Rapid Prototyping, 3D-CAD, Datennetze 11.12.1998, 17:20 Uhr

Der schnellste Weg zum Prototyp bringt die besten Marktchancen

1200 Aussteller präsentierten auf der Euromold 98 vorige Woche in Frankfurt/M. alle Technologien, die Ideen schnell in Produkte verwandeln. Und es geht rasant voran: Mittlerweile hat diese Branche das Entwicklungstempo der Computerfirmen erreicht.

In der Automobilindustrie „werden die Modellzyklen immer kürzer, während gleichzeitig der Entwicklungsaufwand weiter steigt“ betont Dietmar Bichler, Vorstandsmitglied des Automobil-Engineering-Unternehmens Bertrandt AG in Tamm. Brauchte man früher für ein neues Modell sieben Jahre, so habe sich dies mittlerweile auf nur noch drei bis vier Jahre reduziert. „Nach unserer Einschätzung“, so Bichler auf der diesjährigen Euromold, „wird sich die Entwicklungszeit in den nächsten Jahren weiterhin verkürzen.“ Wer mit neuen Modellen zu spät herauskomme, verschenke von vornherein wesentliche Marktanteile an die Konkurrenz.
Die Qualifikation der Produktentwickler wird aber auch noch aus einem zweiten Grund immer wichtiger, denn nach Ansicht von Fachleuten werden etwa 80 % der späteren Fertigungskosten schon in der Konstruktionsphase festgelegt. Die Fähigkeit der Konstrukteure, für eine Funktion die optimale Lösung zu finden, entscheidet also auch direkt auf der Kostenebene über die Wettbewerbsfähigkeit des Betriebs.
Erster Schritt jeder Entwicklung „von der Idee über den Prototypen bis zur Serie“ ist die Designphase. „Industrieprodukte werden für den Menschen entwickelt. Designer müssen hierbei den entscheidenden Brückenschlag vollziehen zwischen der Gedankenwelt des Kunden, der ein attraktives und gleichzeitig hochwertiges Produkt erwartet, zu der des Ingenieurs, der Entwürfe benötigt, die problemlos und kostenoptimal fertigungstechnisch umgesetzt werden können“ erläuterte Designer Kay-Uwe Witte in Frankfurt/M. Design sei weit mehr als nur oberflächliches Styling, sondern harte und qualifizierte Arbeit.
Rapid Prototyping spielt bei der schnellen Umsetzung solcher Entwürfe in Produkte weiterhin eine entscheidende Rolle. Komplexe technische Produkte lassen sich trotz aller Fortschritte der modernen Rechnersimulation auch künftig nicht ohne den Einsatz von Anschauungsmodellen und Funktionsprototypen entwickeln. Zu den bekanntesten Verfahren gehören die Stereolithographie (STL), das Lasersintern (SLS), der Schichtaufbau aus Papierlaminaten (LOM), das Aufspritzen von teilflüssigem Material (FDM) und das 3D-Drucken.
Wurde Rapid Prototyping früher vor allem für die Fertigung von Präsentationsmodellen oder für Einbau- und Passungstests eingesetzt, so tritt mehr und mehr die Fertigung gebrauchsfähiger Bauteile für Funktionstests unter realen Bedingungen in den Vordergrund. Ein Anwendungsgebiet mit ungeheurem Potential sind insbesondere die Fertigungswerkzeuge, die bei fast allen Formgebungsverfahren – ob Gießen, Blasen, Spritzen, Schmieden oder Umformen – eine entscheidende Rolle spielen. Sie bestehen meist aus Metall, ihre Fertigung ist daher zeitraubend und teuer. Die Möglichkeit, solche Werkzeuge – wenn auch meist noch mit eingeschränkter Haltbarkeit – kurzfristig „aus dem Computer“ zu erhalten, ist mittlerweile unter dem Stichwort „Rapid Tooling“ zum Greifen nahe gerückt.
Großes Interesse fand deshalb eine neue Version der Laser-Sinter-Anlagen des deutschen Herstellers EOS GmbH Electro Optical Systems aus Planegg/München, mit der die Fertigung von lasergesinterten Stahlwerkzeugen hoher Festigkeit möglich wird. Das neue System soll im Frühjahr 1999 auf den Markt kommen. „Mit unserer neuen Anlage und speziell entwickelten Metallpulvern können in kürzester Zeit hoch belastbare Werkzeuge aus Stahl erzeugt werden, die für die Fertigung von kleineren Serien im Bereich Kunststoff-Spritzguß oder Metall-Druckguß verwendet werden können“ präzisiert EOS-Geschäftsführer Dr. Hans J. Langer. Um die Integration in andere Prozesse zu erleichtern, kann der Aufbau solcher Modelle auf Grundplatten erfolgen, die mit den Werkstück-Spannsystemen anderer Fertigungseinrichtungen kompatibel sind. Außerdem stellte EOS auch Systeme für das Laser-Sintern von Kunststoffen bzw. von Sand für Gießformen aus.
Ähnliche Möglichkeiten weisen auch die Laser-Sinter-Systeme der DTM GmbH aus Hilden auf. Präsentiert wurde eine neue Ausführung mit verbesserter Bedienerfreundlichkeit und Produktivität. Bei diesen Systemen ist die Verarbeitung unterschiedlicher Werkstoffe – von Kunststoffen über Metalle bis zu Gießereisand – in derselben Anlage möglich. Neben einem verbesserten Metallpulver und neuen Kunststoffen wurde auch ein Hybridmaterial (Kupfer-Polyamid) entwickelt, das sich für Kleinstserien-Werkzeuge eignet.
Ein Spezialist für die „klassische“ Stereolithographie – so stellte sich 3D-Systems aus Darmstadt vor. Bei diesem Verfahren entstehen die gewünschten Bauteile aus lichtempfindlichen Gießharzen, die durch den Laserstrahl definiert polymerisiert werden. Die so entstandenen Modelle werden entweder direkt verwendet oder in Folgeprozessen wie z.B. dem Feingießen weiterverarbeitet. Bis zum metallischen Werkzeug sind jedoch deutlich mehr Zwischenschritte erforderlich. Daneben wird ein „3D-Plotter“ angeboten, der mit 96 Düsen Schichten aus einem Thermopolymer aufeinanderspritzt.
„Bei Prototypen, die keine großen Hinterschneidungen oder komplizierten Kernhohlräume aufweisen, habe ich mit meinen Fräsmaschinen schon ein fertiges Bauteil, wenn eine Laser-Sinter-Anlage noch lange an ihrem Job zu arbeiten hat“ war die Meinung von Peter Mayer, dem Inhaber einer Modellbaufirma im bayrischen Oberhaching. Allzu häufig würde beim Stichwort Rapid Prototyping nur an die aufbauenden Verfahren gedacht und übersehen, daß es letztlich darauf ankomme, den für den jeweiligen Anwendungsfall schnellsten Weg zu gehen. Für Fälle, in denen der Einsatz eines schichtaufbauenden Verfahrens sinnvoller ist, verfügt er über eine Laser-Sinter-Anlage, mit der Modelle aus Formsand, Metall oder Kunststoffen hergestellt werden können.
Wollen Anwender das in Frankfurt präsentierte Rationalisierungspotential voll ausschöpfen, müssen sie allerdings einen ganzheitlichen Ansatz verfolgen: „Produktentwicklung findet heute immer seltener isoliert im stillen Kämmerchen einer Abteilung, sondern mehr und mehr über mehrere Schritte der Prozeßkette hinweg in firmenübergreifenden Teams statt“, weiß Dipl.-Math. Bernd Oder vom Softwareanbieter CAD/CAM-concept GmbH in Berlin. Eines der gravierendsten Probleme sei hierbei die Vielzahl der unterschiedlichsten CAD-Systeme, die bei den beteiligten Partnern eingesetzt werden. Manche beschrieben die Geometrie eines Teils als Drahtmodell, andere über Dreiecksflächen, wieder andere durch Volumenbereiche usw. Zwar gebe es eine ganze Reihe genormter Schnittstellen, um die Umrechnung von der einen „Datenwelt“ in die andere zu bewältigen, doch wiesen diese in der Praxis oft erhebliche Mängel auf, die zu zeitraubender Nachkonstruktion zwingen. Seine Firma bietet daher Schnittstellen-Tools an, mit denen Fehler, die bei der Verknüpfung der unterschiedlichen „Datenwelten“ auftreten können, weitgehend vermieden werden.
Diese durchgängige Integration der unterschiedlichen Datenwelten ist auch eine zentrale Forderung der wichtigsten Abnehmerbranchen, wie beispielsweise der Automobilindustrie. Denn sie ist Grundvoraussetzung für die Möglichkeit, wichtige Ergebnisse der Konstruktionstätigkeit bereits vorab mit Hilfe von Simulationsprogrammen exakt zu prüfen und Verbesserungen vorzunehmen, noch bevor das erste Stück „Hardware“ entstanden ist. Große Aufmerksamkeit fand bei Fachleuten z.B. ein Sechs-Zylinder-Motorblock aus Aluminium, den die Firma RWP GmbH aus Roetgen vorstellte. Die gießtechnische Fertigung dieses Motors war nach Abschluß der Konstruktionsphase zunächst mit Hilfe einer entsprechenden Simulationssoftware kontrolliert und optimiert worden. Erst nach Abschluß dieser Arbeiten wurde das so gefundene „mathematische Abbild“ einer Rapid-Prototyping-Anlage übergeben, die das Modell für den Guß erzeugte.
KLAUS VOLLRATH

Ein Beitrag von:

  • Klaus Vollrath

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