Materialien für Rapid Prototyping: Arten, Vorteile und Auswahlleitfaden

Materialien für die schnelle Prototypenerstellung

Die Grundlage für die Leistungsfähigkeit eines Prototyps ist das richtige Material. Schnelle Musterlieferung Das Rapid Prototyping wandelt ein digitales Design schnell in ein physisches Bauteil um – doch die Verwendung des falschen Materials kann den Validierungsprozess erschweren und teure Nacharbeiten verursachen. 

Zu den Materialoptionen gehören Metalle, Kunststoffe, Harze, Keramik, Verbundwerkstoffe, Biomaterialien, Wachs sowie Papier und Pulver. Ingenieure nutzen diese, um visuelle und funktionale Modelle zu entwickeln, die der Serienproduktion vorausgehen. Hersteller, die Zeit einsparen und ihren Kunden einen Mehrwert bieten wollen, können es sich nicht leisten, einen Prototyp zu entwickeln, der das gewünschte Bauteil falsch darstellt oder bereits bei der geringsten Belastung versagt. 

Von steifen Verbundwerkstoffen bis hin zu bearbeitbaren Kunststoffen – jedes Material für Rapid Prototyping erfüllt eine spezifische Funktion im Produktentwicklungsprozess. Das richtige Material fördert nicht nur Designiterationen und hilft, Kosten zu kontrollieren, sondern weckt auch das Interesse der Stakeholder. 

Die in diesem Leitfaden enthaltene Aufschlüsselung der Materialoptionen gibt Ihnen Einblick in die Möglichkeiten, Vorteile und Einschränkungen jeder Kategorie. Dies hilft Ihnen, das richtige Material für Ihren Prototyp im nächsten Projekt auszuwählen. 

Was ist Rapid Prototyping?

Rapid Prototyping ist eine Fertigungstechnik, die ein digitales Design schnell in ein physisches Bauteil umsetzt. Diese Technik vermeidet die mit herkömmlichen Werkzeugen verbundenen Vorlaufzeiten und Kosten. 

Im Kern umfasst Rapid Prototyping fünf Phasen;

Schnelle Prototyping-Phasen

Zu den gängigen Rapid-Prototyping-Verfahren gehören Blechbearbeitung, CNC-Bearbeitung, 3D-Druck und Spritzguss mit kostengünstigen Werkzeugen. Hersteller nutzen visuelle und funktionale Modelle aus dem Rapid Prototyping, um Form, Passform und Funktion zu testen. Dies ist ein wichtiger Schritt vor der Serienproduktion. 

Vorteile von Rapid Prototyping

Rapid Prototyping schließt die Lücke zwischen Konzept und physischem Produkt. Zu den daraus resultierenden Geschäftsvorteilen zählen eine schnellere Markteinführung, Kosteneffizienz, Qualität, Test und Validierung, Individualisierung, Nachhaltigkeit und verbesserte Kommunikation.

Metallprototypen

Die drei am häufigsten verwendeten Metalle für das Rapid Prototyping sind Aluminium, Edelstahl und Titan. Prototypenbau aus Metall bietet Vorteile wie Hitzebeständigkeit, Langlebigkeit und Festigkeit. 

Hier erfahren Sie, wie die einzelnen Metalle für das Rapid Prototyping in Projekte passen. 

Prototypen aus Aluminium 

Gründe, warum Aluminium ein bevorzugtes Material für die schnelle Prototypenfertigung ist, sind unter anderem seine hervorragende Bearbeitbarkeit, die relativ niedrigen Kosten, die Korrosionsbeständigkeit und ein hohes Festigkeits-Gewichts-Verhältnis von bis zu 1.8.3]

Aluminium-Prototyp

Ingenieure greifen häufig auf stranggepresste Aluminiumprofile zurück, die nach ASTM B221-Normen gefertigt werden, um gleichbleibende Maßtoleranzen und mechanische Eigenschaften zu gewährleisten.2]

Prototypen aus Edelstahl

Prototypen aus Edelstahl werden dort eingesetzt, wo das Bauteil Korrosion, wiederholter mechanischer Belastung und allgemein rauen Bedingungen standhalten muss. Aufgrund der höheren Festigkeit von Edelstahl ist mit einem höheren Werkzeugverschleiß und längeren Bearbeitungszeiten zu rechnen. 

Prototypen aus Titanmetall 

Diese Metallprototypen bieten eine Leistungsfähigkeit, die von anderen Metallen hinsichtlich Biokompatibilität, Korrosionsbeständigkeit und Festigkeits-Gewichts-Verhältnis nicht erreicht wird. Typische Anwendungsgebiete für die Metallprototypen sind die Luft- und Raumfahrtindustrie sowie die Medizintechnik.

Medizinischer Prototyp aus Titan

Da Titan relativ langsam zu bearbeiten und teuer ist, wird es verständlicherweise hauptsächlich für Validierungsprototypen verwendet. Prototypen in frühen Entwicklungsstadien lassen sich besser aus weniger hochwertigen, kostengünstigeren und leichter zu bearbeitenden Materialien fertigen. 

Kunststoff-Prototyping

Die fünf am häufigsten verwendeten Optionen in Prototyping von Kunststoffprodukten sind Polycarbonat (PC), Polymethylmethacrylat (PMMA), Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS), Polypropylen (PP) und Polystyrol (PS). [4]

Es gibt zwei Gründe, warum Kunststoffe die am häufigsten verwendeten Materialien beim Rapid Prototyping sind: die Verfügbarkeit in verschiedenen Qualitäten und die einfache Bearbeitbarkeit. 

Polycarbonat (PC) Kunststoff-Prototypen

Eine der herausragendsten Eigenschaften von Polycarbonat (PC) ist seine ausgezeichnete Schlagfestigkeit. Darüber hinaus ist das Material von Natur aus transparent und bietet außergewöhnliche Leistung in einem breiten Betriebstemperaturbereich (-30 °C bis 120 °C).5]

Poly(methylmethacrylat) (PMMA) Kunststoff-Prototypen

Es handelt sich um ein glasähnliches Acrylmaterial, das häufig als Glasersatz im Kunststoff-Prototypenbau eingesetzt wird. Es zeichnet sich durch hervorragende optische Klarheit aus. Obwohl es spröder als Polycarbonat (PC) sein mag, eignet es sich aufgrund seiner guten Witterungs- und UV-Beständigkeit dennoch für die schnelle Prototypenfertigung im Außenbereich. 

Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS)-Kunststoff-Prototypen

Prototyp aus ABS-Kunststoff

ABS ist aufgrund seiner hervorragenden Bearbeitbarkeit, Festigkeit und Wirtschaftlichkeit bei Herstellern für Funktionsprototypen sehr beliebt. Wie Polycarbonat (PC) weist auch ABS eine gute Schlagfestigkeit auf. Dieses kostengünstige Material lässt sich zudem leicht bearbeiten und im 3D-Druckverfahren herstellen. Hinzu kommt eine gleichmäßige Oberflächenbeschaffenheit. 

Polypropylen (PP) Kunststoff-Prototypen

Polypropylen besitzt eine hohe Dauerfestigkeit, die für die Herstellung von Schnappverbindungen und Filmscharnieren unerlässlich ist. Seine gute chemische Beständigkeit ist zudem wichtig für die schnelle Prototypenfertigung von Bauteilen, die für raue Umgebungen bestimmt sind. Ein Nachteil dieses Kunststoffs wäre seine geringere Dimensionsstabilität im Vergleich zu PC oder ABS. 

Prototyping aus Polystyrol (PS)-Kunststoff

Aufgrund seiner Kosteneffizienz und einfachen Verarbeitung eignet sich PS hervorragend für frühe Konzeptprototypen. Die Sprödigkeit des Materials schließt es jedoch für Anwendungen zur mechanischen Validierung aus. Ingenieure verwenden es daher bevorzugt für Form- und Passungsprojekte. 

Typische Eigenschaften gängiger Prototypenkunststoffe

Die folgende Tabelle hebt die typischen Eigenschaften gängiger Prototypenkunststoffe hervor. 

[4]

Harze für Rapid Prototyping

Harze ermöglichen enge Toleranzen und feine Oberflächen, die mit Metallen oder Kunststoffen nicht erreicht werden können. Ob mittels DLP oder SLA – die spezifischen Gründe, warum sich ein Hersteller beim Rapid Prototyping für Harze entscheiden könnte, sind:

• Anforderung an detaillierte visuelle Modelle
• Hohe Maßgenauigkeit und feine Oberflächengüte
• Anforderungen an Spezialformulierungen – Standard-, flexible, gießbare und andere

Für die Herstellung von Rapid Prototyping verwendeten Harzen sind diese jedoch aufgrund ihrer UV-Empfindlichkeit und Sprödigkeit für funktionale Prototypen ungeeignet.

Keramik für Rapid Prototyping

Keramik eignet sich hervorragend für Prototypen, wenn die Konstruktion Anforderungen an Isolierung und extreme Hitzebeständigkeit erfüllen muss. Die Temperaturgrenze ist höher als die, die die meisten Kunststoffe oder Metalle aushalten können. 

Keramische Prototypen sind nicht die beste Option, wenn es auf mechanische Festigkeit ankommt. 

Keramikprototyp

Verbundwerkstoffe für Rapid Prototyping

Verbundwerkstoffe sind stark und steif, aber nicht so schwer wie massives Metall. Die Optionen für Kohlefaser-Prototypen Weitere Anwendungen im Bereich des Rapid Prototyping sind Mischungen aus gehacktem Kohlenstoff und Polyurethan, kohlenstofffaserverstärktes Nylon und mit Glasperlen und Glasfasern gefüllte Polymere;

• Gemische aus gehacktem Kohlenstoff und Polyurethan
• Kohlenstofffaserverstärktes Nylon
• Mit Glasperlen/Glasfasern gefüllte Polymere

Prototypenbau aus Kohlefaser wird insbesondere für hochfeste, leichte Prototypen bevorzugt. 

Biomaterialien für die schnelle Prototypenerstellung

Biomaterialien gewinnen im Bereich des Rapid Prototyping zunehmend an Bedeutung. Der Hauptvorteil dieser Materialien liegt in der geringeren Umweltbelastung. 

Einige Merkmale von Biomaterialien im Rapid Prototyping:

• Ideal für Konzeptmodelle
• Geringere Umweltbelastung als erdölbasierte Kunststoffe
• Mangelhafte mechanische Festigkeit und Hitzebeständigkeit 

Beispiele für Biomaterialien sind biobasiertes PA und PLA. 

Wachs für schnelles Prototyping

Wachs ist das unverzichtbare Material für die Herstellung von Feingussmodellen. Seine hohe Wertschätzung als Material für die schnelle Prototypenerstellung beruht vor allem auf seiner Fähigkeit, sauber auszubrennen, und der exzellenten Oberflächengüte, die es erzeugt. Die Sprödigkeit von Wachs schließt das Material jedoch für funktionale Prototypen aus. Wir sind uns aber wohl alle einig, dass es die schnelle Herstellung von Gussmetallteilen ermöglicht. 

Papier und Pulver für schnelles Prototyping

Die Rolle dieses Materials im Rapid Prototyping ist zwar begrenzt, aber dennoch vorhanden. Es ermöglicht die schnelle und kostengünstige Herstellung visueller Modelle für frühe Prototypen. Da die mechanische Festigkeit solcher Modelle begrenzt ist, eignen sie sich nicht für funktionale Prototypen.

Probieren Sie Prolean jetzt aus!

Die Vor- und Nachteile von Rapid-Prototyping-Materialien 

Die folgende Tabelle hebt die Vor- und Nachteile des Rapid Prototyping für die verschiedenen Materialien hervor, die von hoher Festigkeit gegenüber hohen Kosten bei Metallen bis hin zu geringerer Umweltbelastung gegenüber geringer Festigkeit bei Biomaterialien reichen. 

Überlegungen bei der Auswahl von Materialien für Rapid Prototyping 

Folgende Faktoren sollten bei der Materialauswahl in der Prototypenphase berücksichtigt werden: Geschwindigkeit, Funktionalität, Kosten, Oberflächenbeschaffenheit, Umwelteinflüsse und mechanische Beanspruchung.  

• Schnelligkeit – Die Geschwindigkeit der Materialbeschaffung, -bearbeitung, des Druckens oder des Spritzgießens ist einer der Faktoren, die die Anzahl der Designiterationen bestimmen, die ein Team durchführen kann.  
• Funktionalität – So wichtig das Aussehen des Prototyps auch ist, das Material sollte nach Abschluss der Produktion auch die tatsächliche Leistung des Bauteils widerspiegeln. 
• Kosten Die Material- und Verarbeitungskosten sollten dem Zweck des Prototyps entsprechen. Die Verwendung eines serienreifen Materials ist in der Prototypenphase in der Regel nicht notwendig. 
• Oberflächenfinish – Manche Prototypen erfordern ein seriennahes Aussehen, andere nicht. Falls der Prüfer oder Stakeholder einen Prototyp verlangt, ist es ratsam, auf Materialien zu bestehen, die eine entsprechende Oberflächenbeschaffenheit ermöglichen. 
• Umweltbelastung Chemikalien, Feuchtigkeit, Salzgehalt und ähnliche Faktoren kennzeichnen die Bedingungen in der Praxis. Das Prototypmaterial sollte diesen Bedingungen gegebenenfalls standhalten können. 

Umweltbedingungen spielen eine Rolle

• Mechanische Beanspruchung Die tatsächliche Verwendung eines Prototyps bedeutet die Einwirkung mechanischer Kräfte. Das Material für einen funktionsfähigen Prototyp sollte diesen Anforderungen gerecht werden. 

Materialauswahl für Rapid Prototyping basierend auf dem Verwendungszweck: Eine Tabellenanalyse

Die nachstehende Tabelle hebt die empfohlenen Materialien für das Rapid Prototyping basierend auf dem beabsichtigten Verwendungszweck hervor. 

*Entscheiden Sie sich für Polycarbonat (PC) oder Titan anstelle von Werkstoffen mit nur einem Verwendungszweck, wenn Ihre Bauteile sowohl eine mechanische als auch eine thermische Validierung erfordern. 

Prototyping-Prozesse für verschiedene Materialien

Die wichtigsten Prozesse, die Geschwindigkeit und Kosten eines Prototyps bestimmen, sind CNC-Bearbeitung, Spritzguss, 3D-Druck und Blechbearbeitung. Wie lassen sich diese Methoden mit Materialien für Rapid Prototyping vereinbaren?  

CNC Dienstleister

Die CNC-Bearbeitung ist aufgrund ihrer hohen Materialverträglichkeit mit einer Vielzahl von Werkstoffen ein zuverlässiges Verfahren zur Verarbeitung von Rapid-Prototyping-Materialien. Sie ist zudem relativ schnell und erfüllt somit optimal die Anforderungen an die Geschwindigkeit im Prototypenbau. 

Die Schritte der CNC-Bearbeitung für die Prototypenerstellung sind:

• Schritt 1:: Designideenentwicklung
• Schritt 2:: 3D-Dateierstellung
• Schritt 3:Identifizierung spezifischer CNC-Prozesse – Drehen, Fräsen, Bohren usw.
• Schritt 4:CNC-Programmierung
• Schritt 5:Prototyping 
• Schritt 6:: Testen 

CNC-Prototypenbearbeitung

Spritzguss 

Spritzgießen ist ein Validierungsverfahren für Kunststoffteile, die für die Serienproduktion geeignet sind. Es wird hauptsächlich zur Prüfung der Formgebungsleistung und von produktionsreifen Materialien eingesetzt. Die Werkzeuge für Prototypen sind in der Regel nicht so teuer wie die Werkzeuge für die Serienproduktion. Sie können aus Aluminium gefertigt werden. 

3D Druck

Der 3D-Druck besticht durch seine Geschwindigkeit und die Fähigkeit, komplexe Geometrien ohne Spezialwerkzeuge zu verarbeiten. Er eignet sich für eine Vielzahl von Kunststoffen, Verbundwerkstoffen und Harzen. Während einige 3D-gedruckte Bauteile die mechanischen Anforderungen der Serienfertigung erfüllen können, entscheiden sich Hersteller typischerweise für den 3D-Druck zur schnellen Prototypenerstellung. 

Blechherstellung

Blechfertigung

Die Blechbearbeitung im Prototypenbau ist nützlich für Bauteile wie Gehäuse, Paneele und Halterungen. Wie bei der Serienfertigung kommen dabei Verfahren wie Schneiden und Biegen zum Einsatz. 

Probieren Sie Prolean jetzt aus!

Zukunftstrends für Rapid-Prototyping-Materialien 

Dank Fortschritten in der Materialwissenschaft verringert sich die Kluft zwischen Prototyp und Endprodukt. Flexible Harze, biologisch abbaubare Kunststoffe, moderne Verbundwerkstoffe und Leichtere Designs und robustere Prototypen kennzeichnen die nächste Generation von Materialien für das Rapid Prototyping. 

• Flexible Harze – DLP- und SLA-Druckverfahren zeichnen sich durch Sprödigkeit aus, moderne Harztypen sind jedoch flexibler. 
• Biologisch abbaubare Kunststoffe – Angesichts des zunehmenden Drucks in Richtung Nachhaltigkeit werden in der Produktion stärkere und hitzebeständigere biologisch abbaubare Kunststoffe verfügbar. 
• Moderne Verbundwerkstoffe – Dank moderner gefüllter Polymere und faserverstärkter Formulierungen ist die Diskrepanz zwischen Prototypen und Serienteilen heute geringer. 
• Leichtere Designs und robuste Prototypen Im Allgemeinen eignen sich Rapid-Prototyping-Materialien immer besser für Funktionstests, wobei robustere Konstruktionen mit einem höheren Festigkeits-Gewichts-Verhältnis immer häufiger anzutreffen sind.

Fazit 

Das verwendete Material beeinflusst Aussehen und Leistung des Prototyps. Die Iterationsgeschwindigkeit und die Ähnlichkeit zum Endprodukt hängen eng mit dieser Wahl zusammen. Aluminium, Edelstahl und andere Metalle liefern die für funktionsfähige Prototypen erforderliche mechanische Festigkeit. Kunststoffe wie Polystyrol (PS) und ABS bieten eine einzigartige Kombination aus Bearbeitbarkeit und Wirtschaftlichkeit. Ingenieure greifen für hochpräzise Anwendungen bzw. Spezialprojekte auf Harze und Verbundwerkstoffe zurück. 

Im Wesentlichen gibt es viele Möglichkeiten, und Sie sollten die Funktion des Prototyps auf die Materialwahl abstimmen. Wenn Sie die Umsetzung einer Idee in ein fertiges Bauteil planen, unser Rapid-Prototyping-Dienste Wir bieten Ihnen die nötige Beratung zur Materialauswahl und mehr. Laden Sie Ihre Designdatei hoch und Sie erhalten innerhalb von 24 Stunden ein kostenloses Angebot. 

Ressourcen 

[1].https://irp-cdn.multiscreensite.com/c0227285/files/uploaded/Polycarbonate%20Sheet%20Extruded%20-%20clear%20Edited.pdf

[2].https://store.astm.org/b0221m-13.html

[3].https://www.researchgate.net/publication/327805143_Failure_predictions_in_warm_forming_of_7075-T6_aluminum_structural_parts

[4].https://kunststoff-profi.de/en/materials/

[5].https://www.directplastics.co.uk/data-sheets