Rapid Prototyping

Was ist der entscheidende Faktor bei der Herstellung von Mustern oder Prototypen? Diese Frage klingt banal – und die Antwort scheint einfach. „Der Prototyp muss bezahlbar sein und schnell verfügbar“, so lautet in der Regel die Antwort auf die Eingangsfrage. Und damit wäre auch der Faktor definiert, nämlich die Zeit. Je schneller der Prototyp realisiert wird, desto geringer sind auch die Kosten. Rapid Prototyping und Rapid Tooling sind hier die beiden Schlagworte und Verfahren, die eine Fertigung von Modellen und Prototypen in kürzester Zeit ermöglichen. Doch was bedeuten die beiden Begriffe genau?

Rapid Prototyping

Übersetzt man den Begriff aus dem Englischen in Deutsche, erhält man den „schnellen Modellbau“. Dieser Überbegriff steht für verschiedene Verfahren zur Herstellung von Musterbauteilen. Ziel beim Rapid Prototyping ist es immer, bestehende Konstruktionsdaten (CAD) ohne Umwege schnell und direkt in Werkstücke umzusetzen. Hierfür werden in der Regel Urformverfahren eingesetzt, die ein Bauteil Schicht für Schicht aus formlosen beziehungsweise formneutralen Materialien aufbauen. Neben dem 3D-Druck, der in den letzten Jahren immer mehr an Bedeutung erlangt, sind es Verfahren wie das Elektronenstrahlschmelzen, Polyamidguss, Lasersintern oder Space Puzzle Molding, die hauptsächlich zum Einsatz kommen. Aber auch das HSC-Fräsen, also Fräsen mit hohen Schnittgeschwindigkeiten und kleiner Zustellung, kommt beim Rapid Prototyping zum Einsatz.

Unterscheidungsmerkmale

Die Auswahl des Verfahrens hängt stark mit dem späteren Einsatzzweck der Werkstücke zusammen. Kurzfristig verfügbare Prototypen, die als Designmodell, Anschauungsmodell oder Fertigungsmodell dienen sollen, werden in der Regel aus Kunststoff hergestellt. Hier ist das 3D-Printing aktuell das wohl kostengünstigste Verfahren. Hochgenaue Werkstücke, die dazu noch kostengünstig produziert werden müssen und höheren Belastungen ausgesetzt werden, müssen nach wie vor aus Metall gefertigt werden – was eindeutig ein Fall für das HSC-Fräsen darstellt. Gleiches gilt für Werkzeuge, die hohen thermischen und mechanischen Belastungen ausgesetzt werden.

CAD als Grundlage

Für die schnelle und damit wirtschaftliche Fertigung von Prototypen – unabhängig von dem später gewählten Fertigungsverfahren – sind immer vorbereitete, digitale Konstruktionsdaten (CAD). Diese Daten werden ohne manuelle Eingriffe (denn diese würden das Endprodukt teuer machen) an die Maschine weitergeleitet, die anhand der Daten die Fertigung des Modells übernimmt. Die Vorteile liegen klar auf der Hand: Der Umweg über arbeitsintensive Programmiervorgänge entfällt genauso wie das noch umfangreichere Erstellen von Zeichnungen. Die Daten werden an den RP-Dienstleister übergeben, dieser verarbeitet sie und fertigt das Modell.

Nachteile

So effizient das Verfahren des Rapid Prototyping auch ist, ohne Nachteile geht es auch hier nicht. Diese Nachteile liegen allerdings nicht beim Kunden, sondern beim Anbieter. Denn die benötigte Peripherie – Maschinen, EDV, Materialien – ist in der Anschaffung und im Unterhalt vergleichsweise teuer.

Rapid Tooling

Sollen nicht Modelle, sondern Werkzeuge oder Werkzeugbestandteile schnell und günstig gefertigt werden, schlägt die Stunde des Rapid Tooling. Der „schnelle Werkzeugbau“ wird insbesondere bei der Herstellung von Kunststoffspritzwerkzeugen eingesetzt. Der wesentliche Grund für den Einsatz des Verfahrens ist die Möglichkeit, integrierte, konturnahe Kühlkanäle in die Werkzeuge oder Einsätze zu implementieren. Diese generativ hergestellten Werkzeuge sind hinsichtlich der Kühlleistung gegenüber Werkzeugen aus Vollmaterial im Vorteil, was in reduzierten Zykluszeiten und erhöhter Bauteilqualität resultiert.

Grundlagen

Immer dann, wenn mit der Technologie der additiven Fertigung Werkzeugeinsätze, Kavitäten oder Kerne hergestellt werden, spricht man vom schnellen Werkzeugbau. Mit dem Verfahren werden allerdings keine kompletten Werkzeuge, sondern nur Teile davon hergestellt. Zumeist werden Schiebereinsätze oder Kavitäten im schnellen Werkzeugbau hergestellt. Das gesamte Werkzeug entsteht erst im Nachhinein durch Zusammenbau der Einsätze und der weiteren Standardkomponenten. Die schichtenbasierte Herstellung durch additive Fertigung ermöglicht die Generierung interner Hohlstrukturen – beispielsweise den bereits angesprochenen Kühlkanälen.

Time-to-market

Präzise, schnell, kostengünstig – So lassen sich die Ansprüche an den schnellen Werkzeugbau zusammenfassen. Neben additiven Verfahren spielt auch hier das HSC-Fräsen eine große Rolle. Durch Nutzung vorliegender CAD-Daten können formgebende Werkzeugeinsätze auch extrem schnell aus Aluminium gefräst und in einer Kunststoffspritzerei verwendet werden, beispielsweise zur Fertigung von Vorserienteilen, Prototypen oder auch Serienteilen. Die erzielten kurzen Durchlaufzeiten ermöglichen eine Zeiteinsparung und somit schnellste Verfügbarkeit und Wirtschaftlichkeit.

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Formentechnik
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