Rapid Prototyping: Erkenntnisse aus dem Drucker
Schnell und präzise einzelne Teile erstellen – das macht die 3-D-Drucker aus und sie vor allem in den Entwicklerstuben beliebt. Denn gerade bei der Herstellung von Prototypen spielt die Technologie ihre Trümpfe aus: Sie ist schneller und kostengünstiger als andere Verfahren.
Das Automodell ‚DrivAer‘ wurde im Institut für Mathematik für der TU Berlin für mehrere Messreihen im Windkanal Uni ausgedruckt.
Foto: TU Berlin/Pressestelle/Ulrich Dahl
Die Multi-Jet-Modeling-Drucktechnik funktioniert wie ein Tintenstrahldrucker. Ein Kopf mit mehreren Düsen kann Teile aus bis zu drei Materialien erstellen. Foto: C. Böckmann
Ist die Druckvorlage zu groß, müssen Einzelteile gedruckt und später zusammengesetzt werden. Foto: Ford
Liegt das Lenkrad gut in der Hand? Hat der Sitzverstellhebel scharfe Kanten? Wie verhält sich das Auto beim Crashtest, wenn ich nur ein einzelnes Bauteil verändere?
Mit CAD-Modellen können viele Fragen beantwortet werden, doch lange nicht alle. Bei der Entwicklung von Automobilen kommt irgendwann der Punkt, an dem physische Prototypen benötigt werden. Mithilfe von 3-D-Druckern können aus CAD-Daten komplexe Geometrien in kurzer Zeit erstellt werden. Darauf setzen die Entwickler der Automobilindustrie, so z. B. auch bei Ford in Köln.
Zu teuer: Nie mehr als zehn gleiche Teile aus dem 3-D-Drucker
24 Mitarbeiter stellen dort mit drei verschiedenen Arten von 3-D-Druckern die unterschiedlichsten Prototypen her. So wurde die Technologie z. B. verwendet, um beim Ford B-Max einen Türgriff und Teile der Sitze plastisch zu veranschaulichen. Beim SUV Kuga waren es die Verkleidungen der A-Säule und ein Federwegbegrenzer der Heckklappe.
Die Multi-Jet-Modeling-Drucktechnik funktioniert wie ein Tintenstrahldrucker. Ein Kopf mit mehreren Düsen kann Teile aus bis zu drei Materialien erstellen.
Quelle: C. Böckmann
„Dabei werden beim Rapid Prototyping nie mehr als zehn gleiche Teile hergestellt“, erklärt Sandro Piroddi, Supervisor der Rapid-Technologie für Ford-Europe. „Bei mehr ist die Produktion zu teuer und andere Verfahren würden sich eher lohnen.“
Die Entwickler bei Ford können je nachdem, was für ein Teil sie wie von Zauberhand erschaffen wollen, entscheiden, welcher 3-D-Druck-Technologie sie sich bedienen.
Auswahl unter verschiedenen Technologien
Wollen sie z. B. ein Lenkrad erstellen, das aus bis zu drei verschiedenen Kunststoffen besteht, machen sie das mit einem Multi-Jet-Modeling-Drucker. Eine Maschine, deren Arbeitsweise stark an den ordinären Tintenstrahldrucker von zu Hause erinnert. Ein Druckkopf mit mehreren Düsen erzeugt aus flüssigem Polymer, Tröpfchen für Tröpfchen und Schicht für Schicht, das gewünschte dreidimensionale Objekt. „Der Vorteil dieses Verfahrens ist, dass es sehr präzise arbeitet und man bis zu drei verschiedene Materialien verwenden kann“, erklärt Piroddi. Ist ein Prototyp zu groß für den Drucker, wie das z. B. bei einem Lenkrad der Fall ist, kann eine spezielle Software das Bauteil in miteinander verbindbare Einzelstücke zerlegen. Später können diese dann nach dem Lego-Prinzip ineinander gesteckt werden.
Ist die Druckvorlage zu groß, müssen Einzelteile gedruckt und später zusammengesetzt werden.
Quelle: Ford
Besteht das zu formende Objekt, z. B. ein Türgriff, aus nur einem Kunststoff, kann auch die Selective-Laser-Sintering-Technologie (SLS) genutzt werden. Auf einer Plattform wird hier eine dünne Schicht Polyamid-Pulver aufgetragen. Ein Laser schmilzt dann die gewünschte Form hinein. Die Plattform fährt anschließend etwas runter und eine neue Schicht Pulver wird aufgetragen. So entsteht scheibchenweise das gewünschte Objekt. Die Schichten können dabei eine Dicke von maximal 0,2 mm haben. Das nicht verschmolzene Pulver kann anschließend wiederverwendet werden. „Wir arbeiten mit einem Mix von 60 % neuem und 40 % altem Pulver“, beschreibt Piroddi. „Das gibt uns die Qualität, die wir benötigen.“
Um mit dieser Technik so effizient wie möglich arbeiten zu können, versuchen Piroddi und seine Mitarbeiter, von der Maschine so viele Teile wie möglich bei einem Druckvorgang erstellen zu lassen.
Selective-Laser-Melting-Technologie für metallische Objekte
Nach dem gleichen Prinzip wie beim SLS arbeitet der Drucker mit der Selective-Laser-Melting-Technologie. Nur dass mit ihm metallische Objekte erstellt werden. Die Maschine trägt so statt Polyamid ein Metallpulver auf. Im Gegensatz zum Polyamid kann hier das nicht verschmolzene Pulver im Anschluss komplett wiederverwendet werden.
Von der Dicke wären Schichten von nur 0,02 mm möglich. Piroddi erklärt aber, dass sie meist eine Dicke von 0,04 mm einstellten. Von der Qualität wäre das immer noch gut genug und der Druckvorgang würde so natürlich deutlich schneller vonstattengehen.
Piroddi freut sich über die Geschwindigkeit, mit der heute seine 3-D-Drucker sehr komplex strukturierte Teile erzeugen können. Meist in wenigen Stunden seien diese fertig. Bei ganz aufwendigen Strukturen würden sie Freitagabend das Gerät starten und könnten dann Montagmorgen diese in Empfang nehmen.
Die Technologie habe hier in den letzten Jahren doch große Fortschritte gemacht. Dass sie eines Tages für die Massenfertigung verwendbar wäre, bezweifelt Piroddi aber. Die zum Druck benötigten Materialien, also z. B. das Polyamid-Pulver, seien noch deutlich zu teuer. Doch wo die Technik-Reise hingeht, kann auch Piroddi nicht genau sagen.
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