Rapid Prototyping

1. Einführung
2. Entwicklungsgeschichte
3. Anwendungen von RP-Verfahren
4. Grundsätzliches zum Verfahren
5. Klassifizierung und Beschreibung
6. Rapid Tooling
1. Einführung
Mit Rapid Prototyping (RP) werden Produktionsverfahren bezeichnet, welche Werkstücke (Modelle, Werkzeuge) automatisch nach vorgegebenen Modelldaten aufbauen. Um den Gegensatz zu den subtraktiven Computer Numeric Controlled (CNC)-Verfahren, welche Werkstücke aus einem Materialblock herausarbeiten, zu betonen, werden RP-Verfahren auch als additive Verfahren bezeichnet. Die Bezeichnung Rapid Prototyping beruht darauf, dass zu Beginn der Entwicklung Ende der achtziger, Anfang der neunziger Jahre die Modelle im Gegensatz zu den CNC-Verfahren relativ schnell gefertigt werden konnten. Aufgrund der fragilen Materialeigenschaften waren die Modelle aber nur zur Verwendung als Prototypen geeignet. Da sich die Eigenschaften der Modelle durch neue Materialien und Verfahren wesentlich verbessert haben, wurde auch deren Anwendungsbereich erweitert (Bau von Negativformen, Werkzeugen, Kleinserien). Mit den erweiterten Anwendungs- und Herstellungstechniken wurde auch eine Vielzahl neuer Bezeichnungen vorgeschlagen. Keiner der neuen Begriffe konnte sich aber durchsetzen.
2. Entwicklungsgeschichte
Die zweite Hälfte des zwanzigsten Jahrhunderts ist geprägt von einer rasanten Entwicklung der Computertechnologie. Aus den ursprünglichen Rechenmonstern wurden dank Mikroprozessoren handliche Kleinrechner, persönliche Computer und leistungsstarke Arbeitsplatzrechner. Die verbesserte Rechen- und Graphikleistung von Mikroprozessoren ermöglichte sowohl den Einsatz von 3D-CAD (Computer Aided Design) Werkzeugen zur Generierung der Modelldaten als auch die Steuerung der automatischen Herstellungsverfahren.

Bei den RP-Verfahren ist die Formenvielfalt durch den schichtweisen Aufbau der Modelle je nach Bauprozess wenig bis gar nicht beschränkt. Das erste RP-Verfahren, das zur Marktreife gelangte, war die Stereolithographie. Dieses beruht auf einem Bauverfahren, welches bereits seit langem zur schnellen Beschichtung von Folien, Platten etc. verwendet wird. Dabei werden Harze verwendet, welche durch Einstrahlung von Licht sehr schnell aushärten (polymerisieren). Anfang der achtziger Jahre begann Charles W. Hull bei der Firma UVP (Ultra Violet Products) in Kalifornien mit Versuchen durch übereinanderhärten von Harzschichten ein 3D-Modell aufzubauen. 1986 wurde sein als StereoLithography (SL) bezeichnetes Verfahren in den USA patentiert. Ähnliche Verfahren waren gleichzeitig auch in Frankreich und Japan entwickelt und patentiert worden. Der von Hull gegründeten Firma 3D-Systems gelang es aber als erste ein marktfähiges Produkt zu entwickeln. Im November 1987 wurde die erste Maschine (SLA 1) an der AutoFact in Detroit vorgestellt und im Frühjahr 1988 wurden die ersten Maschinen ausgeliefert.

3. Anwendungen von RP-Verfahren
Das Hauptanwendungsgebiet von RP ist die Fertigung von Modellen und Prototypen komplexer, technischer Bauteile. Durch das Verfahren können Produktentwicklungen in Bezug auf Zeit, Kosten und Design deutlich optimiert werden. Die Verwendung von CAD-Werkzeugen im Designprozesses ist zum Standard geworden und kommt heute immer häufiger in sehr frühen Projektstadien des zum Einsatz. Durch die direkte Verwendung der dabei erzeugten Daten für den "automatisierten" Modellbau werden Kosten und Zeit eingespart. Gleichzeitig erhält der Designer bessere (einfachere) Möglichkeiten den Entwurf an dreidimensionalen Modellen zu überprüfen und zu optimieren. Je nach Projektstadium, Einsatz und Verwendung des Modells unterscheiden sich die Anforderungen an das RP-Verfahren.
Modelltypen
Proportions-Modelle:
Zeigen die Form und Proportionen eines Bauteils. Werden schnell und preisgünstig hergestellt. Anforderungen an Material, Oberflächenqualität und Detailgenauigkeit sind gering.

Design-Modelle (Ikonische Modelle):
Dienen der optischen Beurteilung eines Modells oder Entwurfs. Die Anforderungen an das Material sind gering, die Anforderungen an Oberflächenqualität und Detailgenauigkeit sind hoch.

Ergonomie-Modelle:
Zeigen die Bedienungs- und Anwendungseigenschaften eines Modells. Anforderungen an Material sind mittel, an Oberflächenqualität hoch und an Detailgenauigkeit gering.

Funktions-Modelle:
Dienen der überprüfung einzelner Eigenschaften oder Funktionen des Endprodukts (z.B. Passgenauigkeit, Funktionalität, physikalische Eigenschaften). Anforderungen an Material, Oberflächenqualität und Detailgenauigkeit sind je nach Anwendung unterschiedlich.

Technische-Prototypen:
Müssen alle Funktionsanforderungen des Endprodukts erfüllen. Hohe Anforderungen an Material, Oberflächenqualität und Detailgenauigkeit.
4. Grundsätzliches zum Verfahren
Auch wenn die Modelle der verschiedenen RP-Verfahren hinsichtlich iher Eigenschaften (Material, Oberflächenqualität, Festigkeit...) sehr voneinander abweichen, beruht ihre Erzeugung jedoch auf dem gleichen Funktionsprinzip: Die computergenerierte dreidimensionale Geometrie wird entlang der Z-Achse (Höhe) in gleichmäßige Abständen geschnitten. Dadurch entsteht eine Vielzahl zweidimensionaler Geometrien (X,Y), die durch das jeweilige Verfahren der RP-Maschine erzeugt und aufeinandergeschichtet werden. Durch die Höhe der Schichten (die den Abständen der Schnitte entspricht) entsteht das dreidimensionales Modell. Die Höhe der Schichten beschreibt gleichzeitig die Auflösung des Modells entlang der Z-Achse: Je dünner die Schichten desto höher die Auflösung und Oberflächenqualität des Modells aber desto mehr Zeit nimmt der Bau des Modells in anspruch. Die heute üblichsten RP-Verfahren bieten eine minimale Schichthöhe von 0,1mm - 0,15mm. Je nach Projektstadium, Einsatz und Verwendung des Modells unterscheiden sich die Anforderungen an das RP-Verfahren.
5. Klassifizierung und Beschreibung

RP-Verfahren lassen sich nach dem verwendeten Bauverfahren und den Baumaterialien klassifizieren. Wir verwenden als Hauptmerkmal die Form des Baumaterials: Flüssige Form, Pulverform, Geschmolzene Form, Feste Form

5.1. Flüssige Form

Flüssige Materialien werden als reaktive Harze verwendet, welche durch zuführen einer Startenergie (meist in Form von UV-Licht) lokal polymerisieren. Auf lichthärtenden (photopolymerisierenden) Harzen beruhende Verfahren liefern bis heute die exaktesten RP-Modelle. Die Modelle sind aber auf polymerisierende, also plastikartige Materialien beschränkt.

Stereolithographie (SL)
Die Stereolithographie verwendet für den Schichtaufbau ein photoreaktives Harz, welches bei Einstrahlung von UV-Licht einer bestimmten Wellenlänge polymerisiert. Mit einem auf die Harzoberfläche fokussierten UV-Laserstrahl, welcher von exakt geführten Spiegeln gesteuert wird, werden die Schichtinformationen des Modells in das Harz gehärtet. Da die Energie des UV-Lichts exponentiell zur Eindringtiefe abnimmt, wird durch die Bewegungsgeschwindigkeit des Laserstrahls die Energiemenge pro Flächeneinheit und damit die Polymerisations- oder Einhärtetiefe (Curedepth) genau festgelegt. Die erste Schicht, welche meist aus einem groben Raster besteht, wird auf eine in der Höhe (z-Richtung) verstellbare Plattform gehärtet, die sich für diese erste Schicht ganz an der Harzoberfläche befindet. Danach wird die Plattform um eine festgelegte Schichtdicke (Layerthickness) abgesenkt. Mit einem Wischer wird eine neue glatte Harzschicht aufgetragen. Die Schichtdicke kann mit den heutigen Systemen zwischen 0.05 und 0.7 mm variiert werden und hängt von der geforderten Genauigkeit und von der Filigranität des Modells ab.

Solid Ground Curing (SGC)
Das Solid Ground Curing (SGC) Verfahren der israelischen Firma Cubital verwendet für den Härtungsprozess nicht einen gebündelten Laser, sondern UV-Lampen, welche die Schichtstruktur durch eine Maske belichten. Das Verfahren beruht auf zwei parallelen Arbeitszyklen: Im ersten Zyklus (Masken-Zyklus) wird mit einem Photokopiersystem die Aushärtmaske auf einer Glasplatte entwickelt und nach dem Belichtungsprozess wieder entfernt. Im zweiten Zyklus (Schichtbau-Zyklus) wird eine Schicht photoreaktives Polymerharz auf die bestehenden Schichten aufgetragen und dann durch die vorbereitete Maske belichtet. Danach wird das nicht belichtete, flüssige Harz abgesaugt und durch flüssiges Wachs ersetzt. Um die entstandene Schicht auf eine exakte Höhe zu bringen und überflüssiges Wachs auf den Polymeren zu entfernen wird anschliessend die gesamte Schicht um eine gewisse Tiefe abgefräst. Das fertige Modell wird mit warmem Wasser aus dem Wachsblock herausgelöst.

5.2. Pulverform

Materialien in Pulverform werden in zwei grundlegend verschiedenen Arten verarbeitet. Einerseits durch Lasersintern (anschmelzen und verbinden des Pulvers mit einem energiereichen Laserstrahl), andererseits durch Verbinden des Pulvers mit einem Bindemittel, welches durch Düsen aufgetragen wird. Dem Modellbau steht durch diese Verfahren eine breite Materialpalette von Wachs, PVC, Nylon bis Keramik und Metallen zur Verfügung.

Selective Laser Sintering (SLS):
Das erste Lasersinter-Verfahren, das sogenannte Selective Laser Sintering (SLS), wurde von der Firma DTM Corperation entwickelt. Der Teileaufbau erfolgt schichtweise an der oberfläche eines Pulverbettes des Zielwerkstoffes. Mit einem Roller werden auf einer in z-Richtung verschiebbaren Plattform dünne Pulverschichten aufgetragen, in welche durch einen Infrarotlaser die Schichtkonturen gehärtet werden. Grundsätzlich sind alle thermisch reagierenden Materialien verarbeitbar. Neben Wachsen und Nylon werden auch Metallpulver verarbeitet. Diese enthalten ein Bindermaterial, welches sich sintern lässt und anschliessend bei hoher Temperatur ausgebrannt werden kann, wobei sich die Metallpartikel verbinden. In die lose Metallstruktur wird anschliessend bei hoher Temperatur Kupfer infiltriert. Die deutsche Firma Elektro Optical System (EOS) hat ein Verfahren entwickelt, welches direkt eine von der Firma Elektrolux entwickelte Metallegierung sintert. Direct Shell Production Casting (DSPC) Am Massachusitts Institute of Technology (MIT) wurde ein als Three Dimensional Printing (3DP) bezeichnetes Verfahren entwickelt, welches Pulvermaterialien über ein mit Düsen aufgetragenes Bindemittel verbindet. Heute wird das Verfahren von der Firma Soligen weiterentwickelt und vertrieben und hauptsächlich zur direkten Herstellung von Keramikformen für den Metallguss verwendet. Soligen nennt das Verfahren Direct Shell Production Casting (DSPC).

5.3. Geschmolzene Form

Die Materialien werden in fester oder Pulverform in einem Heizkopf oder mit Hilfe eines Lasers geschmolzen. Das verflüssigte Material wird dann über eine oder mehrere Düsen aufgetragen. Die Materialpalette dieser Verfahren ist ebenfalls sehr gross.

Multi-Jet Modeling (MJM)
Die Firma 3D-Systems hat sich entschlossen, ihre Polymerpalette um ein kompaktes Extrusionsverfahren zu erweitern, um mit dem ACTUA 2100 ein sogenanntes Concept Modeling System zu realisieren. Das Multi-Jet Modeling (MJM) genannte Bauverfahren des ACTUA 2100 verwendet einen Printerkopf mit 96 Düsen, um Modelle im Rasterverfahren aufzubauen. Um dem geplanten Anwendungsgebiet als 3D-Drucker in einer CAD-Umgebung gerecht zu werden, sind sämtliche Aufbereitungsschritte wie Bauen von Stützen, Slicen, Wahl der Bauparameter, etc. automatisiert. Es entstehen Modelle, die in erster Linie zur Sichtprüfung und als Kommunikationsmittel zwischen Entwicklern, Designern und Kunden bestimmt sind. MJM-Modelle weisen eine geringe Oberflächen- und Materialgüte auf, entstehen jedoch schneller, einfacher und kostengünstiger als hochwertigere RP-Modelle.

Fused Deposition Modeling (FDM)
Das erste kommerzielle Extrusionsverfahren stammt von der Firma Stratasys. Ihr Fused Deposition Modeling (FDM) genanntes Verfahren trägt Materialien mit einem Plottermechanismus (Vektorenorientiert) schichtweise auf. Ein Draht aus thermoplastischem Kunststoff wird in der beheizten Düse geschmolzen und an den gewünschten Stellen auf die Grundplatte aufgetragen. Die Düse bewegt sich dabei wie ein Plotter in X-Y Richtung. Die Grundplatte senkt sich anschließend ab und die zweite Schicht wird aufgetragen und mit der ersten verschmolzen. Bei komplizierten Bauteilen (Hinterschneidungen, auskragenden Elementen ...) erzeugt das FDM Verfahlen eine lockere Stützstruktur, die nachträglich manuell entfernt werden muß. Ein ähnliches Verfahren mit zwei Druckköpfen verwendet die Firma Sanders Prototyp. Während der erste Druckkopf das Modell aufgebaut, wird mit dem zweiten Druckkopf eine Stützstruktur aus Wachs aufgebaut. Analog zum Cubital-System führt Sanders Model-Maker einen zusätzlichen Arbeitsschritt durch, um die Schicht plan zu fräsen und eine exakte Schichtdicke zu erreichen.

MultiphaseJet Solification (MJS)
Controlled Metal Buid Up (CMB)
3D Auftragsschweißen



5.4. Feste Form

Feste Materialien werden in Form von Folien oder Platten verwendet. Aus diesen wird die Form ausgeschnitten und aufeinandergeklebt. Für Modelle steht ebenfalls eine breite Materialpalette zur Verfügung, die Formenvielfalt ist aber bei den meisten Verfahren eingeschränkt.

Laminated Object Manufacturing (LOM)
Das erste Verfahren dieser Klasse, das Laminated Object Manufacturing (LOM) stammt von der Firma Helisys. Beim LOM-Verfahren werden Folien aus Papier, Plastik oder Metall aufeinandergeklebt und von einem mit Spiegeln gesteuerten CO2-Laser ausgeschnitten. Nicht zur Form gehörendes Material wird in feine Strukturen zerschnitten und bleibt als Stützstruktur im Bauvolumen. Aus Formen mit Hinterschneidungen kann diese Stützstruktur aber nur schwer oder gar nicht entfernt werden. Vor allem bei Verwendung von Papierfolien sind die Modelle sehr preisgünstig und haben eine holzähnliche Struktur und hohe Festigkeit. Ein grosses Anwendungsgebiet von LOM-Bauteilen ist deshalb die Verwendung als Form für den Sandguss.

Selective Adhesive/Hot Press Process (SA/HPP)
Ein LOM-ähnliches Verfahren wurde von der japanischen Firma KIRA entwickelt. Das Selective Adhesive/Hot Press Process (SA/HPP) genannte Verfahren beschichtet Papierblätter selektiv mit Toner, schneidet die Modellkonturen aus und verbindet diese mit einer Heizpresse.

HotPlot
Neben diesen beiden Verfahren wurde eine ganze Reihe halbautomatischer Verfahren entwickelt, welche Schichtkonturen aus verschiedensten Materialien und in allen Grössen und Schichtdicken ausschneiden und kennzeichnen, um sie anschliessend manuell zusammenzufügen. Das HotPlot Verfahren der schwedischen Firma Sparx schneidet mit einer geheizten Elektrode Schichtformen aus Styroporplatten.
6. Rapid Tooling
Neben den den unterschiedlichen RP-Herstellungsverfahren existieren eine ganze Reihe von Nachfolgeprozessen, in welchen RP-Modelle als Form (positiv oder negativ) verwendet werden. Diese Prozesse werden allgemein unter der Bezeichnung Rapid Tooling zusammengefasst. Rapid Tooling (RT) bezeichnet die Herstellung von Werkzeugen und Formen mit Hilfe von RP-Verfahren. RT-Prozesse erlauben die Fertigung von Prototypen aus dem Material des Endprodukts. Weiter ermöglichen sie die Herstellung von Vorserien oder speziellen Kleinserien (Rapid Manufacturing). RP-Verfahren werden dabei zur Herstellung von Positivformen oder zur direkten Herstellung von Negativformen verwendet. Je nach Anforderung an Form und Modell kommen unterschiedliche Verfahren zum Einsatz: Silikonabguss, Vakuumgiessen Bei diesen Verfahren wird das RP-Modell als Positiv verwendet, um eine oder mehrere Silikonformen herzustellen. Als Giessmaterial werden Kunststoffe (Polyurethane) unterschiedlicher Festigkeit und Farbe verwendet. Pro Silikonform sind Stückzahlen von 10 - 50 möglich. Beim Vakuumgiessen findet der Giessvorgang in einer Vakuumkammer statt, wodurch eine wesentlich bessere Qualität der Modelle erreicht wird. Sandguss Bei diesem Verfahren werden Formen aus verbundenem Sand zur Herstellung von Metallgussteilen verwendet. Beim Herausnehmen des Gussteils wird die Form meist zerstört (verlorene Form). Das Verfahren ist auch für grosse aber nur für relativ einfache Bauteile geeignet. RP-Verfahren werden zur Herstellung von Positivformen verwendet, welche zur Fertigung der Sandformen dienen. Dazu ist eine hohe Festigkeit des Positivs notwendig, weshalb vor allem mit dem LOM-Verfahren gefertigte Modelle mit holzähnlicher Festigkeit verwendet werden. Daneben bietet die Firma EOS ein Verfahren zur direkten Herstellung von Sandgussformen an.

Feinguss
Bei diesem Giessverfahren wird eine Keramik (teilw. Gips) Form zur Herstellung von Metallgussteilen verwendet. Nach dem Eingiessen und aushärten des Metalls wird die Form zerstört (verlorene Form). RP-Verfahren werden zur Herstellung von Positivformen verwendet, welche mit einer Keramikschicht umgeben und anschliessend ausgeschmolzen oder ausgebrannt werden (verlorenes Modell). Verwendet werden dabei Wachsmodelle oder Stereolithographiemodelle in sogenannter QuickCast Bauweise. Eine weitere Möglichkeit ist die direkte Herstellung von Keramikformen, welche von der Firma Soligen mit dem Direct Shell Production Casting angeboten wird.

Spritzguss
Beim Spritzguss wird ein aufgeschmolzenes Baumaterial mit hoher Temperatur und unter hohem Druck in eine Form eingespritzt. Da die Form dadurch stark beansprucht wird, werden meist Formen aus Stahl teilweise aus Aluminium oder Bronze verwendet. In den letzten Jahren wurden verschiedene Verfahren für den Einsatz von RP gefertigten Formen im Spritzguss entwickelt. - Direkte Verwendung von Kunststoffformen für Spritzguss mit niedrigen Temperaturen und Drücken (z.B.SL-Formen aus Epoxidharzen in kompakter ACES-Bauweise). - Beschichtung der Kunststofformen mit einer dünnen Nickel oder Bronzeschicht. Direkte Herstellung von Metallformen oder Einsätzen (z.B. Metallsintern). - Indirekte Herstellung von Metallformen (Keltool Verfahren) durch Herstellung einer Master-Negativform, Silikonabguss dieser Form, Ausgiessen des Abgusses mit Keramikmaterial und schliesslich Herstellung einer Aluminiumform mit der Keramikschale.