Rapid-Prototyping-Verfahren bieten mehr als Glanz und Design

Von unserem Redaktionsmitglied Norbert Berger

Bis vor kurzem konnten mit Rapid Prototyping (RP) nur geringe Stückzahlen hergestellt werden. Nach spätestens einigen hundert Bauteilen waren die Möglichkeiten der verschiedenen Verfahren wie Stereolithographie (SL), Lasersintern (LS), Fused Deposition Modeling (FDM) oder Laminated Object Manufacturing (LOM) an ihre Grenzen gestoßen. Das hat sich in den letzten Jahren geändert. So weiß Manfred Daas von einem Werkzeugeinsatz zu berichten, der durch RP entstanden ist: „Nach 55 000 Schuss mit einem 50 Prozent glasfasergefüllten Polyamid war die ungehärtete Form verschlissen. Inzwischen haben wir ihre Härte von 38 HRC auf 48 HRC gehoben. Heute sind wir bei 60 000 Teilen ohne jeden erkennbaren Verschleiß angekommen.“

Der Leiter des Prototypenbaus und der Arbeitsvorbereitung bei der Moeller GmbH aus Bonn verwendet das Verfahren 3D Keltool der 3D Systems GmbH aus Darmstadt. Im Beispiel einer Schaltungsanlage lag die Herstellzeit bei drei Wochen und war damit um 30 Prozent geringer als mit konventionellen Methoden. Zudem lassen sich bei 3D Keltool später Änderungen durch Erodieren, Fräsen oder sogar Auftragsschweißen bewältigen. Nach Daas‘ Ansicht erhält man bei extremen Werkstoffen eine gute Oberfläche mit Rapid Prototyping derzeit nur mit 3D Keltool. „Andere Verfahren sind für unsere Qualitätsanforderungen nicht geeignet.“

Das 3D-Keltool-Verfahren ist sicherlich ein Meilenstein für die schnelle Herstellung von Serienteilen. Kritiker werfen dem Verfahren vor, zeit- und kostenintensiv zu sein. Der Abformprozess vom Urmodell bis zum ungefinishten Rohling dauert mindestens acht Tage. Auch die Vorgehensweise ist für Rapid Prototyping untypisch. Bei anderen RP-Verfahren ist das Bauteil nach einem Verfahrensschritt fertig. Hier benötigt der Anwender mehrere Schritte und Anlagen. Doch der Reihe nach:

Ausgehend von einem 3D-Datensatz wird ein Stereolithographie(SL)-Modell hergestellt. SL-Bauteile besitzen von allen RP-Verfahren die höchste Genauigkeit. Ein Grund, sich 3D Keltool zu Nutze zu machen, wie Professor Klaus-Jürgen Peschges von der Fachhochschule Mannheim in einer Untersuchung klargelegt hat. In der Studie (siehe Industrieanzeiger, Nr. 7 vom 12.2.2001) verglich Peschges die Verfahren 3D Keltool, Quick Solid Modeling (QSM) und Lasersintern miteinander. Er kam zum Ergebnis, dass für Kunststoff- und Gummiformteile bei geforderter Oberflächengüte, vorgegebenen Maß- und Formgenauigkeiten sowie antiadhäsiven Eigenschaften derzeit lediglich die SL-basierenden Technologien ohne Einschränkung geeignet sind.

Nachdem das gefinishte Bauteil mit Silikon übergossen wurde, entsteht eine Negativform. Diese wird mit einem Gemisch aus pulverisiertem A6-Werkzeugstahl, Wolfram-Karbid-Pulver und einem Epoxid-Binder gefüllt. Ist das Material ausgehärtet, wird das „grüne Teil“ in einem Wasserstoff-Reduktionsofen gesintert. Dabei verbrennt der Binder und es entsteht ein braunes Teil mit Hohlräumen. Zum Schluss infiltriert Kupfer die Poren, wodurch ein fertiger Werkzeugeinsatz entsteht, wie ihn Manfred Daas verwendet.

Das 3D-Keltool-Verfahren kann als ein Beispiel für Rapid Manufacturing angesehen werden. Dr. Rudolf Meyer, Koordinator der Fraunhofer Allianz Rapid Prototyping aus Magdeburg, stellt aber klar: „Der Wunsch nach dem Begriff Rapid Manufacturing ist aus Wettbewerbsgründen verständlich. Aber man sollte vorsichtig damit umgehen.“ Rapid Manufacturing wird seiner Meinung nach ganz unterschiedlich ausgelegt und technisch interpretiert. „Die einen verstehen darunter die Prozesskette oder auch Fertigungsstrategie, die viel schneller zu Bauteilen mit finalen Eigenschaften führt.“ Andere sehen laut Meyer in Rapid Manufacturing eines von vielen generativen Fertigungsverfahren. „Der gemeinsame Nenner ist auf jeden Fall, dass mit effizienteren Verfahren möglichst Serieneigenschaften von Bauteilen oder Werkzeugen erzeugt werden.“

Doch noch lange werden mit der RP-Technologie nicht nur Serienteile hergestellt. Im vergangenen Jahr waren mehr als zwei Drittel aller hergestellten RP-Bauteile reine Anschauungs- und Designmodelle. Sie dienen Unternehmen, um Produktideen dreidimensional darzustellen. Zudem lassen sich Funktionen und mögliche Kollisionen überprüfen. In diesem Bereich ist Rapid Prototyping jedoch nicht das einzige Verfahren: Virtual Reality (VR) bildet zumindest in einigen Bereichen eine Konkurrenz zu Rapid Prototyping.

Mit VR lassen sich frühzeitig Entscheidungen absichern. Passen die entwickelten Teile zueinander? Ist der Einbau im vorhandenen Raum überhaupt möglich? Projektteams können sich frei zwischen und in den fiktiven Prototypen bewegen und sie aus jeder beliebigen Perspektive betrachten. Gemeinsam diskutieren Anwender, bewaffnet mit Interaktionsgeräten, zum Beispiel in Holospace, Cave, Powerwall, oder Holobench miteinander über ihre Konstruktion. Dabei können sie Objekte bewegen, sichtbar und unsichtbar machen sowie Markierungen setzen und Schnitte legen.

Heike Ziegler, Geschäftsführerin der VR Com GmbH aus Darmstadt, erklärt die Notwendigkeit von VR wie folgt: „Was ich höre, vergesse ich wieder. An das, was ich sehe, erinnere ich mich und womit ich experimentiere, das verstehe ich.“ In der frühen Konzeptphase entstehen bei den Prozessbeteiligten die ersten Ideen. Geometrien werden festgelegt und wieder verworfen – die Ideenvielfalt ist sehr groß. Der Entwicklungsprozess darf aber nicht lange dauern, das Time-to-Market ist so klein wie möglich zu halten. VR bietet hier die Möglichkeit, die Konzepte frühzeitig zu bewerten. „Ein gutes Beispiel ist die Lichtsimulation im Fahrzeuginnenraum“, sagt Ziegler. „Damit lässt sich mit den Lichtverhältnissen experimentieren.“ Ihrer Meinung nach werden mit dem Einsatz von VR-Techniken weniger Prototypen benötigt, die dann aber eine höhere Qualität aufweisen können.

Den Vorteilen von VR stehen aber auch Nachteile gegenüber. So lassen sich die virtuellen Objekte nur sehr schwer manipulieren. Eine präzise Einstellung ist kaum möglich. Zudem erfolgt die Rückmeldung der gemachten Interaktionen oft nicht in Echtzeit. „Wegen der begrenzten Abbildungsfähigkeit kompletter Produkteigenschaften sind stoffliche Prototypen eigentlich immer noch unverzichtbar“, fügt Dr. Meyer von Fraunhofer hinzu. Für ihn sind die VR-Systeme noch nicht so leistungsfähig, dass der VR-Anwender mit der 3D-Darstellung direkt in die Serie gehen kann. „Komplette Produkteigenschaften lassen sich auf Grund der begrenzten Abbildungsfähigkeit von VR immer noch am besten mit stofflichen Prototypen darstellen.“

Ein Unternehmen, das sowohl auf VR als auch RP setzt, ist die Engineering + Design AG (Edag) aus Fulda. Der Entwicklungspartner der Automobilindustrie hat eine sogenannte Edag-Holospace für VR-Aufgaben im Einsatz. Diese nach eigenen Angaben weltweit einzigartige Kombination umfasst Powerwall, Holobench 1:1 und 3-Seiten-Cave. Im Bereich Rapid Prototyping arbeiten die Hessen mit einer Lasersinteranlage. Winfried Krack, Bereichsleiter Modell- und Prototypenbau, ist der Überzeugung, dass die virtuelle Produktentwicklung den konventionellen Modell-, Prototypen- und Werkzeugbau nicht ersetzt. Vielmehr fordert er eine notwendige Verknüpfung dieser Techniken. „Der Nachweis über die Qualität der Entwicklung kann nur über physikalische Modelle und Prototypen erbracht werden. Man denke zum Beispiel nur an die Crashversuche, die der Gesetzgeber zu Recht vorschreibt.“ Der gleichen Meinung ist Christof Gauss vom ADAC-Technik-Zentrum in Landsberg/Lech. Der Leiter der Messtechnik ist sich sicher: „Die Berechnungssimulationen werden immer wichtiger, müssen aber überprüft werden. Die Crashversuche bleiben die Endkontrolle aller neuen Fahrzeuge.“

Die Preise für eine VR-Anlage liegen bei einer Cave in der Größenordnung von 3 Mio. DM. Gerade für den Mittelstand entsteht hier ein hoher Investitionsbedarf, der nicht von jedem Unternehmen geleistet werden kann. So bieten verschiedene Dienstleister ihre Kapazitäten an. Dazu gehören neben dem Angebot von Edag auch das SGI-TAN-Visualisierungszentrum in Düsseldorf. Dabei handelt es sich um ein Gemeinschaftsprojekt der Silicon Graphics GmbH aus Grasbrunn und der TAN Projektionstechnolgie GmbH & Co KG aus Düsseldorf. Auch die Vircinity IT-Consulting GmbH aus Stuttgart bietet den Service an. Die Dienstleistung der Schwaben kostet in einer Cave pro Tag 8000 DM.

Dienstleister für das ebenfalls nicht preisgünstige Rapid Prototyping finden sich im Internet unter www.industrieanzeiger.de in der Rubrik „Datenbanken und Marktübersichten“ mit einem Klick auf Rapid Prototyping. Dort lassen sich die Unternehmen gezielt nach angebotenen Verfahren und Standorten suchen.

Winfried Krack ist überzeugt: „Es darf kein Spannungsfeld zwischen virtueller Welt und konventioneller Produktentwicklung bestehen. Vielmehr sollen beide Verfahren bei gegenseitiger Nutzung zu einer erfolgreicheren Produktentwicklung beitragen.“

Es drängt sich der Eindruck auf, dass Virtual Reality (VR) zum Konkurrenten für Rapid Prototyping (RP) wird. Mit VR lässt sich ein Design schon in der frühen Konzeptphase virtuell darstellen und überprüfen. Und Designmodelle sind immer noch die Hauptanwendung von RP. Doch VR ist nicht ohne Manko. Es hapert an der Ergonomie: Verkabelt und mit interaktiver Brille im abgedunkelten Raum zu konstruieren, ist nicht jedermanns Sache. RP liefert dagegen physische Modelle, die der Entwickler auch anfassen kann.

Deshalb sollten sich die Verfahren ergänzen. Bei beiden ist die Entwicklung nicht am Ende: Für RP werden schnellere und genauere Verfahren benötigt. Bei VR ist die Handhabung zu verbessern. Daher gilt: Wir haben das Feuer erfunden, jetzt müssen wir noch kochen lernen.

Norbert Berger

Grundlage von Rapid Prototyping (RP) sind 3D-Daten. Der Anwender muss den Datensatz aus dem CAD-Programm als STL-File auslesen und die Daten an der RP-Anlage wieder einlesen. Die Datenübertragung über STL ist inzwischen zum Standard geworden. Doch in der Praxis tauchen wie so häufig Schnittstellen-Probleme auf.

In vielen Fällen sind STL-Daten fehlerhaft. So müssen unverbundene Kanten, Flächen oder Löcher nachträglich repariert werden. Um diesen Aufwand zu minimieren, stellte die Marcam Engineer-ing aus Bremen auf der Euromold 2000 in Frankfurt/M. die Software VisCAM RP vor. Topologische Probleme und fehlerhafte Daten bei Flächen-, Dreiecks- und Schichtmodellen sollen sich damit automatisch oder auch interaktiv beheben lassen. Der Anwender kann die Module Surface, Solid und Slice entsprechend seinen Anforderungen kombinieren und flexibel für verschiedene RP-Anlagen einsetzen. „Mit unserem System lassen sich wahlweise baufertige Daten oder auch nur reparierte Daten an eine RP-Maschine übergeben“, erläutert Geschäftsführer Marcus Joppe.

Prof. Andreas Gebhardt ist Experte für Rapid Prototyping (RP) mit Erfahrungen aus Industrie und Hochschule.

? Hat sich Rapid Prototyping so entwickelt, wie Sie es sich vorstellten?

! In den letzten zehn bis zwölf Jahren konnten wir die Entwicklung von der Stereolithographie-Anlage hin zu einigen zehn Systemen beobachten. Deren Fähigkeiten reichen von der Mikro-Stereolithographie bis zu schichtgefrästen Modellen von einigen Metern Größe. Dabei lassen sich von Kunststoff bis Metall die verschiedensten Anwendungen realisieren, von denen wir zu Beginn nur träumten.

? Wird sich Rapid Prototyping in Zukunft im Werkzeugbau behaupten?

! Prototyper werden sich zur Ergänzung der klassischen Verfahren etablieren und in Konkurrenz zum Erodieren spezielle Aufgaben übernehmen. Der Durchbruch wird aber im wesentlichen davon abhängen, ob es gelingt, Oberflächenqualitäten und Verzüge in geringeren Grenzen zu halten, als das heute noch der Fall ist.

? Und wie verhält es sich mit Rapid Manufacturing?

! Anwendungen, die den Namen verdienen, sind nach wie vor selten. Aber nach und nach wird auch diese Technik von den Produktionstechnikern als Ergänzung oder zur Verbesserung ihrer traditionellen Produktionsanlagen eingesetzt werden.

? Sie sind Geschäftsführer der CP GmbH, einem RP-Unternehmen in Erkelenz. Wie tauschen die Kunden ihre Daten mit Ihnen aus?

! Der Datenaustausch funktioniert heute problemlos über E-Mail und telefonbasierte Übertragung wie Fritz oder Odette. Probleme kommen zwar noch vor, spielen aber eine geringe Rolle. Dabei stellen wir keine Ängste bei unseren Kunden fest.

? Sie sind seit dem Sommersemester 2000 auch noch Professor für Hochleistungsverfahren der Fertigungstechnik und Rapid Prototyping an der Fachhochschule Aachen. Wie sind Ihre bisherigen Erfahrungen?

! Positiv fiel mir auf, dass die Studenten leicht zu motivieren und arbeitswillig sind. Dagegen hat die personelle und operative Infrastruktur nicht den Stand, um Ingenieurnachwuchs auf Weltniveau auszubilden und praxisorientierte Forschung zu betreiben. Im Bereich Rapid Prototyping wirkt sich dies besonders gravierend aus, weil keine Basis-Infrastruktur vorhanden ist.

1902

Patent von Carlo Baese, Deutschland: „Photographic process for the reproduction of plastic objects“

April 1981

Veröffentlichung von Hideo Kodama, Japan. Verhinderte alle Verfahrenspatente auf Grundlage des Rapid Prototyping

August 1982

A. J. Herbert entwickelt bei 3M einen Prototyper, der mit über Laser/Scanner gesteurten UV-Laserstrahl Polymere aushärtet.

1985

In den USA wird Helisys gegründet. Im Jahr 1991 erfolgt der erste Verkauf einer LOM-1015-Maschine

März 1986

Patent von Charles W. Hull: „Apparatus for Production of 3-Dimensional Objects by Stereolithogarphy“ . Basis für SLA-Entwicklung

März 1986

Gründung von 3D Systems, 1988 erster Verkauf der SLA 250: Urvater aller (auch nicht Laser gestützter) Prototyper

Juni 1986

Patent von Michael Feygin: „Apparatus and method for forming and integral object from laminations“ Basis für den LOM-Prozess

Oktober 1986

Patent von Carl R. Deckard: „Method and apparatus for producing parts by selective sintering“. Basis für den DTM-SLS-Prozess

Ende 1986

Start job Shop von Light Sculping ist das erste Unternehmen, das RP-Bauteile herstellt und verkauft

1987

Gründung von DTM. 1989/90 Vorstellung der Sinterstation 125. Erster Verkauf der Sinterstation 2000 im Jahr 1992

1988

Gründung von Stratasys. Erster Verkauf einer FDM-Anlage mit Extrusionsverfahren 1991

1989

Gründung von EOS,

(EOSINT P350) erhältlich

1991

Gründung von Fockele & Schwarz

Marina Hatsoppoulos und Walter Bornhorst gründen Z-Corporation sowie Lizenzvertrag mit MIT

Statasys stellt mit der Anlage Genisys den ersten Concept Modeler vor

1997

Dr. R. Götzen gründet Micro-Tec als Spin-off der Uni-GHS Duisburg

Mai 1998

Objet Geometries LTD. Israel, gegründet. Erste Vorstellung der Objet Quadra auf der Euromold 2000

1998

Layer Milling Process (LMP) und Layer Milling Centre (LMC) für automatisches Schichtfräsen ohne Stufeneffekt von Zimmermann

April 1999

Gründung „Buss-Müller-Technology GmbH“.

Serienstart HPM 700 und Desktop Modeler (farbig) für Herbst 2001 geplant

Mai 1999

Generis wird gegründet, Markteinführung der Sandmaschine GS 1500 im 1. Quartal 2001 – Wachs-Prozess GW 1000 ist für Ende 2002/03 geplant.

(Quelle: Prof. Gebhardt)