Wie spart Rapid Prototyping mittels 3D-Drucker Zeit und Kosten?

Vor rund 30 Jahren nutzten gerade mal ein Zwanzigstel aller Hersteller Rapid Prototyping zur Fertigung von Mustern, Modellen oder Designkonzepten. Heute ist der schnelle Modellbau, wie Rapid Prototyping im deutschsprachigen Raum auch bezeichnet wird, fest in die Fertigungsabläufe der Unternehmen integriert. Fragt man entsprechende Unternehmen, wo für sie genau die Vorteile des Rapid Prototyping gegenüber herkömmlichen Fertigungsverfahren im Modellbau liegen, bekommt man zumeist die beiden Faktoren „Zeitersparnis“ und „Kostenreduzierung“ als Antwort genannt. Doch wie genau spart Rapid Prototyping eigentlich Zeit und Geld? Wir haben uns dieser Frage einmal angenommen.

Der klassische Weg zum Prototypen

Bevor ein Teil in die Serienfertigung geht und somit als Endprodukt den Anwendern zur Verfügung steht, durchläuft es einen Design- und Konstruktionsprozess. Aus einer Idee oder Vision entsteht am (digitalen) Reißbrett zunächst ein Ursprungsmodell, bestehend aus nicht viel mehr als Code, der durch ein Programm visualisiert wird. Dieses Modell wird zunächst am Rechner konkretisiert und bemaßt, so dass am Ende ein CAD-Modell vorliegt.

Liegen die Daten des Modells vor, kann daraufhin das entsprechende Werkzeug oder eine Form entwickelt, designt und konstruiert werden. Denn nur in den allerseltensten Fällen kann ein Prototyp direkt gefertigt werden! In der Regel bedarf es Hilfsmitteln wie den genannten Formen oder Werkzeugen, um den Prototypen überhaupt herstellen zu können. Auch hier kommen wieder CAD-Programme zum Einsatz.

Mit den Daten für die Form oder das Werkzeug geht es von der Konstruktionsabteilung dann in die Arbeitsvorbereitung der Fertigung, wo der Code in den Arbeitsspeicher einer entsprechenden Maschine (in der Regel CNC-Fräsmaschinen) geladen wird. Moderne Maschinen können die CAD-Daten direkt verarbeiten, bei älteren Maschinen muss aus den Daten vorab noch maschinenlesbarer Code generiert werden. Die Maschine fertigt daraufhin ein Werkzeug oder eine Form, zumeist aus einem massiven Metallblock, aber auch aus Holz oder Kunststoff. Anschließend wird das Ergebnis vermessen, eventuell nachbearbeitet, erneut vermessen, geprüft und freigegeben und kann am Ende des Prozesses für die Herstellung des Prototypen verwendet werden.

Beim klassischen Prototypenbau sind also folgende Abteilungen in einem Unternehmen (bzw. zusätzliche externe Dienstleister) involviert:

  • Design
  • Konstruktion
  • Werkzeug- oder Formenbau
  • Qualitätssicherung
  • Prototypenbau
Klassische Prototypenfertigung

Der Weg zum Prototypen mit Rapid Prototyping

In Unternehmen, die Prototypen und Modelle mit Rapid Prototyping realisieren, steht ebenfalls zu Beginn der Designprozess am Rechner. Dieser Schritt unterscheidet sich nicht von der klassischen Fertigung von Prototypen. Ist der Designprozess vollendet, beginnt jedoch schon der große Unterschied. Den anstatt des zeitintensiven Umwegs über den Werkzeug- und Formenbau kann mir Rapid Prototyping das virtuelle CAD-Modell direkt an die Rapid Prototyping Abteilung übergeben werden. Mittels 3D-Druckern wird das virtuelle Modell in eine physische Form umgesetzt. So kann das Ergebnis der Designabteilung sofort begutachtet, vermessen und bewertet werden. Auch eine vollständige Funktionsprüfung ist möglich!

Beim Rapid Prototyping sind also folgende Abteilungen aktiv:

  • Design
  • (stellenweise) Konstruktion
  • Prototypenbau
  • Qualitätssicherung
Prototypenfertigung mit Rapid Prototyping

Wie spart Rapid Prototyping Geld?

Für einen angenommenen Prototypen mit 300 mm Kantenlänge in jeder Achse muss bei klassischer Fertigung ein entsprechendes Werkzeug oder eine Form gefertigt werden, die mindestens 500 mm in allen Achsen an Arbeitsraum benötigen. Die für die Fertigung benötigte Maschine muss demzufolge bereits einen Arbeitsraum von 700 mm oder mehr in allen Achsen bereitstellen können, um das Werkstück spannen und bearbeiten zu können. Moderne CNC-Fräsmaschinen in dieser Größenordnung können in der Anschaffung bereits eine halbe Million Euro oder mehr kosten, abhängig von der Genauigkeit und Qualität. Zusätzlich zu den Investitionskosten in den entsprechenden Maschinenpark sind noch Löhne der Bedienmannschaften, Werkzeuge und Spannzeuge zu berücksichtigen. Unterm Strich kann man mit Maschinen-Stundensätzen von 100 bis 300 Euro kalkulieren, die als Basis für die Fertigung eines Werkzeuges in Betracht gezogen werden müssen. Zusätzlich kommen noch Kosten für Material, Rohstoffe und sonstige Betriebsmittel ins Spiel. Da auch noch Gewinn erwirtschaftet werden muss, erfolgt auch hier noch ein Aufschlag auf die Kalkulation. Ein Werkzeug oder eine Form, die für die Erstellung eines Prototyps benötigt wird, kann so problemlos mehrere tausend bis einige zehntausend Euro kosten.
Beim Rapid Prototyping entfällt der Schritt des Werkzeug- und Formenbaus komplett. Hier müssen nur mit einmaligen Investitionen für einen entsprechenden Drucker sowie für das zum Druck benötigte Material kalkuliert werden.

Und wie spart Rapid Prototyping Zeit?

Beim Rapid Prototyping werden die in der Konstruktion erstellten CAD-Daten unmittelbar für die Fertigung der Modelle und Prototypen verwendet. Die digitalen, virtuellen Modelle werden einfach an den entsprechenden 3D-Drucker weitergeleitet und dort in physische Modelle umgesetzt. So wird der zum einen teure und zum anderen zeitaufwändige Prozess des Werkzeug- und Formenbaus umgangen. Von der Vision bis zum Modell vergehen im Idealfall (und bei einfachen, kleinen Modellen) so nur wenige Stunden – im Vergleich zu mehreren Tagen, Wochen oder gar Monaten bei der konventionellen Fertigung.

Die Vorteile des Rapid Prototyping in der Zusammenfassung

Für eine wirtschaftliche Fertigung von Mustern, Einzelteilen oder Modellen sind die Faktoren Zeit und Geld ausschlaggebend. Und genau bei diesen Faktoren kann das Rapid Prototyping sein Potential in Perfektion ausspielen! Der extrem teure Prozess des Werkzeug- und Formenbaus kann mittels Rapid Prototyping vollständig übergangen werden. Von der Idee bis hin zum fertigen Modell vergehen im Idealfall keine 24 Stunden – vorausgesetzt, man hat alle benötigten Hard- und Softwarekomponenten sowie entsprechend geschultes Personal im eigenen Unternehmen zur Verfügung. Doch selbst wenn externe Dienstleister für den eigentlichen Druck der Modelle involviert werden müssen, sind die Kosten und der Zeitaufwand doch immer noch als wesentlich geringer zu erachten als bei konventionellen Fertigungsmethoden.

Ein weiterer, großer Vorteil des Rapid Prototyping liegt in der schnellen Überprüfbarkeit von Designideen. Im 3D Druck lassen sich problemlos Musterteile fertigen, die dem späteren Serienbauteil in allen technischen Details gleichen. So kann direkt am Modell geprüft werden, ob das Designkonzept stimmig ist, die Funktion gegeben und die Stabilität ausreichend konzeptioniert ist. Dies spart teure, zeitintensive Nacharbeiten!

Auch wenn der 3D Druck aktuell noch nicht in allen Branchen und für alle Größen von Prototypen geeignet ist, so ist doch abzusehen, dass sich die Technik in wenigen Jahren so weiterentwickelt haben wird, dass sie nach und nach klassische Fertigungsverfahren verdrängen oder zumindest umfassend ergänzen wird.