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Rapid Prototyping

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3D-Druck Prototypen aus elastischem Silikon-Druckmaterial

Im 3D-Druck-Verfahren werden dreidimensionale, mitunter mehrkomponentige Gegenstände, schichtweise nach CAD-Datensätzen aufgebaut. Während des Drucks des Werkstücks finden physikalische oder chemische Härtungsprozesse statt. Typischerweise verarbeiten 3D-Drucker KunststoffeKunstharzeKeramiken und Metalle. Mittlerweile können auch Carbon- und Graphitmaterialien für den 3D-Druck eingesetzt werden.

3D-Druck ist das wichtigste Verfahren des Rapid Prototypings und hat sich in den letzten Jahren  als schneller Prototypenbau stark verbreitet. Das Verfahren hat sich nicht nur für die Fertigung von Prototypen, sondern auch für Bauteile, die nur in kleiner Stückzahl benötigt werden, durchgesetzt. Das aufwändige Herstellen von Formen oder Werkzeugen entfällt; der 3D-Drucker erschafft das gewünschte Teil quasi aus dem Nichts.

Mit der 3D-Drucktechnologie kann KREMER flexible Prototypen aus einem silikonähnlichen Material in den Härtegraden 35 Shore A oder 65 Shore A drucken. Die wahlweise aus einem der beiden Materialien hergestellten Prototypen sind der Funktionsweise eines Silikonformteils oder einer Dichtung aus Silikon schon recht ähnlich.

Weitere Informationen zum Rapid Prototyping

Können Prototypen auch aus weichem, elastischem Material gedruckt werden?

Die Drucker und Werkstoffe von Keyence ermöglichen einen 3D-Druck mit weichem und elastischem Material. Sie setzen Maßstäbe hinsichtlich Geschwindigkeit, Materialeigenschaften und Preis-Leistungs-Verhältnis und stellen eine solide Grundlage dar, auf der wir Sie künftig in der Entwicklungsphase noch besser unterstützen können. Die Vorteile der Prototypen, die Sie bei KREMER erstellen lassen können:
 

  • Weiche Prototypen aus silikonähnlichem Material in 35 Shore A oder 65 Shore A
  • Prototypen als Funktionsmuster – Dichtigkeitsprüfungen möglich
  • Hauchdünne Materialschichten von 15 µm für feine Details und Wanddicken bis zu 0,6 mm
  • Glatte, nachträglich lackierfähige Oberflächen sind möglich
  • Prototypen mit äußerst geringer Wasseraufnahme (Wasserabsorption <0,4%)
  • Teilegeometrien bis zu einer Länge und Breite eines DIN A4 Blattes und einer Höhe von maximal 200 mm
  • Silikonähnliche Beständigkeiten und Eigenschaften des Druckermaterials
  • Hitzebeständigkeiten wie bei Silikon: 65 Shore A Type bis 150°C/35 Shore A Type bis 200°C
Wie schnell können gedruckte Prototypen geliefert werden?

KREMER hat den Anspruch, seinen Kunden immer das Rapid Prototyping(RP) Verfahren anbieten zu können, das das meiste Einsparpotenzial in punkto Zeit und Kosten gewährleistet. Der 3D-Druck ist hierfür ideal: Lieferungen innerhalb von 48 Stunden sind mit dem Keyence-Drucker realisierbar.

Können auch Prototypen mit harten und weichen Materialien in einem Vorgang gedruckt werden?

Der 3D-Druck mit PolyJet-Matrix-Technologie bietet uns die Möglichkeit, Ihnen bereits in der Planungs- und Projektierungsphase auf zeitsparende und kostengünstige Weise detailgetreue, komplexe, auch mehrkomponentige Prototypen – ohne teure Werkzeuge – anzufertigen. Eine Lieferzeit von wenigen Arbeitstagen ist möglich.

Den 3D-Daten werden digital Eigenschaftsprofile zugewiesen. Der Drucker bevorratet verschiedene Acrylatwerkstoffe, sowie ein Stützmaterial. Damit können unterschiedlichste Shorehärten und Farben beliebig miteinander kombiniert und quasi digital gemischt und in einem Druckvorgang verarbeitet werden. Das Acrylatmaterial ist nicht so beanspruchbar wie die silikonähnlichen Materialien des Keyence-Druckverfahrens. Aufgrund der extrem dünnen Schichten von 0,016 mm bei einer Auflösung von 600 dpi stellt die PolyJet-Matrix-Technologie das derzeit genaueste RP-Verfahren dar.

Durch das frühzeitige Erkennen und Beheben von eventuellen konstruktiven Fehlern oder Schwachpunkten kann mittels generativen Fertigungsverfahren eine ausgereifte Ausgangsbasis für Serienteile hergestellt werden. Unnötige Kosten für nachträgliche Fehlerkorrekturen in herkömmlichen Werkzeugen werden vermieden.

Der 3D-Druck wird insbesondere eingesetzt, um erste Einbauversuche durchzuführen. Manchmal empfiehlt es sich auch, Bewegungen von Dichtungen im Vorfeld zu simulieren. Hierfür eignet sich der Werkstoff Acrylat. Allerdings ist Acrylat nicht geeignet für serienmäßige Anwendungen.

3D-Druck: Dichtungen und Formteile aus Gummi und Kunststoff

KREMER-Tipp

Bestellen Sie erst nach Prüfung eines im günstigen 3D-Druck gefertigten Prototyps die Herstellung von Serienwerkzeugen und daraus gefertigten Erstmustern. Sie gewinnen nicht nur eine hohe Flexibilität in der Konstruktions- und Entwicklungsphase, sondern können auch die Eigenschaften Ihres Produkts auf vielerlei Merkmale optimieren.

Weitere 3D-Druck-Verfahren

3D-Druck ist ein Oberbegriff für unterschiedliche Verfahren, die nach ähnlichem Prinzip funktionieren. Allen gemein ist der schichtweise Aufbau des Werkstücks aus formneutralen oder formlosen Werkstoffen auf Basis dreidimensionaler CAD-Konstruktionsdaten. Dazu gehören das Selektive Lasersintern (SLS) und die Stereolithografie (STL oder SLA). Diese Verfahren kommen je nach kundenspezifischen Vorgaben an einen Prototyp zum Einsatz, die Bandbreite der nutzbaren Werkstoffe ist enorm breit und vielseitig.

Dank langjähriger Erfahrung und Kompetenz im Rapid Prototyping ist KREMER in der Lage, Entwicklungszeiten – die „Time to Market“ – auf ein Minimum von wenigen Wochen bis Tagesfrist zu verkürzen.

Selektives Lasersintern

Das Selektive Lasersintern (SLS) ist ein Verfahren, um räumliche Strukturen durch Sintern aus einem pulverförmigen Ausgangsstoff herzustellen.

Es ist ein generatives Schichtbauverfahren: Das Werkstück wird Schicht für Schicht aufgebaut. Durch die Wirkung der Laserstrahlen können so beliebige dreidimensionale Geometrien auch mit Hinterschneidungen erzeugt werden.

Der Vorteil dieses Verfahrens liegt in der Verwendung von seriennahen Werkstoffen wie Polyamid, Polystyrol (PS) und Polypropylen (PP). Diese Werkstoffe lassen sich ihren Eigenschaften entsprechend in unterschiedlichste Entwicklungsprozesse einbinden.

Stereolithografie

Stereolithografie (abgekürzt STL oder SLA) ist ein technisches Prinzip des Rapid Prototypings und des Rapid-Manufacturings, in dem ein Werkstück durch frei im Raum materialisierende (Raster-)Punkte schichtenweise aufgebaut wird. Die Fertigung eines Teils oder mehrerer Teile gleichzeitig erfolgt üblicherweise vollautomatisch aus am Computer erstellten CAD-Daten.

Die Stereolithographie wurde kontinuierlich weiterentwickelt. Es stehen eine Vielzahl von Werkstoffen mit unterschiedlichsten Eigenschaftsprofilen zur Verfügung.

Für Anschauungsmuster mit einer hohen Anforderung an Detailwiedergabe und Oberflächenqualität ist die Stereolithographie (SLA) die erste Wahl.

Andere Rapid Prototyping-Verfahren

Wasserstrahlgeschnittene Prototypen

Mit dem Verfahren des Wasserstrahlschneidens schneiden wir sehr schnell Prototypen aus serienmäßigen Materialien.

Der Werkstoff spielt dabei keine entscheidende Rolle. Für das Wasserstrahlschneiden benötigen wir nur DXF-Dateien, und schon können wir Prototypen aus

  • Gummi (Vollgummi),
  • Zellkautschuk (Schaum- oder Moosgummi) und
  • Kunststoff oder Kunststoffschaum

innerhalb weniger Tage herstellen.

Wesentlicher Vorteil des Verfahrens: Die Schnittbilder der aus Dichtungs- und Isoliermaterialien hergestellten Prototypen fallen nicht konkav aus. Bei gestanzten Dichtungen ist dies je nach Weichheit und Dicke der Gummiwerkstoffe sehr unterschiedlich.

Vakuumguss-Technik

Das Vakuumgießen ist eines der am weitest verbreiteten Verfahren zur schnellen und kostengünstigen Vervielfältigung von Urmodellen. Kleine bis mittelgroße Bauteile entstehen im „klassischen“ Vakuumguss. D. h., hier wird sowohl das Werkzeug als auch das Polyurethan evakuiert. Dies geschieht mit Hilfe einer Form aus Silikonkautschuk unter Nutzung einer Vakuumkammer zur Vermeidung von Lufteinschlüssen in Form und Werkstück. Die Gussform aus Silikon ermöglicht sehr viele, im Durchschnitt ca. 25 Abgüsse.

Die Vakuumguss-Technik setzen wir schwerpunktmäßig für das Vergießen von Polyurethan und Silikon ein.

Dank der sehr großen Auswahl und Verfügbarkeit von unterschiedlichsten Eigenschaftsprofilen der PU-Werkstoffe können nahezu alle Kunststoffteile sehr schnell in Form und Funktion getestet werden. Bei kleineren Stückzahlen sind diese Werkstoffe auch für Serienanwendungen eine Alternative zu Spritzgussteilen.

Silikon steht in vielen Shore-A-Härten zur Verfügung. Das so hergestellte Vakuumgussteil kann serienmäßig eingesetzt werden. 

Alu-Werkzeuge für spritzgegossene Prototypen

Für die schnelle Fertigung von Prototypen und kleinen Serienmengen werkzeuggebundener Spritzgussteile und Formteile aus Kunststoff und TPE eignet sich die Aluminium-Werkzeug-Erstellung.

Um gerade bei der zeitlichen Umsetzung von der Konstruktion zum Versuchs- und Prototypenwerkzeug konstant kurze Durchlaufzeiten gewährleisten zu können, verfügen wir über mehr als 20 Stammformen. Die Projektdurchlaufzeit reduziert sich auf zwei bis sechs Wochen bis zur Vorstellung von Musterteilen. Die Zeit ist abhängig von der Komplexität des Produktes.

Auch die Realisierung von Mehrkomponententeilen und Teilen, die mittels Gas- oder  Wasserinnendruck-Technik (GIT/WIT) gefertigt werden, sind mit Alu-Werkzeugen problemlos machbar. Mehr über Spritzgießwerkzeuge aus Aluminium.

Anwendungsbeispiele für Rapid Prototyping

Kabeltülle

Konstruktion und Entwicklung

Eine Kabeldurchführungstülle ist kein spektakuläres oder kompliziertes Teil. Sie ist der vielversprechende Weg der Prototypenherstellung bei der in einem Arbeitsgang spezifische Produktanforderungen, die an die Tülle gestellt wurden, umgesetzt werden konnten.

Der erste Schritt: geprintete, werkzeuglose Prototypen

Die Prototypen wurden mittels einer Technologie gefertigt, die es erlaubt, dreidimensionale Modelle auch aus mehreren Materialien und mit verschiedenen physikalischen Eigenschaften zu fertigen, ohne Herstellung eines Prototypenwerkzeuges. Eine enorme Kostenersparnis und was häufig noch wichtiger ist, eine enorme Zeitersparnis.

Prototyp der Kabeltülle

In einem einzigen Arbeitsschritt können Teile innerhalb von wenigen Tagen nach Vorlage der 3D-CAD-Daten geschaffen werden, die wie die Endprodukte auch aus unterschiedlich harten oder weichen Materialien bestehen können. So lassen sich z. B. Knickverhalten und Montierbarkeit (eingeschränkt auch Funktionstests) schon in einem sehr frühen Stadium der Produktentwicklung ausführen. Erst nach Anpassung und Prüfung des geeigneten Prototyps werden anschließend die Erstmuster aus Serienwerkzeug hergestellt.

Schlichtes Produkt mit besonderer Spezifikation: Endprodukt Kabeltülle

Die Anforderung: Ein vorkonfektioniertes Kabel soll mit einer Kabeltülle versehen und zusammen in ein Aluminiumdruckgussgehäuse montiert werden. Die Tülle wird jedoch nicht durch einen Gehäusedeckel, sondern durch eine Dichtschnur von oben in den Sitz gepresst.

Von unserem Kunden vorgegeben war, dass die Anschlusselemente des Kabels nicht durch die Bohrung passen werden, die Tülle somit geschlitzt sein müsste.

Dies wiederum stand im Widerspruch zur Forderung, das Gehäuse gegen Spritzwasser abzudichten. Die Schwierigkeit bestand darin, die geschlitzte Kabeltülle genau so zu dimensionieren, dass alle resultierenden Kräfte eine ausreichende Verpressung gegen die Gehäusewand und das Kabel ausüben und eine Deformation der geschlitzten Kabeltülle vermieden werden konnte.

Eine Standard-Kabeltülle schied als Alternative aus. Eine Gratwanderung, die hohe Ansprüche an das Entwicklungsteam und die Technik stellte.

TPE Schutzkappe

Der Faltenschlauch der Schutzkappe sollte sich um 90° zur Ausgangsstellung nach oben biegen lassen. Zu Demonstrationszwecken ließ unser Kunde ein Stereolithografieteil anfertigen, um daran die Funktionsweise der Schutzkappe darstellen zu können. KREMER erstellte nach den vorliegenden CAD-Daten einen gedruckten Prototypen aus 60 Shore A weichem TPE-Material.

Im Gegensatz zum Stereolithografieteil ließ der 3D-Prototyp sofort erkennen, dass die Anzahl der Falten nicht ausreichen würde. Wir konnten den Prototyp innerhalb kurzer Zeit anpassen und überprüfen. Das Serien-Werkzeug wurde nach den ermittelten Werten erstellt.

2-K-Kugelkabeltülle

Anforderung an die Produktfunktionalität

Die gummieleastische Komponente wurde aus einem thermoplastischen Elastomer (kurz TPE), die Lagerkugel als Hartkomponente aus einem PA-GK 30 in einem klassisch rotierenden 2-K-Werkzeug hergestellt. Die gummielastische Komponente dient als Knickschutz.

Die Herausforderung

In der Konstruktionsphase wurde das Knickverhalten der elastischen Kabeltülle als kritisch betrachtet. Eine zu steife Kabeltülle behindere den Handwerker beim Bedienen der Werkzeugmaschine, eine zu weiche Tülle ließe das stromführende Kabel zu früh ermüden.

Trotz ausreichend guter Erfahrungen mit den von uns gelieferten Knickschutztüllen aus W-PVC konnte die Geometrie auf die neuartige Kugelkabeltülle nicht übertragen werden. Neu entwickelte Prototypen sollten Aufschluss über die funktionsgerechte Auslegung des Bauteils geben.

Die Lösung

Dank der gedruckten Prototypen konnte die Knickanfälligkeit der späteren Serienteile sehr gut vorhergesagt werden. Die notwendigen Wanddickenkorrekturen mussten lediglich am CAD-Rechner vorgenommen und der optimierte Datensatz konnte dem Serienwerkzeugbau zu Grunde gelegt werden.

Der Vergleich der 3D-Prototypen mit den Serienteilen überzeugte: Das Einsparpotential von ca. EUR 5.000.- gegenüber den Kosten eines herkömmlichen Pilotmusterwerkzeuges letztlich auch.

Glasauflageprofil für Wintergärten

Anforderungen an die Produktfunktionalität

Eine kleine Maßänderung des Alu-Strangprofils führte bei einem Wintergartenhersteller zu unerwarteten Montageschwierigkeiten des gelieferten EPDM-Glasauflageprofils. Durch eine gezielte Anpassung des Fuß- und Klemmbereichs des Glasauflageprofils an das Aluprofil sollte KREMER eine problemlose Montage und Stabilität gewährleisten. Größtes Problem: der Zeitdruck – wir mussten schnell eine Lösung realisieren.

Die Lösung

Die KREMER-Techniker haben den CAD-Datensatz des Glasauflageprofils angepasst und einen 20 cm langen und 60 Shore A weichen Profilabschnitt im Prototypen-Druckverfahren hergestellt. So konnten wir die Montierbarkeit und die Funktionalität des toleranzausgleichenden Fuß- und Klemmbereichs analysieren.

Drei Tage nach Korrektur der CAD-Daten lagen die Ergebnisse vor: Durch die Prüfung des Prototyps erzielten wir Erkenntnisse, die wir für den Bau des Extrusionswerkzeuges verwenden konnten. Die gedruckten 3D-Prototypen beschleunigten das Ergebnis. Schnelligkeit lag für unseren Kunden ganz klar im Fokus.

Prototyping mit Vakuumguss-Technik

Das 3D-Druckverfahren im Rapid-Prototyping ist aus KREMER-Sicht das optimale Verfahren, wenn genaue Anpassungsversuche im Vorfeld erfolgen müssen und wenn Ergebnisse schnell geliefert werden müssen. Die Technologie des Vakuumgießens im Bereich der Prototypenherstellung ist weit verbreitet. Die Technologie eignet sich sowohl für die Einzelstückanfertigung als auch für Prototypen.

Die Anforderung

Entwicklung einer verliersicheren Abdeckung von Metallrollen und Erstellung eines Prototypen. Die herausfordernde Aufgabenstellung an KREMER war, das Teil mit den Abmessungen 320 x 150 x 120 mm innerhalb weniger Tage zu realisieren.  

Unsere Vorbereitung

Spezielle Anforderungen an die Geometrie und ein knapper Zeitrahmen ließen uns das Vakuumgussverfahren als beste Alternative wählen. Damit konnten wir kurze Durchlaufzeiten gewährleisten. Als Material wurde die Gussform mit Silikon hergestellt. Silikon ermöglicht sehr viele, im Durchschnitt etwa 25 Abgüsse – wieder ein Faktor, der die Zeitersparnis unterstützte.

Die Konstruktion und Entwicklung erfolgte im engen Austausch mit dem Kunden. Das Verschlussteil sollte sich auf die Metallrollen mit Vorspannung aufdrücken lassen. Auch bei Vibrationen darf sich die Abdeckung nicht von der Halterung lösen, sondern muss festsitzen und dort verbleiben.

Aufgrund der Dringlichkeit fiel die Entscheidung auf die schnelle Umsetzung der Prototypen mittels der Vakuumgusstechnik. 

Die Lösung

Die Materialauswahl fiel auf PU 60 Shore A. Polyurethan Elastomer ist ein sehr widerstandsfähiger Werkstoff mit einer hohen Beständigkeit gegenüber Außeneinflüssen wie Öl und einer hohen mechanischen Festigkeit. Nach sieben Arbeitstagen waren die Prototypen verfügbar und konnten verbaut und unter Serienbedingungen getestet werden. Unser Kunde war mit der Funktion zufrieden, so dass direkt im Anschluss der Startschuss für die Serienteile fiel.

Hohlkammerprofil als Fugendichtung

Anforderung

Erstellung eines Angebotes einer Fugendichtung für eine Spaltbreite von 20 mm. Der Kunde benötigte eine serienmäßig hergestellte Musterlänge eines aus EPDM extrudierenden Profils für Demonstrationszwecke. Die Zeitvorgabe war sehr knapp bemessen.

Problemstellung

Kurz vor Auftragsvergabe stellte sich heraus, dass sich die Fugendichtung zur Überbrückung einer deutlich höheren Toleranz von 20 +10/-8 mm eignen sollte.

Lösung

Die KREMER-Techniker überarbeiteten die Geometrie der Fugendichtung, so dass von einem ursprünglich konstruierten Fahnenprofil ein Hohlkammerprofil abgeleitet wurde.

Damit sich das Hohlkammerprofil bei Ausnutzung der vollen Minustoleranz zusammenfalten und im gegenteiligen Fall auch vollständig strecken konnte, musste die Konstruktion sowohl Sollknickstellen als auch mechanisch belastbare Wanddicken beinhalten, die einen Gegendruck aufbauen konnten. 

Überprüfung der Konstruktion

Aus Termingründen konnte das Knick- und Streckverhalten des Profils zum Zeitpunkt der Auftragsvergabe nicht mehr vorab über wasserstrahlgeschnittene Prototypen (s. Wasserstrahlschneiden) getestet werden. Auch wenn diese Studie am wasserstrahlgeschnittenen Prototyp nur wenige Tage in Anspruch genommen hätte, wäre der Versuchsaufbau mit dem Vorserienprofil nicht mehr realisierbar gewesen. Das Profilwerkzeug wurde gebaut und die für den Versuchsaufbau des Kunden benötigte Musterlänge des EPDM-Dichtungsprofils hergestellt.

Zum Zwecke weiterer Designstudien und Überprüfung vermeintlicher Produktoptimierungs-möglichkeiten wurde die Herstellung von Prototypen nachgeholt. Die in einigen Punkten korrigierten Querschnittsdaten der wasserstrahlgeschnittenen Profilabschnitte bestätigten die unveränderte Hohlkammer-Profilkonstruktion von KREMER für die Serie.

Unser größter Ansporn? Zufriedene Kunden:

KREMER GmbH hat 4,58 von 5 Sternen |192 Bewertungen auf ProvenExpert.com

Was können wir für Sie tun?

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