Engineering 12.01.2001, 17:28 Uhr

Rapid Prototyping wird zur „Dot.com“-Fertigung

Die Zukunftsvision vom „Ersatzteil via Internet werkzeuglos und sofort“ ist auf dem Weg von der Utopie zu Realität.

Oftmals reicht ein einfacher Defekt, und ein ansonsten voll funktionsfähiges Produkt ist nicht mehr zu retten, weil es das benötigte Ersatzteil nicht mehr gibt. Trotz aller Unkenrufe über die „Wegwerfmentalität“ der heutigen Zeit würde sonst manches lieb gewordene ältere „Schätzchen“ nicht vorzeitig ausrangiert. Möglicherweise könnte in Zukunft eine Technologie helfen, die zunächst nur in Entwicklungsabteilungen eingesetzt wurde, inzwischen aber auch schon für die Fertigung von Bauteilen, z.B. im Rennsport verwendet wird: Das Rapid Prototyping (RP), bei dem dreidimensionale Bauteile mit Computerhilfe schichtweise aus Harzen, Wachsen oder Pulvern erzeugt werden, entwickelt sich mehr und mehr zum „Rapid Manufacturing“.Während anfänglich meist nur zerbrechliche Anschauungsmodelle verfügbar waren, ist dank verbesserter Anlagen und Werkstoffe heute die Fertigung selbst großer und komplexer Bauteile in einsatztauglicher Qualität möglich. Voraussetzung ist lediglich, dass der Bauplan in Form einer 3D-CAD-Konstruktion – inzwischen oft per E-Mail via Internet – abgerufen werden kann, den Rest macht weitgehend der Computer. In nicht allzu ferner Zukunft ist es vorstellbar, dass beispielsweise Digital-Copy-Shops oder ähnliche Dienstleister einen „3D-Printer“ betreiben, über den man sich benötigte Teile – wie z.B. das zerbrochene Kunststoffgehäuse einer TV-Fernbedienung – nach online abgerufenen Originaldaten besorgen kann. „Mekka“ und Leistungsschau der rasch wachsenden Branche ist die „Euromold“, die größte Messe ihrer Art, die Ende vergangenen Jahres in Frankfurt/M. stattfand. Zahlreiche Anbieter zeigten, dass es mit Hilfe von RP-Technologien inzwischen möglich ist, innerhalb kürzester Zeit hoch belastbare Bauteile zu fertigen.
„Das Minardi-Formel-1-Team konnte in der Rennsaison des Jahres 2000 wichtige neue Komponenten – wie Radnaben, Federungsaufhängungen, Getriebe- und Steuergehäuse – aus Titan einsetzen, die mit Hilfe unseres Rapid-Prototyping-Verfahren gefertigt wurden“, weiß Dipl.-Ing. Sandra Seitz, Leiterin Technisches Marketing und Applikation der DTM GmbH, Hilden. Das Unternehmen ist Hersteller von RP-Systemen, die Metall- bzw. Kunststoffpulver oder Formsand mit Hilfe des Laser-Sinter-Verfahrens zu Bauteilen verschmelzen. Für die Titan-Bauteile des Rennwagens wurde ein zweistufiges Verfahren eingesetzt, bei dem zunächst maßstabgetreue Modelle der benötigten Bauteile aus Kunststoffpulver erzeugt wurden. Diese wurden dann für die Herstellung von Feingießformen verwendet, mit deren Hilfe die benötigten Teile aus Titan gegossen wurden. Die Komponenten wurden anschließend spanend bearbeitet, getestet und im Rennwagen installiert.
„Unsere neue Anlage für das Laser-Sintern von Kunststoffen hat einen Doppellaser und einen besonders großen Bauraum“,verrät Elke Fritz, Leiterin Presse- und Öffentlichkeitsarbeit der EOS Electro Optical Systems GmbH in Planegg bei München. Dieses große Bauvolumen ermögliche den damit arbeitenden Dienstleistern die wirtschaftliche Fertigung von Kleinserien und gleichzeitig Kapazitäten für die rasche und flexible Herstellung von Prototypen oder Modellen für den Feinguss. Einer der ersten Anwender und Entwicklungspartner, dessen Erfahrungen mit in das endgültige Konzept des Systems einflossen, ist die FKM Sintertechnik GmbH in Biedenkopf-Breidenstein. „Mit der neuen Anlage fertigen wir quasi über Nacht aus vom Kunden gelieferten Daten mechanisch hochbelastbare Modelle aus Polyamid. Sie weisen bereits bis zu 95 % der Dichte eines gespritzten Formteils auf“, erläutert Jürgen Blöcher, geschäftsführender Gesellschafter von FKM.
„Stereolithographie-Bauteile galten bisher als spröde und zerbrechlich. Diese Einschränkung konnten wir jedoch durch die Entwicklung neuer, hoch belastbarer Werkstoffe überwinden“, sagt Dr. Thomas Schelhorn, Area Sales Manager Near & Middle East der 3D Systems GmbH aus Darmstadt. So könne man heute Kunststoff-Prototypen erzeugen, die Temperaturen bis über 200 °C aushalten und sich u.a. für den Einsatz in Heißwasserkreisläufen oder im Motorraum eignen.
Zu den „Königsdisziplinen“ des Rapid Prototyping gehört die Fertigung von hoch belastbaren Metall-Prototypen ohne Zwischenstufen, teils für direkten Einsatz als Bauteil, teils für die Weiterverwendung als Produktionswerkzeug für kleinere bis mittlere Serien. „Wir haben ein neues Metallpulver entwickelt, das in seinen Eigenschaften einem C35-Kohlenstoffstahl ähnelt und die Herstellung von Formeinsätzen oder von metallischen Bauteilen erlaubt“, erläutert Sandra Seitz von DTM. Einer der ersten Beta-Tester, die Firma Harvest Technologies, USA, sollte 12 kleine Zahnräder für ein Getriebe fertigen. Aufgrund der extrem kurzen Lieferzeit kamen weder Gießtechniken noch eine Fertigung durch spanabhebende Bearbeitung „aus dem Vollen“ in Frage. So entschloss sich Harvest, die Zahnräder direkt mit Hilfe des Lasersinterns zu fertigen. Die Bauteile konnten innerhalb von nur drei Tagen geliefert, in das Getriebe eingebaut und einem vollständigen Funktionstest unterzogen werden. KLAUS VOLLRATH

Salamitaktik pur – so funktioniert Rapid Prototyping

Rapid Prototyping beginnt damit, dass der Computer das dreidimensionale Abbild eines Bauteils zunächst in lauter dünne, übereinander liegende Schichten aufspaltet. Anschließend übermittelt der Rechner die Daten der untersten Schicht an ein Ausgabesystem, das mit Hilfe eines geeigneten Verfahrens eine Materialschicht mit der gewünschten Kontur und Dicke erzeugt. Anschließend „legt“ das System die nächste Schicht über die erste und so fort, bis aus vielen aufeinanderfolgenden Lagen das gewünschte Bauteil entstanden ist. Die Oberfläche weist eine charakteristische Stufenstruktur auf, deren Rauheit stark von der Dicke der einzelnen Schichten abhängt. Daher erfolgt meist eine Nachbehandlung zur Verbesserung der Oberflächenqualität.

Von Klaus Vollrath
Von Klaus Vollrath

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