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Alles, was Sie über Rapid Prototyping im 3D-Druck wissen müssen

Am 18. April 2024 von Astrid Z. veröffentlicht

Die Produktentwicklung zeigt ständig mit neuen, innovative Ansätzen auf, um die Kluft zwischen Ideen und Realität zu überbrücken. Rapid Prototyping (RP) hat sich in diesem Bereich zu einem leistungsfähigen Werkzeug entwickelt, das Kreativität und Effizienz fördert. Im Kern ist Rapid Prototyping eine Methode, die den traditionellen Designprozess revolutioniert und eine schnelle Iteration und Prüfung von Ideen durch die Erstellung von greifbaren Prototypen ermöglicht. Auf diese Weise können Designer und Ingenieure frühzeitig wertvolles Feedback erhalten und Vorschläge schnell umsetzen, was letztlich zu einem besseren, zuverlässigeren Endprodukt und einer höheren Benutzerzufriedenheit führt. Im Folgenden tauchen wir tief in die Welt des Rapid Prototyping ein und konzentrieren uns dabei insbesondere auf seine Anwendung im Bereich des 3D-Drucks.

Was genau ist Rapid Prototyping? Das Verfahren umfasst den schnellen 3D-Druck von nicht endgültigen, physischen Modellen aus digitalen Entwürfen, was ein schnelles Testen und Verfeinern von Teilen und Ideen auf der Grundlage von Feedback und Ergebnissen aus der realen Welt ermöglicht. Die erste Anwendung von RP fällt mit dem Aufkommen der additiven Fertigung in den frühen 1980er Jahren zusammen. Ursprünglich wurde RP für die schnelle Herstellung von Werkzeugen und Prototypen in der Industrie, z. B. in der Automobil– und Luft- und Raumfahrtindustrie, eingesetzt. Durch die kontinuierlichen Verbesserungen in der 3D-Drucktechnologie wurde RP für ein breiteres Spektrum von Branchen und Anwendungen wesentlich zugänglicher und erschwinglicher. Heute hat RP in der additiven Fertigung bedeutende Innovationen ermöglicht und wird als flexibles und effizientes Mittel in der Produktentwicklung geschätzt, was zu entscheidenden Fortschritten in einer Vielzahl von Bereichen geführt hat.

3D-gedruckte Prototypen aus Metall. (Bild: Wayken Rapid Manufacturing)

So funktioniert Rapid Prototyping

Wie alle 3D-Druckverfahren beginnt auch das Rapid Prototyping mit AM mit der Erstellung eines digitalen Entwurfs in einer CAD-Software. Sobald der Entwurf fertiggestellt ist, wird er an den 3D-Drucker gesendet, der den Prototyp mit Thermoplasten, Harzen, Metallen oder Verbundwerkstoffen drucken kann. Das Ergebnis ist eine 3D-gedruckte, funktionale Darstellung, die dem geplanten Endteil sehr nahe kommt. Der Hauptvorteil dieses Verfahrens besteht darin, dass es den Designern die Möglichkeit gibt, ihre Ideen gründlich und schnell zu testen.

Für das Rapid Prototyping stehen verschiedene Druckverfahren zur Verfügung, die je nach den Anforderungen der Nutzer an Optik, Materialeigenschaften und Funktionalität unterschiedliche Vorteile bieten. Bei der Wahl des am besten geeigneten Verfahrens gilt es, die jeweiligen Kompromisse abzuwägen und sie mit den spezifischen Anforderungen des Projekts in Einklang zu bringen.

Bild: Additive Manufacturing Global

Unter diesen Verfahren ist das Fused Deposition Modeling (FDM) weit verbreitet, obwohl es im Vergleich zu anderen 3D-Druckverfahren aus Kunststoff eine relativ geringere Auflösung und Genauigkeit aufweist, was seine Fähigkeit zur Erstellung komplizierter Designs einschränken kann. Die Stereolithografie (SLA) wird häufig für Prototypen bevorzugt, die eine hohe visuelle Ästhetik erfordern, obwohl die Auswahl an kompatiblen Materialien begrenzt ist und sie eine umfangreiche Nachbearbeitung erfordert. Selektives Lasersintern (SLS) zeichnet sich durch seine Fähigkeit aus, schnelle, qualitativ hochwertige Drucke mit funktionalen Teilen zu liefern, ist aber ähnlich wie SLA mit Einschränkungen bei den Materialoptionen verbunden. Multi Jet Fusion kann eine detaillierte visuelle Ausgabe beim Prototyping mit mehreren Materialien bieten, ist aber wesentlich teurer.

Obwohl weniger populär, ist es auch möglich, Prototypen mit 3D-Metalldruck herzustellen. Das Verfahren der Direkten Energieabscheidung (Direct Energy Deposition, DED) beispielsweise ist zwar aufgrund seines industriellen Charakters kostspielig, bietet aber die Möglichkeit, Metalldrucke mit nahezu Nettoform herzustellen. Dies hat es trotz seiner Kosten zu einer attraktiven Wahl für die Herstellung von Prototypen in einigen Anwendungen gemacht, auch wenn dies nicht die Hauptanwendung der Technologie ist. In ähnlicher Weise bietet das Direkte Metall-Lasersintern (DMLS) robuste und funktionale Teile, allerdings zu höheren Materialkosten und mit einem begrenzten Bauvolumen.

Arten von Prototypen

Aber welche Arten von Rapid Prototyping gibt es? Low-Fidelity-Prototypen, besser bekannt als Proof-of-Concept-Prototypen, stellen die früheste und einfachste Stufe des Prototyping dar. Bei diesen Prototypen liegt der Schwerpunkt auf den wichtigsten Funktionen, wobei der visuelle Aspekt des Teils kaum oder gar nicht berücksichtigt wird. Auch wenn Ästhetik und Benutzerfreundlichkeit zu diesem Zeitpunkt nicht im Vordergrund stehen, können die Geschwindigkeit und die Erschwinglichkeit des 3D-Drucks bei der Erstellung dieser POC-Prototypen von Vorteil sein. Hier kommt vorrangig das FDM-Verfahren zum Einsatz.

Bei visuellen Prototypen, die auch als Erscheinungsprototypen (appearance prototypes) bezeichnet werden, steht die Ästhetik mehr im Vordergrund als die Funktionalität. Diese Modelle dienen dazu, das beabsichtigte Aussehen und die Haptik eines Produkts zu zeigen, einschließlich Faktoren wie Form, Größe, Farbe und Oberflächenstruktur. Häufig wird die Photopolymerisation oder das Material-Jetting eingesetzt.

(Bild: 3ERP)

Im Gegensatz dazu steht bei Funktions- oder Arbeitsprototypen die Funktionalität im Vordergrund, ohne Rücksicht auf die Ästhetik. Die Designer nutzen diese Prototypen, um einzelne Funktionen zu testen, eine nach der anderen. So können sie überprüfen, ob diese Merkmale gut funktionieren, bevor sie in das Endprodukt integriert werden. Dies eignet sich möglicherweise besser für SLS oder DMLS.

Nicht zuletzt sind technische oder Vorserienprototypen die Krönung aller früheren Iterationen, da sie zuvor erzielte Erkenntnisse in ein fast fertiges, endgültiges Modell integrieren. Diese Prototypen können mehreren Zwecken dienen, u. a. der Gewinnung von Kunden und Investoren und dem Aufbau von Partnerschaften mit Vertriebshändlern und Herstellern.

Industrielle Anwendungen von Rapid Prototyping

Die Vielseitigkeit des Rapid Prototyping erstreckt sich über ein breites Spektrum von Branchen, die alle von diesem Verfahren profitieren, um die Entwicklung zu rationalisieren und die Produktinnovation zu verbessern. In Hochleistungsbranchen wie der Luft- und Raumfahrt und der Automobilindustrie spielt RP eine entscheidende Rolle bei der Entwicklung und Prüfung komplizierter Komponenten.

Luft- und Raumfahrtingenieure nutzen das Rapid Prototyping häufig, um leichte, komplexe physische Prototypen von Komponenten wie Turbinenschaufeln, Flügel- und Satellitenbefestigungen für Tests zu erstellen. Auf diese Weise lassen sich die Leistung, Haltbarkeit und Aerodynamik des endgültigen Teils unter realen Bedingungen beurteilen. In ähnlicher Weise nutzen Automobilhersteller RP, um Prototypen für Fahrzeugteile wie Getriebe, Motorkomponenten und aerodynamische Karosserieteile zu entwickeln und zu testen, was schnelle Anpassungen vor der Massenproduktion ermöglicht.

3D-gedruckter Prototyp von einem Motorradrahmen. (Bild: Jian Hong Prototype)

Das Rapid Prototyping hat auch den medizinischen Bereich revolutioniert und ermöglicht die Herstellung von maßgeschneiderten Implantaten und Prothesen, die genau auf die Bedürfnisse des einzelnen Patienten zugeschnitten sind. Chirurgen können dieses Verfahren beispielsweise nutzen, um personalisierte Knochentransplantate zu drucken, die der einzigartigen Anatomie eines Patienten entsprechen, oder um Modifikationen an Prothesen vorzunehmen, die sich leicht in den Körper integrieren lassen. Darüber hinaus ermöglicht das Rapid Prototyping die Entwicklung komplexer medizinischer Geräte, einschließlich chirurgischer Instrumente und patientenspezifischer anatomischer Modelle, die für Trainingssimulationen und chirurgische Live-Eingriffe entscheidend sind.

Mit der zunehmenden Popularität des Rapid Prototyping hat sich sein Einsatz über industrielle und medizinische Anwendungen hinaus ausgeweitet. In der Mode- und Schmuckbranche greifen Designer zunehmend auf Rapid Prototyping zurück, um ihre kreativen Fähigkeiten zu verbessern und ihre Entwürfe effektiver zu realisieren. Wie Ingenieure aus der Luft- und Raumfahrt und der Automobilindustrie nutzen auch diese Designer die Geschwindigkeitsvorteile des Rapid Prototyping. So können sie problemlos Kleidungsstücke in verschiedenen Variationen entwerfen, um mit den sich entwickelnden Trends Schritt zu halten und die Vorlieben verschiedener Kundensegmente zu erfüllen, ohne dass umfangreiche Umrüstungen erforderlich sind.

Das 3D-gedruckte „Spider Dress“ der Designerin Anouk Wipprecht. (Bild: Anouk Wipprecht)

Vorteile von Rapid Prototyping

Rapid Prototyping bietet mehrere einzigartige Vorteile, die den Produktentwicklungsprozess erheblich beeinflussen. Einer der bemerkenswertesten Vorteile liegt in der Fähigkeit, die Geschwindigkeit und Effizienz von Arbeitsabläufen zu verbessern, da es den Entwicklungszyklus erheblich beschleunigen kann. Wenn sich Designer und Ingenieure dem 3D-Druck zuwenden, können sie ihre digitalen Entwürfe mithilfe des Rapid-Prototyping-Verfahrens schnell in physische Prototypen umsetzen und so die Zeit verkürzen, die erforderlich ist, um ein Produkt vom Konzept bis zur Marktreife zu bringen. Diese erhebliche Verkürzung der Durchlaufzeit kann Unternehmen dabei helfen, ihren Konkurrenten einen Schritt voraus zu sein und ihre Flexibilität und Wettbewerbsfähigkeit zu verbessern, sodass sie auf sich ändernde Marktanforderungen und Verbraucherpräferenzen reagieren können.

Darüber hinaus kann Rapid Prototyping einen iterativen Designprozess vorantreiben, der es ermöglicht, ein breites Spektrum an Designs und Konzepten innerhalb eines engen Zeitrahmens zu erforschen. In der Vergangenheit bedeutete die Produktentwicklung oft, dass man auf das endgültige Produkt warten musste, bevor man das entscheidende Feedback der Nutzer erhielt, was häufig zu Verzögerungen und möglichen Nacharbeiten führte. Im Gegensatz zu herkömmlichen Fertigungsmethoden ermöglicht das Rapid Prototyping in Verbindung mit dem 3D-Druck sofortige Anpassungen und die Umsetzung von Feedback und Testergebnissen. Das Ergebnis ist ein Designprozess, der die Innovation und Verfeinerung des Produkts fördert, da durch vermehrtes Experimentieren mit verschiedenen Geometrien, Funktionen und Materialien das endgültige Teil optimiert werden kann.

In Verbindung mit dem 3D-Druck ermöglicht das Rapid Prototyping Designern und Ingenieuren, digitale Entwürfe und physische Prototypen in kürzester Zeit zu erstellen und so die Massenproduktion zu beschleunigen. (Bild: Formlabs)

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*Titelbildnachweis: Formlabs

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