Additive Fertigung

1.1. Für welche Projektarten ist das Rapid Prototyping mittels 3D-Druck geeignet?

Dank seiner Flexibilität sowie einer zeit- und kosteneffizienten Produktionsweise sind additive Fertigungsverfahren insbesondere zur Erstellung von Modellen während der Produktentwicklung sowie funktionsfähigen Prototypen geeignet. Auch bei der Produktion von Kleinserien aus Kunststoffteilen und Metallteilen kann das Rapid Prototyping seine Stärken ausspielen. Für die Herstellung von großen Volumina und die serielle Massenproduktion ist das Verfahren weniger geeignet. In diesen Anwendungsbereichen kommen zurzeit in erster Linie konventionelle Umformverfahren wie der Spritzguss oder das Tiefziehen zum Einsatz.

1.2. Was sind die wichtigsten Vorteile des Rapid Prototyping?

Der wohl größte Vorteil des Rapid Prototyping liegt im vergleichsweise geringen Zeitaufwand, Schließlich nimmt die Produktion eines Bauteils im 3D-Druck je nach Komplexität lediglich einige Stunden in Anspruch. Da das Verfahren nahezu vollständig automatisiert und CNC-gesteuert abläuft und nicht etwa zunächst kostspielige Werkzeuge angefertigt werden müssen, ist der Prozess zudem um ein Vielfaches kostengünstiger als alternative Möglichkeiten. Der zur computergesteuerten Fertigung benötigte 3D-Datensatz liegt außerdem in vielen Fällen bereits vor oder kann aus einer bestehenden technischen Zeichnung abgeleitet werden, wodurch ebenfalls wertvolle Ressourcen gespart werden können. Durch die vergleichsweise geringen Kosten und den geringen Zeitaufwand überzeugt das Verfahren nicht zuletzt auch mit einer gewissen Toleranz für Experimente und mögliche Fehlversuche.

1.3. In welchen Branchen und Industriezweigen wird mit dem 3D-Druck gearbeitet?

Der 3D-Druck hat sich in den vergangenen Jahren in den verschiedensten Industriezweigen und Branchen von der Kunst bis zur Raumfahrt etabliert. Während Künstler Rapid Prototyping gezielt in die modellhafte oder finale Umsetzung von plastischen Werken und Skulpturen einbinden, dient das digitale Tool Architekten zur klein skalierten Umsetzung ihrer Entwürfe. Auch die Produktentwicklung, in die Designer und Ingenieure gleichermaßen involviert sind, bedient sich additiver Fertigungsmethoden, um Modelle, Zwischenergebnisse sowie Prototypen schnell und anschaulich zu visualisieren und im Volumen zu überprüfen. Im Automobil- und Maschinenbau sowie in der Luft- und Raumfahrtindustrie wird Rapid Prototyping bereits zur zeit- und kosteneffizienten Herstellung großer Stückzahlen und komplexer Bauteile genutzt. Die Medizin- und Zahntechnik erkennt derweil vor allem Potential in der Individualisierbarkeit von 3D-gedruckten Bauteilen.

2.1. Welche Kunststoffe werden üblicherweise mit dem Verfahren des 3D-Drucks verarbeitet?

In den meisten Fällen werden im Verfahren des Rapid Prototypings Kunststoffe verarbeitet, die sich hinsichtlich ihrer physikalischen, optischen und haptischen Eigenschaften voneinander unterscheiden. So können Sie im Hinblick auf die Anforderungen Ihres Projektes zwischen robusten Materialien, gummiartigen und flexiblen Kunststoffen sowie transparenten Varianten wählen. Zu einem echten Klassiker im Bereich des 3D-Drucks hat sich das stärkebasierte Bio-Filament PLA entwickelt, welches den herkömmlichen ABS-Kunststoff weitgehend verdrängt hat. Benötigen Sie ein Modell aus einem biokompatiblen und lebensmittelechten Kunststoff, stehen Ihnen Materialien wie PA12, PA2200, BIO CL, PETG XXL und MED610 zur Verfügung.

2.2. Können neben Kunststoffen auch andere Materialien im industriellen 3D-Druck verarbeitet werden?

Neben der Verarbeitung von Kunststoffen ist auch die Umformung von Materialien wie Keramik und Metall mithilfe des Rapid Prototypings möglich. In der wissenschaftlichen Forschung, aber auch in der praktischen Anwendung werden darüber hinaus regelmäßig neue Materialien und Technologien im Bereich des 3D-Drucks entwickelt. So kommt es immer wieder zu Innovationen im Bezug auf umweltfreundliche, biobasierte Druckmaterialien, Verfahren zum Rapid Prototyping mit Glas und Silikon und sogar Umsetzungsmöglichkeiten mit smarten Materialien oder Food-Anwendungen.

2.3. Welche 3D-Druck-Verfahren können unterschieden werden und worin liegen die jeweiligen Vorteile?

Je nach Projektart, Verwendungszweck und Budget eröffnen sich im Bereich des Rapid Prototypings vielfältige additive Fertigungsverfahren. Der Klassiker ist hierbei das Fused Deposition Modeling, welches sich durch formstabile Ergebnisse, geringe Produktionszeiten sowie eine kostengünstige Herstellung auszeichnet. In diesem Verfahren wird Kunststoffmaterial, das auf einer Filamentrolle gelagert wird, geschmolzen und durch eine als Extruder bezeichnete Düse computergesteuert schichtweise auf eine Druckplatte aufgetragen. Die Dichte des Bauteils wird durch den Füllungsgrad der Strukturen, in der Fachsprache auch Infill genannt, definiert. Komplexe Geometrien mit Hohlräumen und Hinterschnitten werden im FDM-Verfahren unter Verwendung von Stützstrukturen realisiert, welche nach der abgeschlossenen Produktion im 3D-Drucker manuell entfernt werden müssen. Darüber hinaus weisen im Fused Deposition Modeling hergestellte Modelle fertigungsbedingt einen charakteristischen Schichtaufbau auf. Da nicht selten eine manuelle Nachbearbeitung erforderlich ist und das Herstellungsverfahren keine optimale Präzision erreicht, ist es für eine serielle Fertigung sowie technisch anspruchsvolle Bauteile weniger geeignet.

Das selektive Lasersintern ermöglicht komplexe dreidimensionale Geometrien mit hoher mechanischer Belastbarkeit und verbreitet sich dank seiner zahlreichen Vorteile immer weiter. Dabei wird nicht mit einem klassischen Filament, sondern mit einem Kunststoffpulver gearbeitet, das durch fortgeschrittene Lasertechnologie schichtweise in die gewünschte Form gebracht wird. Das Verfahren ermöglicht nicht nur die Herstellung von Prototypen, sondern auch die Fertigung von Ersatzteilen und Kleinserien mit bis zu 1.000 Exemplaren je nach Grösse. Für metallische Werkstoffe bietet sich das innovative Verfahren des selektiven Laserschmelzens an.

Nicht zuletzt stellt auch die Stereolithografie, welche als das älteste Verfahren der additiven Fertigung bekannt ist, eine weitere alternative Option im Bereich des Rapid Prototypings dar. Modelle, die im SLA-Verfahren gefertigt werden, zeichnen sich durch eine erstklassige Detailtreue und Oberflächenqualität dank einer besonders geringen Schichtstärke aus. Der Maschinenaufbau ähnelt dabei dem des SLS-Verfahrens, wobei statt eines Kunststoffpulvers ein Photopolymer verwendet wird. Anwendungsbereiche für die Stereolithografie sind funktionsfähige Prototypen, Designmuster und Urmodelle für Vakuumgussformen.

3.1. In welchem Format müssen CAD-Daten für ein erfolgreiches Rapid Prototyping angelegt sein?

Grundsätzlich können jegliche in einer CAD Software erstellten 3D-Daten in das für die Rapid Prototyping Technologie lesbare Format STL umgewandelt und anschließend im Verfahren des 3D-Drucks hergestellt werden. Dieses Dateiformat zeichnet sich dadurch aus, dass es die Flächen des 3D-Modells in ein feines Polygonnetz unterteilt, das je nach gewünschter Qualität des Druckergebnisses unterschiedlich stark ausgeprägt sein kann.

3.2. Welche Aspekte sind bei der Aufbereitung einer CAD-Datei neben dem Dateiformat zu beachten, um ein optimales Ergebnis zu erhalten?

Um überzeugende, technisch einwandfreie und professionelle Ergebnisse zu erhalten, sollten zunächst einige Eigenschaften der Datei und des 3D-Modells überprüft werden, bevor die digitale Fertigung in Auftrag gegeben wird. So ist es beispielsweise von essentieller Bedeutung, dass das CAD-Modell wasserdicht konstruiert wurde und weder offene Kanten noch Löcher in seiner Polygonstruktur aufweist. Darüber hinaus ist die korrekte Ausrichtung aller Flächen sowie die Überprüfung von Wandstärken, Spielräumen und Offsets eine wichtige Voraussetzung für zufriedenstellende Ergebnisse.

3.3. Worauf ist insbesondere zu achten, wenn bereits bestehende CAD-Dateien als Grundlage für das Rapid Prototyping genutzt werden sollen?

In manchen Fällen treten Probleme auf, wenn bestehende 3D-Modelle als Grundlage für das Rapid Prototyping genutzt werden, die zunächst nicht für diesen Zweck bestimmt waren. Nicht selten achten beispielsweise Designer und Architekten, die ein virtuelles Modell in erster Linie zur Erstellung eines Videos oder eines Renderings erstellen, nicht auf die Spezifikationen, die für einen erfolgreichen 3D-Druck benötigt werden. Auf Wunsch optimieren wir Ihre bestehenden CAD-Daten nach den ausschlaggebenden Kriterien wie der wasserdichten Konstruktion und der Flächenausrichtung, um unerwünschten Abstürzen während des Druckvorgangs oder Mängeln am Endergebnis, beispielsweise in Form von unsauberen Druckrändern, präventiv entgegenzuwirken.

3.3. Worauf ist insbesondere zu achten, wenn bereits bestehende CAD-Dateien als Grundlage für das Rapid Prototyping genutzt werden sollen?

In manchen Fällen treten Probleme auf, wenn bestehende 3D-Modelle als Grundlage für das Rapid Prototyping genutzt werden, die zunächst nicht für diesen Zweck bestimmt waren. Nicht selten achten beispielsweise Designer und Architekten, die ein virtuelles Modell in erster Linie zur Erstellung eines Videos oder eines Renderings erstellen, nicht auf die Spezifikationen, die für einen erfolgreichen 3D-Druck benötigt werden. Auf Wunsch optimieren wir Ihre bestehenden CAD-Daten nach den ausschlaggebenden Kriterien wie der wasserdichten Konstruktion und der Flächenausrichtung, um unerwünschten Abstürzen während des Druckvorgangs oder Mängeln am Endergebnis, beispielsweise in Form von unsauberen Druckrändern, präventiv entgegenzuwirken.

4.1. Welche Größenverhältnisse sind mit dem klassischen 3D-Druck-Verfahren möglich?

Klassischerweise können im Fused Deposition Modeling einzelne Bauteile mit der Größe 20 cm x 20 cm x 20 cm angefertigt werden. Größere Dimensionen lassen sich entweder durch die geschickte Integration von Steckverbindungen oder Klebestellen zur Befestigung mehrerer Bauteile oder mithilfe eines speziellen 3D-Druckers für Übergrößen realisieren. Darüber hinaus arbeiten die meisten herkömmlichen 3D-Drucker mit einer Mindestgröße von 5 mm x 5 mm x 5 mm. Möchten Sie besonders große Volumina oder besonders kleine Bauteile mit Rapid Prototyping anfertigen lassen, beraten wir Sie gerne persönlich per E-Mail oder telefonisch über das optimale Vorgehen. Wenn Sie typografische Elemente in Ihren Entwurf einfließen lassen möchten, empfehlen wir eine Schriftgröße von mindestens 6 pt, um die Lesbarkeit im Rapid Prototyping Modell zu garantieren.

4.2. Welche Genauigkeit kann im Rapid Prototyping realisiert werden und welche Toleranzen müssen eingeplant werden?

Die Genauigkeit des Rapid Prototypings hängt im Wesentlichen von der gewählten Verfahrensweise und der damit zusammenhängenden Schichthöhe ab. Während das kostengünstige Fused Deposition Modeling mit dickeren und markanteren Schichten arbeitet, sind die Toleranzen im Verfahren der Stereolithografie am kleinsten. Hier liegt die Schichthöhe zwischen 0,05 mm und 0,3 mm, wodurch sich Toleranzen von etwa 20µm und eine erstklassige Oberflächenqualität ergeben. Für Modelle und Prototypen reicht diese Präzision in den allermeisten Fällen aus und auch industrielle Bauteile können mit dieser Toleranz passgenau hergestellt werden. Komplexe Formen und feine Wandstärken stellen bei der Umsetzung mittels Rapid Prototyping daher kein Problem dar.

4.3. Welche Verfahren des Rapid Prototyping bieten sich an, um Kleinserien effizient zu produzieren?

Kleine Serien an Produkten lassen sich mit dem Verfahren des Vakuumguss bestmöglich herstellen, wobei die Qualität mit der von konventionellen Spritzgussbauteilen vergleichbar ist. Hierzu wird zunächst ein positives Urmodell aus Ihren CAD-Daten mittels Stereolithografie hergestellt, bevor das dabei entstehende Objekt in einer Form aus Silikonkautschuk vergossen wird. Mit einer Form können zwischen 15 und 25 Abgüsse hergestellt werden, bevor das Silikon spröde und unbrauchbar wird. Planen Sie eine größere Serie, können Sie gleich mehrere Silikonformen für den Vakuumguss bei uns in Auftrag geben oder ein anderes Verfahren des Rapid Prototypings wie etwa das selektive Lasersintern in Erwägung ziehen.

4.4. Wie kann ein 3D-gedrucktes Modell anschließend nachbearbeitet werden?

Insbesondere die durch das Verfahren des Fused Deposition Modeling realisierten Bauteile und Prototypen weisen die für den schichtweisen Aufbau typische Rillenstruktur auf. Um das Modell zu Präsentations- oder Veranschaulichungszwecken aufzubereiten, kann es mit einem speziellen Füllmaterial behandelt und anschließend geschliffen werden. Auf diese Weise entsteht eine ebenmäßige Oberfläche, die sich durch eine hochwertige Optik und Haptik auszeichnet. Eine Vielzahl an Lackierungsmöglichkeiten bietet nicht zuletzt die Möglichkeit, dem 3D-Druck-Modell ein realistisches Finish zu verleihen, das das finale Design bestmöglich imitiert. Auf diese Weise wird ein detailliertes Ergebnis möglich, das weit über den klassischen Modellcharakter hinausgeht und beispielsweise zur Präsentation oder im Bereich der Marktforschung eingesetzt werden kann.

4.5 Was ist Chemisches Glätten?

Daneben gibt es mittlerweile das chemische Glätten. Dazu werden die 3D gedruckten Bauteile in eine besondere Anlage gehängt. Die Teile werden mit einem Lösungsmittel behandelt das verdampft wird. Dadurch lässt sich die Oberflächenstruktur leicht anlösen und kleinere Erhebungen werden entfernt.
Damit ist jedoch auch ein gewisser Verlust der Konturen verbunden wenn man das Verfahren mehrfach anwendet. Anschließend werden die Bauteile in einem Ofen von Resten des Lösungsmittels befreit. Das Lösungsmittel selbst kann mit einem zweiten Stoff neutralisiert werden, so das die Teile völlig ungefährlich sind. Man kann damit eine Oberfläche wie im Spritzguss erreichen.

5.1. Mit welchen Kosten ist beim Rapid Prototyping ungefähr zu rechnen?

Da wir mit einer Vielzahl an unterschiedlichen Materialien, Filamenten und Verfahrensweisen vom FDM-Verfahren bis zur Stereolithografie arbeiten, lässt sich die Kostenfrage für einen 3D-Druck nicht pauschal beantworten. Auch die Komplexität des zu realisierenden Bauteils sowie die damit zusammenhängende Druckdauer beeinflussen die Preisgestaltung maßgeblich. Aus diesem Grund empfehlen wir Ihnen unseren Online-Konfigurator, mit dem Sie den zu erwartenden Preis in Echtzeit kalkulieren können. Hierzu müssen Sie lediglich Ihren 3D-Datensatz im STL-Format hochladen und unter verschiedenen Optionen im Zusammenhang mit dem gewünschten Material und Verfahren wählen. Auf der Grundlage dieser Informationen erstellen wir anschließend einen individuellen Kostenvoranschlag. Im Allgemeinen lässt sich jedoch festhalten, dass das Rapid Prototyping oftmals eine der kostengünstigsten Lösungen darstellt, um Modelle, Produkte und Prototypen zu realisieren.

5.2. Wie viel Zeit muss für die Fertigung eines 3D-Druck-Modells eingeplant werden?

Die gesamte Lieferdauer setzt sich aus der reinen Fertigungsdauer sowie der Zeitspanne des Versandes zusammen und ist stark von der gewählten Kombination aus Material und Verfahren, der Komplexität des Projektes sowie der Auslastung unserer Bauräume und Maschinen abhängig. Auch zusätzliche Dienstleistungen wie die Kontrolle und Aufbereitung Ihrer 3D-Datensätze sowie die Nachbearbeitung und Finalisierung des fertig gedruckten Modells tragen zu einer längeren Produktionsdauer bei. Einfache Modelle sind jedoch in aller Regel bereits nach wenigen Tagen versandfertig, für besonders dringende Aufträge bieten wir auch eine extraschnelle Expresslieferung an.