Rapid Prototyping (RP)

Schnellstmögliche Umsetzung von CAD-Daten in Werkstücke, möglichst im Zielwerkstoff. CNC-Modellbau und CNC-Bearbeitung komplettieren heute moderne Rapid Prototyping Verfahren.
 
Die Prozesskette beginnt beim 3D-CAD-Datensatz der entweder schon vorhanden ist, oder aus Handskizzen bzw. 2D-Zeichnungen abgeleitet wird. Die für diese Verfahrensgruppe relevante Datenschnittstelle ist das STL-Format (STL = Standard Transformation Language) womit diese 3D-Daten exportiert werden.
 
Die durch dieses Verfahren erzeugten Werkstücke werden in der Regel aus formlosen oder formneutralen Werkstoffen schichtweise unter Nutzung physikalischer oder chemischer Aushärteprozesse aufgebaut. Die Einsatzspektren von generativ hergestellten Bauteilen sind sehr stark gewachsen und es werden auch immer höhere Anforderungen an diese Bauteile gestellt. Deshalb müssen die Werkstücke nach Beendigung des Fertigungsprozesses in der Regel manuell nachgearbeitet werden. In Folgetechnologien wie Gleitschleifen, Sandstrahlen und dergleichen werden die durch den Bauprozess bedingten Unebenheiten abgetragen. Auch ein Lackieren oder Metallisieren der Prototypen ist es möglich. Benötigt man mehrere Modelle oder spezifische Materialeigenschaften, können unterschiedliche Folgetechnologien nachgeschaltet werden.
 
Zu den wichtigsten Verfahren des Rapid Prototyping und den dabei verwendeten Werkstoffen zählen u. a.:
3D Printing (Kunststoffe, Sand), Fused Deposition Modeling (FDS, Polycarbonate), Laminated Object Modeling (LOM, Papier, Kunststoffe, Aluminium), Selektives Lasersintern (SLS, Thermoplaste, Metalle, harzumhüllter Sand), Stereolithografie (STL, Elastomere), Laser Engineered Net Shaping (Metalle), Laserauftragsschweißen (Metalle),  
Zu den am häufigsten angewendeten Verfahren bei der Prototypen Herstellung von Gussteilen zählt das Laser-Sintern von Croning® - Formstoff. Bei diesem weltweit patentierten Verfahren wird gießereiüblicher Croning®-Sand schichtweise zu Formsegmenten und Kernen aufgebaut (Bild 1). So entstehen, ohne Modelleinrichtungen, Sandguss-Formen für Prototypenteile die im Zielwerkstoff gegossen werden können.

Diese Formen weisen geringste Toleranzen auf (Bild 2) und sind ideal dafür geeignet, erste Prototypengussteile ohne Investitionen in Modelleinrichtungen herzustellen. Nahezu alle sandgussüblichen Materialien, von Magnesium- oder Aluminium-Legierungen und Eisengusswerkstoffe bis hin zu hochwarmfesten Stählen, können darin vergossen werden. Anders als bei fast allen anderen Rapid Prototyping-Verfahren wird dabei nicht versucht, ein Bauteil aus einem Ersatzwerkstoff und mit einer serienfremden Rapid Prototyping-Technologie herzustellen. Nur der Aufbau der benötigten Formsegmente erfolgt durch ein Rapid Prototyping-Verfahren. Danach werden diese Formen im Schwerkraft- oder Niederdruck-Sandguss verarbeitet, wie in jeder anderen Gießerei auch.

Durch den schichtweisen Aufbau lassen sich feinste Konturen erzeugen, die konventionell im Sandguss nicht darstellbar sind. Auch Hinterschnitte können ohne Probleme abgebildet werden.
 
Der Prozess selbst beruht auf den zuvor im CAD erzeugten Formsegmenten und Kernen, die nachfolgend vollautomatisch schichtweise aufgebaut werden.
 
Nach dem Absenken der Bauplattform (720 x 380 mm Grundfläche, 380 mm maximale Bauhöhe) wird diese mit frischem Formstoff beschichtet. Mit zwei Lasern erfolgt dann gleichzeitig die Belichtung der obersten Formstoffschicht. Dabei wird eine Verfestigung sowohl der obersten belichteten Bereiche als auch eine Verbindung dieser Schicht zu der darunter liegenden Schicht erreicht (Bild 3). Nach einem endgültigen Aushärten der erzeugten Formsegmente und Kerne in einem Industrieofen sind diese bereit für den Formzusammenbau und Abguss (Bild 4).

3D Drucken

Beim 3D Drucken entstehen die Formen durch den schichtweisen Auftrag eines Partikelmaterials, das mit einem Binder selektiv verklebt wird. Als Partikelmaterial kommt Quarzsand zum Einsatz (Bild 5, voxeljet AG). Bild 6 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines 3D Druckers (voxeljet AG) und das Video das Verfahrensprinzip.

Vorteile des 3D-Drucks von Sandformen und –kernen nach voxeljet AG:

Wirtschaftliche Produktion: Sandformen und -kerne werden „am Stück“ gedruckt ohne aufwendige und teure Werkzeugherstellung

Großformatiger Druck: große Formen können auf einer Bauplattform (LxBxH) von  4.000 x 2.000 x 1.000 mm produziert werden

Schnelle Verfügbarkeit: Expresslieferung in nur 3 Arbeitstagen nach Abstimmung möglich

Komplexe Bauteile: nahezu keine Grenzen bei der Geometrie, Hinterschneidungen können umgesetzt werden

Präzise Sandformen und -kerne mit hoher Oberflächenqualität: durch 300 µm dicken Quarzsandschichten

Gießereiübliche Materialien: Quarzsand und Furanharz mit serienvergleichbaren Form- und Gusseigenschaften

Geeignet für den Sandguss aller vergießbaren Metalle wie Aluminium, Messing, Magnesium, Grau- und Stahlguss sowie für alle gängigen Legierungen

Kombinationen möglich: 3D-gedruckte Kerne können mit traditionellen Sandformen kombiniert werden und umgekehrt

Einfaches Entkernen: Durch den (für den 3D-Druck) niedrigen Bindergehalt ist das Verhalten beim Ausgasen und Entkernen vergleichbar zu traditionellen Verfahren

Ideal zur Prototypenherstellung und Werkzeugoptimierung: Entwickeln und optimieren Sie beispielsweise Werkzeuge mithilfe des 3D-Drucks schnell, flexibel und wirtschaftlich.

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