Multi Jet Fusion und mehr: Moderne Prototypenherstellung leicht gemacht

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Digitalisierung gestaltet den Konstruktionsprozess zwar einfacher, doch von der ersten Idee bis zum fertigen Produkt dauert es noch oft lange. Schneller geht das mit modernen Verfahren zur Prototypenherstellung, die vor allem in den ersten Phasen des Produktentwicklungszyklus nützlich sind.

Innerhalb der additiven Fertigung sind einzelne Verfahren, wie zum Beispiel das direkte Metall-Lasersintern (DMLS), die Stereolithografie (SLA) oder die Multi Jet Fusion-Technologie, im Laufe der letzten Jahre immer bedeutender geworden. Dabei weisen die genannten Fertigungsverfahren unterschiedliche Eigenschaften auf und bieten sich für verschiedene Einsatzgebiete an.

Multi Jet Fusion und andere Verfahren: Vorteile überwiegen

Allen Verfahren ist gemein, dass sie gegenüber herkömmlichen Fertigungsverfahren zur Herstellung von Prototypen immense Vorteile bieten. Mit ihnen lassen sich Geometrien herstellen, die mit anderen Verfahren nicht möglich sind. Zudem können Prototypen schnell, flexibel und kostengünstig produziert werden.

Selbst Kleinserien von bereits ausgereiften Produkten können schneller verwirklicht werden. Da sich allerdings je nach additiver Fertigungstechnik unterschiedliche verfahrensspezifische Vor- und Nachteile ergeben und sich nicht jede Technik auch für jedes Material eignet, kann es ratsam sein mit erfahrenen Partnern zusammenzuarbeiten, um optimale Ergebnisse zu erzielen.

Einen Überblick über die Eigenheiten der einzelnen Verfahren bieten bereits die folgenden Beispiele.

Stereolithographie (SLA)

Vor allem für die Erstellung von Konzeptmodellen eignet sich die Stereolithographie hervorragend. Durch die hohe Auflösung und die sehr gute Oberflächenqualität lassen sich hier Teile für unterschiedliche Anwendungszwecke herstellen. So erstreckt sich das Anwendungsspektrum von optisch hochwertigen schwarzen Design-Teilen bis hin zu transparenten Teilen mit hoher Wärmeformbeständigkeit. Insgesamt stehen bei diesem Verfahren Werkstoffe verschiedener Farben und mit unterschiedlichen mechanischen und thermischen Eigenschaften zur Verfügung.

Bei der Stereolithografie werden flüssige duroplastische Harze verwendet, die durch ultraviolette Strahlung zum Aushärten gebracht werden. Nach der Aushärtung einer einzelnen Schicht wird die Bauplattform, auf der das gefertigte Teil entsteht, abgesenkt und eine neue Harzschicht aufgetragen. Bis der Bauprozess abgeschlossen ist, wird dieses Vorgehen Schicht für Schicht wiederholt.

Da dabei Support-Strukturen benötigt werden, die das Bauteil mit der Bauplattform verbinden und während des Fertigungsprozesses stützen, sind im Anschluss ein Reinigungsprozess sowie eine Nachbearbeitung der Teile nötig. Die endgültigen mechanischen und thermischen Eigenschaften erhält das Bauteil am Schluss durch eine weitere Lagerung unter UV-Licht. Verschiedene Nachbearbeitungsmethoden sorgen bei Bedarf für unterschiedliche Erscheinungsbilder des fertigen Bauteils.

Wie vielseitig SLA ist, zeigt sich anhand der unterschiedlichen Materialien, wie beispielsweise unseren mit ABS-ähnlichen Materialien MicroFine Green und MicroFine Grey von Protolabs, die bei diesem Verfahren zum Einsatz kommen können.

Funktionale Prototypen mittels Multi Jet Fusion (MJF)

Die Herstellung von funktionalen Prototypen ermöglicht insbesondere das pulverbasierte 3D-Druckverfahren MJF. Damit lassen sich Polyamid-Teile für Prototypen oder gar die Endanwendung herstellen. Diese weisen isotrope mechanische Eigenschaften bei feiner Merkmalsauflösung und guter Oberflächenqualität auf. Besonders gerne werden Gehäuse und Vorrichtungen mit diesem Verfahren hergestellt.

Der Bauprozess bei MJF umfasst grob gesagt zwei Schritte: Erstens wird eine Pulverschicht abgesetzt und auf diese sogenannte „Fusing Agents“ und „Detailing Agents“ aufgebracht. In einem zweiten Schritt wird die Oberfläche durch Infrarotlampen bestrahlt. Eine Wechselwirkung zwischen Strahlung und Fusing Agents führt zu einem lokalen Aufschmelzen des Pulvers an exakt der gewünschten Stelle. Wo keine dieser Agents aufgebracht wurden, verbleibt auch nach der Bestrahlung das Pulver.

Die im ersten Schritt aufgetragenen Detailing Agents sorgen bei den fertigen Bauteilen für eine gute Oberflächenqualität. Schichtweise wird beim MJF eine neue Pulverschicht aufgebracht und die Schritte wiederholen sich, bis das Bauteil im Pulverbett fertig gedruckt ist. In der Nachbearbeitung werden die Bauteile vom überschüssigen Pulver befreit.

Kupfer, Stahl und Titan: Metalle und DMLS

Wie der Name des Verfahrens es bereits vermuten lässt, eignet sich DMLS (Direktes Metall-Lasersintern) für die Produktion von Prototypen und Kleinserien aus Metallen. Dabei stehen bei diesem Verfahren verschiedene Metalle zur Verfügung, die je nach Anwendungsgebiet ausgewählt werden können. Im Gegensatz zu den anderen genannten Verfahren wird hier das jeweilige Metallpulver Schicht für Schicht auf einer sich absenkenden Bauplattform aufgeschmolzen, bis die gewünschte Form entstanden ist. Dabei wird nach jedem Schmelzvorgang durch einen Laser neues Metallpulver durch eine Rakel auf die bereits bearbeitete Schicht verteilt.

Die so entstandenen Metallbauteile können Ingenieuren an vielen Stellen des Produktlebenszyklus helfen. So eignen sie sich in ihrer Nutzung vom Prototypen bis hin zur Serienanwendung. Die jeweiligen Eigenschaften hängen dabei immer vom verwendeten Material ab. In der Regel aber zeichnen sich die Bauteile durch gute mechanische Eigenschaften wie etwa Festigkeit sowie eine hohe Temperaturbeständigkeit aus.

Sie eignen sich für zahlreiche Anwendungsfelder – von funktionalen Prototypen über patientenspezifische Implantate in der Medizin bis hin zu Serienprodukten, bei denen mehrere tausend Stück produziert werden müssen.

Für jedes Teil die richtige Lösung

Die beschriebenen Beispiele sind nur ein Ausschnitt der vielfältigen Möglichkeiten, die die additive Fertigung heute bietet. Dabei wird für jedes einzelne Verfahren eine Auswahl an unterschiedlichen Materialien genutzt, die sich besonders gut für die Prototypenherstellung eignen. Es lohnt sich, wenn sich Unternehmen von den ­jeweiligen Experten umfassend beraten lassen, um den jeweils passenden Ansatz zu
finden.

Die Autorin Andrea Landoni ist Produktmanager 3D-Druck EMEA bei Protolabs.

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