohen Oberflächengüte und der hohen Genauigkeit, die sich erzielen lassen. Führender Anlagenbauer auf diesem Gebiet ist das US-amerikanische Unternehmen 3D Systems, dass seinen Deutschlandsitz in Darmstadt hat.

Quantensprung in der SLA-Technik: Die neue Viper-Anlage von 3D Systems.

Wahl des Werkstoffs
Die Stereolithografie nutzen vor allen solche Unternehmen, bei denen es darauf ankommt, Prototypen und Modelle mit feinsten Oberflächen und geometrischen Auflösungen herzustellen. Das sind beispielsweise die Schmuck- oder Medizintechnik-Industrie. Nicht zuletzt auch die Materialvielfalt, die in diesem Bereich angeboten wird, macht das Verfahren attraktiv. Man kann wohl sagen, dass es noch nie ein solch breites Spektrum an Stereolithographie-Werkstoffen gab, die für das Rapid Prototpying (und damit auch für das Manufacturing) eingesetzt werden können. Zu nennen ist dabei beispielsweise der neue Kunststoff Accura 25, ein hochgenauer, flexibler Werkstoff, der sowohl die Eigenschaften als auch die Ästhetik von Polypropylen simuliert. Damit können Funktionsmodelle und Baugruppen mit Schnappverschlüssen und auch Urformen für den Vakuumguss hergestellt werden. Für andere Anwendungen eignet sich der ebenfalls neue Accura 60 Kunststoff. Es handelt sich dabei um einen hochtransparenten, robusten Kunststoff, der die Eigenschaften und das Aussehen von Polycarbonat erreicht. Er empfiehlt sich besonders für robuste, funktionale und transparente Prototypen.

Führende Schmuckhersteller setzten zudem das kontrastreiche Material Accura Amethyst SL mit der 2005 eingeführten Stereolithograhie-Anlage Viper SLA von 3D Systems ein, um hochwertige Modelle und Urformen mit einer höchstmöglichen Detailgenauigkeit und einer einzigartigen Oberflächenqualität zu fertigen. Das Abbild der Schmuck Kreationen wird dadurch so perfekt, dass das Modell für den Guss, für die Herstellung von Gummi- und Silikonformen und zum Galvanisieren oder für andere Anwendungen eingesetzt werden kann. Das spart viel Zeit und Geld. Die erwähnte neue Anlage bewertet 3D Systems – fast 20 Jahren nach Einführung seiner ersten Stereolithographie Anlage – als „einen weiteren Quantensprung in der SLA-Technologie“. Unternehmen wie Fineline Prototyping, ein Service Provider für Rapid Prototyping und Manufacturing berichten, dass sie mit der Viper Pro Anlage, die bisher auf Stereolithographie Anlagen erzielten Bauergebnisse klar übertreffen konnten. Die flexible Anlage ist in drei Konfigurationen verfügbar, darunter eine Konfiguration mit zwei Plattformen, mit der sich Teile aus verschiedenen Materialien gleichzeitig fertigen lassen sowie eine einteilige, extragroße Bauraum-Konfiguration zur Herstellung von Teilen bis zu einer Größe von mehr als 1,5 Metern. Damit erreicht die Stereolithographie erstmalig eine mit CNC-Anlagen vergleichbare Teilegröße. Weitere zahlreiche neue Leistungsmerkmale zielen auf eine Erweiterung der Funktionalität und eine Minimierung des Zeitaufwands ab: Selbst nivellierendes Beschichtungssystem, schneller Werkstoffwechsel, Fernbedienung, automatischer Plattformwechsler sowie Webkamera und Software zur Überwachung und Aufzeichnung von Fertigungsdaten sorgen dafür, dass Unternehmen wie Fineline mit der neuen Anlage noch gezielter auf die Bedürfnisse Ihrer Kunden reagieren können. Rückmeldungen aus dem Rapid Prototyping Markt zeigen, dass in vielen Bereichen der Bedarf an großformatigen und trotzdem qualitativ perfekten Bauteilen mit höchster Detailtreue und Oberflächenqualität konstant zunimmt.

Beeindruckende Dimension: Lasergesinterter Kunststoff-Prototyp einer Pkw-Instrumententafel.

Folgekosten beachten
Die generativen Schichtbau-Verfahren spielen im Rapid Prototyping die erste Geige. In den frühen Stadien einer Produktentwicklung (Konzeptphase) behauptet sich seit Jahren das 3D-Printing, während das Lasersintern und die Stereolithografie in den späteren Phasen für seriennahe Funktionsprototypen oder als Urmodelle für Duplikationsverfahren zum Einsatz kommen. Die Entwicklung des Lasersinterns und der Stereolithografie zu vollwertigen Manufacturing-Techniken wird derzeit vor allem von EOS und 3D Systems voran getrieben. Entscheidende Innovationsimpulse kommen dabei in erster Linie von den Werkstoff-Anbietern. Wichtig: Vor einer Investitionsentscheidung unbedingt alle Verfahren mit eigenen Produktbeispielen testen und immer die Betriebs- und Materialkosten berücksichtigen. Hier gibt es große Unterschiede!

Michael Stöcker

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