Rapid Prototyping

Inhalt

 

1. Grundlagen

2. 3D-Printing

3. Stereolithografie-Lasersintern

3.1 Highspeed-Sintern

4. Essen aus dem Drucker

5. Kleidung aus dem Drucker

6. Unsere Zukunft

7. Quellen

 

 

1. Grundlagen

 

Unter Rapid Prototyping werden Herstellungsverfahren bezeichnet, mit denen ohne großen Umweg aus einer CAD-Datei die am Computer erstellt wurde, ein Bauteil an einem 3D-Drucker hergestellt werden kann.


Die seit den 1980er Jahren unter Rapid Prototyping bekannt gewordenen Verfahren bauen das Werkstück schichtweise aus formlosen oder formneutralen Material unter Nutzung chemischer und/oder physikalischer Effekte auf.  

Während in den 1980-2010'er Jahren die 3D-Drucker zur Herstellung von Prototypen sehr teuer waren, sind kleinerer Geräte für den Heimanwender mit Preisen von 600-3000.- € inzwischen erschwinglich geworden.

Mit den ersten 3D-Druckern waren nur geringe Bauhöhen von wenigen mm-cm möglich. Die heutigen 3D-Drucker für den Heimanwender können dagegen schon Modelle mit den Kantenmaßen 25 cm x 15 cm x 15 cm und mehr erstellen, was für viele Anwendungen völlig ausreichend ist.

Die vor einigen Jahren mit 3D-Druckern erstellten Werkstücke waren aufgrund ihrer Instabilität und rauen Oberfläche eher als Ausstellungsobjekt für einen ersten Eindruck zu gebrauchen. Sie konnten nicht direkt als Werkstück in Prototypen verbaut werden. Hier ist die Entwicklung soweit, dass die Bauteile glatt, stabil und fest sind und zum Teil direkt in Anlagen für erste Tests verbaut werden können.

Auch bei dem Farben der Modelle hat sich einiges getan. Während früher nur einfarbige Modelle erstellt werden konnten, gibt es nun 3D-Drucker auf dem Markt, die mehrfarbige Bauteile mit einer bisher nie gekannten Genauigkeit herstellen können.  Es können z.B. mehrfarbige funktionsfähige Kugellager direkt ausgedruckt werden. Beim Militär wurde in einem größeren 3D-Drucker fertige Hüllen von Flugdrohnen ausgedruckt, die nur noch mit Elektronik bestückt werden mussten und danach einsatzfertig waren. An Universitäten wird an hochgenauen 3D-Druckern gearbeitet, die wenige Mikrometer große Modelle drucken können.

 

Im Dienstleistungsbereich hat sich hierdurch ebenfalls viel geändert. So können Firmen ohne langwierige Fräsarbeiten oder der Herstellung von Gussformen mit dem 3D Druck Service schnell und unkompliziert Prototypen für jeden Entwickler herstellen.

Ich denke, dass es nur noch eine Frage der Zeit ist bis nicht nur Metall und Kunststoff ausgedruckt werden können, sondern auch elektronische Schaltungen. Wenn die Technik soweit ist, wäre es möglich komplette Geräte auszudrucken.


Einige Erfinder arbeiten schon an 3D-Druckern, die fertiges Essen ausdrucken sollen. Hierbei werden über mehrere Schläuche die unterschiedlichen zähflüssigen Lebensmittel zugeführt und das Essen damit Schichtweise aufgebaut.

Vielleicht leben wir bald in einer Zeit in der jeder Haushalt daheim einen eigenen 3D-Drucker stehen hat und sich bei Bedarf, Kleidung, Geräte, sonstige Materialien und das Essen ausdrucken kann. Welche umwälzenden Folgen das für den Handel hat, müssen wir abwarten. Noch ist es nicht soweit.

 

Aktuelle News zu 3D-Druckern werden regelmäßig bei Golem eingestellt

 

Nachfolgend möchte ich kurz auf die beiden für den Heimanwender meist genutzten Rapid-Prototyping-Verfahren, dem 3D-Printing und der Stereolithographie/Lasersintern eingehen.

 

 

2. 3D-Printing

 

Nehmen Sie einen Druckkopf, der Kunststoff anstatt Tinte punktweise ausdrucken kann. Bauen Sie diesen Druckkopf in einen Drucker ein, der sich auf 3 Ebenen bewegen kann und fertig ist ein moderner 3D-Drucker wie er heutzutage eingesetzt wird. Der 3D-Drucker kann wie ein normaler Drucker direkt an einen PC angeschlossen werden. Mit der passenden CAD/CAM-Software kann der Ausdruck durchgeführt werden.

 

Ein Beispiel für Moderne 3D-Drucker zeigt das folgende Video:

 

Hier noch ein Bespiel eines 3D-Druckers der vergleichsweise günstig ist und gute Ergebnisse liefert. Im Video wird vom Aufbau bis zum Ausdruck alles gezeigt:


 

Eine Alternative zum schichtweisen ausdrucken der Materialien sind 3D-Drucker, die mit Cuttermessern arbeiten.

 

Hierbei wird nach Größe des Bauteils, schichtweise eine Folie nach der anderen übereinander gelegt. An den Stellen an denen das Bauteil entstehen soll, wird Kleber auf der Folie übereinander aufgebracht. An den Stellen, die nicht miteinander verklebt werden sollen, wird ein Trennmittel aufgetragen.

 

Nach dem auftragen der beiden Mittel wird die nächste Folie aufgelegt. Die Stellen die später das Bauteil bilden werden mit einem kleinen Cuittermesser ausgeschnitten. Ein Beispiel für einen Drucker der mit dieser Methode arbeitet, zeigt das folgende Video:

 

3. Stereolithografie-Lasersintern

 

Bei der Stereolithografie wird schichtweise ein Material aufgebracht, das durch einen Laser punktweise erhitzt und verfestigt wird. Sobald die erste Schicht ausgehärtet ist, wird die nächste Schicht aufgebracht und so weiter.

 

Das nicht ausgehärtete Material kann später abgepumpt oder abgesaugt und wiederverwendet werden.

 

Die Herstellung eines Bauteiles, von der Datei im Rechner bis hin zur Fertigung mit dem Stereolithographieverfahren, wird im folgenden Video der Hochschule Aalen sehr schön gezeigt:

 

 


3.1 Highspeed-Sintern


Neil Hopkins hat ein neues 3D-Druckverfahren für Kunststoff entwickelt, mit dem auch große Stückzahlen zu einem günstigen Preis hergestellt werden sollen. Er nennt das Verfahren Highspeed-Sintern, da es an das Lasersintern angelehnt ist. Im Gegensatz zum Lasersintern, bei dem Materialschichten mit einem Laser verschmolzen werden, verwendet er hierfür eine Infrarotlampe die mit einem Tintenstrahlkopf gekoppelt ist. Der Tintenstrahlkopf bringt lichtabsorbierendes Material auf die Oberfläche, und die Infrarotlampe erhitzt das Material. Dadurch verschmilzt es miteinander und bildet eine 3D-Form aus. Der 3D-Drucker soll wesentlich schneller und effektiver arbeiten, als herkömmliche Lasersinter-Drucker, die es auf dem Markt gibt.


Probleme bereiten momentan noch die Polymere. Es gibt bisher nur wenige Polymere die in der Industrie eingesetzt werden und die sich für dies Druckverfahren eignen. Eine Lösung könnten lichtabsorbierende Partikel sein, die in die Polymere eingebracht werden. 


Weiterhin ist er nicht der einzige der diese Technologie entwickelt. HP arbeitet ebenfalls an einer ähnlichen Technologie, die sie Multi Jet Fusion nennt. 

 

4. Essen aus dem Drucker

 

StarTrek lässt grüßen. Die NASA arbeitet an Essensdruckern. Diese sollen unter anderem in der Raumfahrt als Alternative zu den verpackten Nahrungsmitteln, eingesetzt werden.

 

Bei diesem Drucker wird Nahrungsmittelpulver direkt am Druckkopf mit Öl und Wasser gemischt und ausgedruckt. Da der Druckkopf erhitzt werden kann, ist es so auch möglich Teig auszudrucken und dabei direkt zu backen.

 

Inzwischen kommen auch für den Privaten Bereich die ersten 3D-Essensdrucker auf den Markt. Ab 1000.- $ für einen Drucker, soll noch 2014 jeder Privathaushalt das Essen in der Küche selbst ausdrucken können. Bei einem der Geräte soll gleichzeitig ein 3D-Scanner mitgeliefert werden, um es dem "Hobbykoch" zu ermöglichen ein Gericht einmal als Vorlage einzuscannen und danach beliebig oft replizieren zu können.

 

Wie geschmackvoll diese Nahrungsmittel sind, werden wir wohl erst später erfahren. Wahrscheinlich wird die Entwicklung noch weiter gehen. In absehbarer Zeit wird in jedem Haushalt ein Nahrungsmitteldrucker stehen, der nach Eingabe eines Mahlzeit an einem Display, nach einigen Minuten das fertige Essen ausdruckt.

 

 

5. Kleidung aus dem Drucker


Dank einer neuen Technik, die sich "Field Guided Fabrication" (Feldunterstützte Herstellung) nennt, können inzwischen auch Kleidungsstücke ausgedruckt werden. 


Hierzu wird eine Rohform zum Beispiel mit einem normalen 3D-Drucker erstellt. Diese gibt die Form vor, wie das Kleidungsstück später aussehen soll. 


Auf diese Form wird in einer Kammer (Electroloom) eine Flüssigkeit aufgesprüht. Diese besteht entweder aus Polyester, oder aus einem Baumwollgemisch. Durch ein elektrostatisches Feld das an der Rohform anliegt, lagern sich die Fasern der Flüssigkeit an der Rohform an. Durch diese Technik entstehen Kleidungsstücke ohne Nähte.

 

Designer nutzen diese Technik bereits um Röcke, Tank Tops, Mützen und Kleiner für Kinder damit herzustellen. 



6. Unsere Zukunft

 

In SciFi-Filmen gab es Replikatoren die alles herstellen konnten. Auch wenn wir noch weit davon entfernt sind, komplette Menüs oder Getränke mit Behälter wie den "Earl Grey Tea Heiß" zu produzieren, liefern die neuen 3D-Drucker einen ersten Einblick in eine Welt, in der sich jeder zu Hause benötigte Materialien und Ersatzteile ausdrucken kann.

 

Essen aus dem Drucker wird bald Normalität sein. Dank der Lebensmittelindustrie vermutlich auch nach etwas schmecken, und durch Zusatzstoffe die benötigten Nährstoffe beinhalten.

 

Wir sind jetzt schon so weit, das Raketentriebwerke aus dem Drucker hohen Belastungen stand halten. Der Weg zu einem 3D-Drucker der in jeder Autowerkstatt passende Ersatzteile ausdruckt wird nicht mehr weit sein.

 

Welche neuen rechtlichen Konsequenzen und Verantwortungen diese Technik mit sich bringt, zeigen die Druckvorlagen für Pistolen für 3D-Drucker, von denen berichtet wurde. Vermutlich müssen hier die Regierungen bald reagieren, da Sie ansonsten von der neuen Technik und den Möglichkeiten überrollt werden.

 

Bei allen Gefahren bringt die neue 3D-Drucktechnik die positive Chance jenen kreativen Menschen, die wenig Geld aber viele Ideen haben, daheim Prototypen zu bezahlbaren Preisen herzustellen. Einen Trichter für ein Jarckdevice könnte so in kurzer Zeit hergestellt werden.

 

Was fehlt noch für eine schnelle Entwicklung und Produktion, ist ein Computer wie in Tony Stark (Iron Man) in seiner Werkstatt hat. Dieser reagiert auf seine Sprachanweisungen sowie Fingerbewegungen und erstellt daraus in kürzester Zeit eine dreidimensionale Konstruktion. Diese kann er sich beim entwickeln in Echtzeit mit Hilfe eines Hologrammgenerators ansehen. Wenn wir mit solchen Techniken die Eingabe einer Konstruktion erleichtern, stehen dem Ingenieur und der Entwicklung in Betrieben neue ungeahnte und kostengünstige Entwicklungstechniken zur Verfügung.

 

Lange wird es wohl nicht mehr dauern, bis diese Visionen Realität werden. Datenhandschuhe, Virtuelle Brillen und 3D-Drucker sind schon jetzt günstig zu erwerben. Wir können gespannt sein, was die kommende Jahre bringen werden.