Additive Fertigung

Von der Idee zum Prototyp

Ideen greifbar machen. Die Umsetzung dieses Wunsches haben sich die Hersteller von Rapid Prototyping-Anlagen zur Aufgabe gemacht. Waren die Ergebnisse vor Jahren oft noch grobe oder zerbrechliche Modelle, sind die heutigen Teile sogar als Prototypen und für Kleinserien geeignet. Auf der Messe Euromold zeigen die führenden Hersteller der Branche den Stand der Technik.

Der Rapid Prototyping-Dienstleister FKM Sintertechnik kann mit Hilfe seines umfangreichen Maschinenparks eine große Bandbreite von Prototypen unterschiedlichster Eigenschaften herstellen.

Die Frankfurter Messe Euromold bietet eine gute Gelegenheit, den aktuellen technischen Stand im Rapid Prototyping zu erkunden. Einen Besuch wert sind auf jeden Fall die Messestände der Hersteller von 3D-Druckern, denn es ist faszinierend, wie heute innerhalb weniger Stunden aus einem CAD-Modell ein Modell entsteht. Der Markt der Anbieter und der Verfahren ist überschaubar: Eine Handvoll Hersteller, ein halbes Dutzend artverwandte Verfahren und eine begrenzte Materialauswahl – im polymeren Bereich ist der Rapid Prototyping(RP)-Markt erfreulich überschaubar.

Wer seine Ansprüche und Erwartungen an Verfahren und Modelle formulieren kann, wird sicherlich schnell fündig. Bei allen relevanten RP-Verfahren zur Herstellung polymerer Prototypen handelt es sich um generative – manche sagen additive – Schichtbauverfahren. Das heißt, das entstehende Modell wächst in dünnen Lagen von meist Zehntel, selten Hundertstel Millimetern. Das geschieht in den geschlossenen Bauräumen kompakter Anlagen innerhalb weniger Stunden. Und zwar digital und direkt – also völlig ohne Formwerkzeug. Als »Lieferanten« dienen 3D-CAD-Systeme mit Geometrie- und Steuerungsdaten.

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Dominiert wird der Markt, zumindest was Anlagen und Materialien betrifft, vorwiegend von US-amerikanischen Herstellern. In den meisten Fällen repräsentieren sie – durch Patente geschützt – zugleich die entscheidenden Verfahren. Gemessen am globalen Marktanteil ist die Nummer eins Stratasys (Minneapolis) mit seiner Technologie des Fused Deposition Modeling (FDM). Zweiter Big Player ist 3D Systems (South Carolina), der Marktführer auf dem Gebiet der Stereolithografie (SLA). Der dritte im Bunde der Großen ist das deutsche Unternehmen Electro Optical Systems (EOS), international führend im Bereich der Lasersinter-Technologie. Weitere Hersteller von Rang sind Z Corporation, Objet und Envisiontec.

Design »begreifbar« machen: Mit modernen 3D-Druckern wie etwa von Z Corporation entstehen in wenigen Stunden farbige Prototypen.

Wie Ideen greifbar werden
Unternehmen, die mit dem Gedanken spielen, Rapid Prototyping-Technologien einzusetzen, sollten ein klares Bild ihrer Anforderungen haben. Als Fixpunkt gilt dabei die Frage: Für welche Aufgabe in welchem Prozessstadium der Produktentwicklung werden die Prototypen benötigt? Konstrukteure und Designer, die in der Frühphase eines Entwicklungsprojekts erste Konzept-, Ansichts- oder Iterationsstufen-Modelle wünschen, sollten die relativ preiswerten 3D-Drucker fokussieren. Damit lassen sich Modelle oft verblüffend schnell und für akzeptable Preise anfertigen. Sie eignen sich beispielsweise zur dreidimensionalen Visualisierung (be)greifbarer Entwürfe oder Konstruktionsideen.

Auch Präsentation und Ausbildung sind typische Einsatzgebiete für 3D-gedruckte Prototypen. Aber: Je nach Verfahren muss sich der Anwender mehr oder minder kompromissfähig hinsichtlich der Festigkeit und Oberflächenqualität seiner Erstlingswerke zeigen. Zudem fällt die verfügbare Werkstoff-Palette derzeit (noch) eher bescheiden aus. In der Theorie stehen 3D-Drucker als verlängerte Werkbank des 3D-CAD-Systems am Arbeitsplatz des Konstrukteurs. In der Praxis lässt sich das nicht immer realisieren. Oft sprechen ergonomische (Staub, Gerüche) und räumliche Zwänge dagegen. Was die Investition in einen 3D-Drucker aber überaus attraktiv macht, ist die Kombination von Schnelligkeit, simpler Bedienung und niedrigen Anschaffungskosten.

Verfahren und Werkstoffe bestimmen das Ergebnis
Die Projet-Drucker von 3D Systems bauen – mit Hilfe der Inkjet-Technik von Xerox – aus einer kleinen Auswahl photoreaktiver Acrylharze blaue, graue oder transluzente Modelle. Sie erzielen mit Auflösungen von bis zu 656 x 656 x 800 dpi und Schichtdicken von 0,016 bis 0,030 mm beeindruckend feine Oberflächen. Die gute Materialfestigkeit erlaubt bereits in frühen Entwicklungsstufen die Realisierung dünnwandiger Prototypen mit funktionellen Merkmalen (Scharniere, Gelenke). Wegen ihrer Oberflächen- und Detailqualität eignen sie sich auch zur Herstellung von Urmodellen für den Vakuumguss. Nachteilig ist, dass aus photoreaktiven Kunstharzen hergestellte Prototypen naturgemäß nicht lichtbeständig sind; sie verblassen nach einiger Zeit. Außerdem gehören die Anlagen mit einem Baufortschritt von 1,0 bis 10 mm pro Stunde zu den langsameren unter den Schnellen. Ein Grund hierfür ist die hohe Auflösung, die längere Laufzeiten bedingt.

Der ZPrinter 650 des Herstellers Z Corporation. Konzipiert als kompaktes All-in-One-System ist der neue 3D-Farbdrucker hoch automatisiert und arbeitet bis zu zehn Mal schneller als die Anlagen anderer Hersteller. Mit seinem großem Bauraum, einer hervorragenden Auflösung und einem einzigartigen Farbmanagement setzt er einen neuen Maßstab im 3D-Farbdruck.

Die 3D-Drucker von Objet arbeiten nach dem Polyjet- oder Polyjet-Matrix-Verfahren. Hier bietet der Connex-Printer der Israelis ein überaus schätzenswertes Plus: Er ermöglicht das synchrone Verarbeiten zwei verschiedener Photopolymere, womit sich schöne Hart-Weich-Kombinationen und Materialverbunde realisieren lassen. Mit Auflösungen von bis zu 600 x 600 x 1600 dpi und Schichtdicken von nur 0,016 mm erzielen auch diese Anlagen prima Oberflächen und hohe Detailgenauigkeiten. Pünktlich zur Euromold präsentiert das Unternehmen zudem sein neues Tischmodell namens Alaris (Bauraum: 300 x 200 x 150 mm) für Einsteiger. Mit dessen Auflösung von 600 x 600 dpi und einer Schichtdicke von nur 0,028 mm lassen sich Prototypen mit Wandstärken von 0,6 mm anfertigen.
Weltweit sehr große Verbreitung haben die Dimension-Drucker von Stratasys, die nach dem FDM-Verfahren arbeiten und Schichtdicken zwischen 0,18 bis 0,33 mm erreichen. Ihr Vorteil ist der Bau von Prototypen aus ABS, die sich durch Festigkeit (bis zu 80 Prozent des späteren Spritzgussteils), Temperaturbeständigkeit, Lebensdauer und eine meist ausreichend hohe Genauigkeit auszeichnen. Einschränkungen muss der Anwender hier beim Bautempo hinnehmen. Die Dimension-Drucker arbeiten etwas langsamer als die Geräte von Objet oder 3D Systems.

In Farbe oder Tief-Schwarz
Die Nase vorn im Bezug auf Tempo hat der neue 3D-Drucker Z Printer 650 von Z Corporation, der ebenfalls zur Euromold präsentiert wird. Er ist hoch automatisiert, druckt vielfarbig und baut bis zu zehn Mal schneller als die Konkurrenz. Zum Prototyping eines bunten Handheld-Messgeräts benötigt dieser Drucker nur gut eine Stunde – bei einer Auflösung von immerhin 600 x 540 dpi. Derzeit einzigartig ist auch sein Farbsystem: Wie üblich bei den Produkten aus Boston basiert es auf der Tintenstrahltechnik von HP, wurde aber um einen fünften Druckkopf erweitert. Damit steht dem Prototyping nicht nur das volle 24-bit-Farbspektrum zur Verfügung, sondern auch die Möglichkeit zur Fertigung homogen schwarzer Modelle, was vor allem Automotive-Konstrukteure erfreut. Hand in Hand mit der passablen Auflösung lässt sich eine Farbqualität erreichen, die den Bau optisch ansprechender Designmodelle mit randscharfen Beschriftungen und feinen Farbübergängen (FEM- und Stoffflussmodelle!) gestattet. Vielfarbigkeit, Tempo und Kosteneffizienz (Einstieg ab 25.000 Euro) machen den Charme dieser 3D-Drucker aus. Viele Anwender versöhnt das mit den Einschränkungen hinsichtlich Festigkeit und Oberflächenglätte der aus einem Gips-Polymer-Compound bestehenden Prototypen. Dieses Manko lässt sich bis zu einem gewissen Grad durch die nachträgliche Kunstharz-Infiltration kompensieren; und auf diesem Weg können sogar elastische Modelle erzeugt werden. Aber die Wettbewerber sind hier in punkto Stabilität und Oberflächengüte besser aufgestellt.

Mit Blick auf die Kleinserie
Je höher die Ansprüche an die Prototypen sind, um so eher sind Anwender geneigt, sich den klassischen RP-Technologien zuzuwenden. Hier sind die Verfahren Lasersintern, die Stereolithografie (SLA) sowie das Fused Deposition Modeling (FDM) zuhause. Jedes dieser Verfahren hat zwar seine Stärken und Schwächen; prinzipiell aber eignen sich alle drei zum Bau belastbarer Funktionsmodelle für serien- und realitätsnahe Testreihen und Einbauversuche.

Ein echter »Desktop 3D-Drucker«: Objet präsentiert das kompakte Modell Alaris 30 auf der diesjährigen Euromold.

Lasersintern, SLA und FDM sind die RP-Verfahren für die Haupt- und Reifephasen einer Produktentwicklung. Die physikalische und optische Qualität der mit diesen Techniken realisierten Prototypen erreicht inzwischen ein so hohes Niveau, dass sie im Bereich polymerer Kleinserien hier und da bereits mit traditionellen Verfahren der Serienproduktion konkurrieren – was dann als Rapid-, Digital- oder E-Manufacturing tituliert wird. Das Lasersintern baut die Prototypen mit Hilfe von CO2- oder Faserlasern aus Kunststoffpulvern. Die Stereolithografie lässt die Modelle in einem Bad aus photoreaktiven Kunstharzen heran wachsen. Und beim FDM bestehen sie aus thermisch verschmolzenem ABS oder PC.

Im Vergleich zu den 3D-Druckern verfügen sie über größere Bauräume und arbeiten schneller. Entscheidender ist aber, dass für diese RP-Anlagen eine größere Auswahl an Werkstoffen bereit steht. Das Lasersinter-Verfahren nutzt vorwiegend Polyamid-Pulver (PA11, PA12) in verschiedenen Varianten – mal auf Aluminium-Optik getrimmt, mal zwecks höherer Festigkeit mit Glaskügelchen oder Carbonfasern angereichert, mal schwarz eingefärbt, mal mit hoher Bruchdehnung, einer erhöhten Steifigkeit oder mit gummiartiger Elastizität ausgestattet.

3D Systems präsentierte kürzlich ein neues Lasersinter-Material für Anwendungen, in denen traditionell Polypropylen zum Einsatz kommt. Und anderenorts in Entwicklung sind derzeit ein inhärent schwarzes PA12 sowie ein sterilisierbares Hochtemperatur-Polymer.

Das Lasersintern ermöglicht über die Anfertigung von Designmustern hinaus die Herstellung relativ großer, stabiler, biegesteifer und filigraner Prototypen – etwa kompletter Armaturentafeln fürs Automobil, Fluidtechnik-Gehäuse für Pumpen oder flexibler Verbindungselemente für die Medizintechnik.

Das Verfahren erreicht eine Auflösung von etwa 0,1 mm und es sind Wandstärken von bis zu 0,5 mm erzielbar. Ein aus Polyamid lasergesinterter Prototyp hat (beispielsweise im Gegensatz zu einem FDM-Bauteil) eine relativ gleichmäßige Festigkeit in alle Richtungen sowie eine recht hohe Form- und Lichtbeständigkeit.

Viele Neuerungen auf der Euromold
Eine ähnliche breit gefächerte Werkstoff-Auswahl wie das Lasersintern bietet eigentlich nur noch die Stereolithografie. Für dieses Verfahren, dessen Stärke vor allem in der Realisierung exzellenter Oberflächenqualitäten liegt, gibt es neben dem transparenten Basismaterial auch diverse Kunstharze mit ABS- oder PC-ähnlichen Eigenschaften sowie einen Nanoverbund-Werkstoff mit hoher Steifigkeit und Temperaturbeständigkeit. Auf der Euromold präsentiert 3D Systems zudem ein Kunstharz zur Fertigung durchsichtiger Prototypen wie etwa Pkw-Scheinwerfern. Die kleinste Werkstoff-Auswahl bietet die FDM-Technologie von Altmeister Stratasys. Hiermit können verschiedene ABS und PC-ABS-Materialien in diversen Farben verarbeitet werden, die neben ihrer hohen Festigkeit eine Temperaturbeständigkeit von bis zu 135°C erreichen. Außerdem gibt es zwei biokompatible ABS- und PC-Werkstoffe sowie ein bis zu 200°C hitzebeständiges PPSF. Neben allerlei Werkstoff-Überraschungen ist zur Euromold diesmal mit einigen Anlagen-Innovationen zu rechnen. Ein Besuchermagnet wird sicher die neue SLA-Anlage von 3D Systems sein, die sich laut Hersteller zur »Fertigung ultrahoch auflösender Teile mit außergewöhnlicher Wiederholgenauigkeit in Werkzeugmaschinen gewohnter Qualität« eignet. Sie wird in drei Konfigurationen angeboten, bietet in der XL-Version einen riesigen Bauraum von 1500 x 750 x 550 mm sowie die Möglichkeit, zeitgleich Bauteile in zwei verschiedenen Werkstoffen zu bauen. Außerdem präsentiert das Unternehmen eine lang erwartete 3D-Drucker-Variante zur Herstellung von feinen Wachs-Modellen für den Feinguss. Und neben weiteren Upgrade-Lösungen für bestehende Systeme (schneller, flexibler, größer) wird vermutlich eine auf medizintechnische Anwendungen maßgeschneiderte Spezialanlage aus bekannten Hause für großes Aufsehen sorgen.

Wie es fast schon gute Tradition ist, hat sich die Rapid Prototyping Branche auch auf der diesjährigen Euromold wieder in Halle 8 versammelt. Wer also auf der Messe die richtigen Gesprächspartner sucht, darf sich zumindest über kurze Wege freuen.

Wie tief sich die Hersteller dann in die Karten schauen lassen, richtet sich nicht nur nach den doch sehr unterschiedlichen »Unternehmensmentalitäten«, sondern hängt auch davon ab, dass man die richtigen Fragen stellt. Zum Beispiel jene nach möglichen thermischen Problemen, nach der durchschnittlichen Ausschussquote, nach der tatsächlichen Bauraum-Ausnutzung, nach der Wiederverwendbarkeit von Material-Restmengen oder auch die Frage nach dem Aufwand für die Nachbearbeitung der Prototypen. Letzterer fällt nämlich bei allen Verfahren an: Lasergesinterte Modelle müssen vom Pulverkuchen, SLA-Prototypen von Kunstharzresten und FDM-Teile von Stützstrukturen befreit werden.

Auch die Frage nach den Betriebskosten der verschiedenen RP-Anlagen sollte angesprochen werden. Warum sich hier mancher Hersteller sträubt, verlässliche Angaben zu machen und stattdessen allgemein auf den Entwicklungsprozess »als Ganzen« verweist, ist nicht immer nachvollziehbar. -sg-

3D-Drucker
Z Corporation, MA 01803, Tel. 001/781/852-5005, http://www.zcorporation.com Euromold: Halle 8.0, Stand A72

Stratasys, Frankfurt am Main, Tel. 069/9943-0, http://www.stratasys.com, http://www.dimensionprinting.com Euromold: Halle 8.0, Stand M10

3D Systems, Darmstadt, Tel. 06151/357-0, http://www.3dsystems.com Euromold: Halle 8.0, Stand G154

RTC, Hofheim, (Objet Vertrieb), Tel. 06198/5017-67, http://www.rtc-germany.com Euromold: Halle 8.0, Stand H148

Envisiontec, Gladbeck, Tel. 02043/9875-0, http://www.envisiontec.de Euromold: Halle 8.0, Stand F134

RP-Anlagen/RP–Dienstleistungen
Alphacam, Schorndorf, Tel. 07181/9222-0, http://www.alphacam.de Euromold: Halle 8.0, Stand M10

EOS, Krailling, Tel. 089/89336-0, http://www.eos.info Euromold: Halle 8.0, Stand F70

4D Concepts, Groß-Gerau, Tel. 06152/9231-0, http://www.4dconcepts.de Euromold: Halle 8.0, Stand G155

FKM Sintertechnik, Biedenkopf-Wallau, Tel. 06461/9809-0, http://www.fkm-sintertechnik.de Euromold: Halle 8.0, Stand J70

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