Kosten als Startup niedrig halten – mit Rapid Prototyping zur günstigen Produktion?

3d-drucker

Viele Innovationen und Ideen, die Verwendung in klassischen Produktionsfeldern finden, stammen von Startups. Sie sind geprägt von einem Arbeitsklima, das auf Kooperation baut und Hierarchien weitgehend vermeidet. Doch eben jener Umstand führt dazu, dass ein nur geringer Teil der Produktentwicklungen es tatsächlich bis zur Marktreife schafft. Hohe Produktionskosten und das Risiko der ständigen Nachbesserung sind hier sicherlich zwei wesentliche Ursachen. Abhilfe schafft das Prinzip des 3D-Drucks, hier insbesondere Verfahren des Rapid Prototyping. Welche Vorteile sich für Unternehmen ohne großes Entwicklungsbudget ergeben, wird in diesem Artikel etwas genauer dargestellt.

Was ist Rapid Prototyping?

Rapid Prototyping (RP) bezeichnet unterschiedliche Verfahren zur Produktion von Mustern, die auf CAD-Konstruktionsdaten basieren. Der dahinterstehende Ansatz ist ein ohne weitreichenden manuellen Anteil ablaufendes Fertigungsverfahren, das auf STL-Datensätzen basiert. Die Grundlagen dessen sind nicht neu, bereits in den 1980er-Jahren wurden Methoden dieses Verfahrens in einzelnen Industriebereichen angewandt. Als ein Überbegriff wird 3D-Druck genannt, denn aus dreidimensionalen CAD-Daten werden mittlerweile fast voll automatisch physische Modellvarianten gefertigt.

Der wesentliche Vorteil besteht für Unternehmen darin, Ideen und darauffolgende Anpassungen zeitnah und kostengünstig zu realisieren. Dies ermöglicht eine Produktion ganz nach Maßgabe des Kunden, der von Beginn an in die Produktion mit eingebunden werden kann. Auf der anderen Seite stehen naturgemäß Einsparungen monetärer und humaner Ressourcen, sodass es selbst Startups möglich ist, besondere Produktideen zu entwickeln und tatsächlich auch zu produzieren.

Prototyp via 3D Drucker

Prototyp via 3D Drucker

Welche Vorteile bringen 3D-Druckverfahren mit sich?

Rapid Prototyping ist ein Teilbereich des 3D-Drucks, erste Ansätze wurden 1987 im Zuge der Stereolithografie umgesetzt. Zu Beginn stand ein schichtweise gebautes Einzelteil, welches auf Basis von UV-lichtempfindlichen Flüssigpolymeren produziert wurde – ein spezieller Laser hat das flexible Bauteil zugleich ausgehärtet. In der Folge entstanden weitere Ausprägungen, insbesondere solche mit FDM (Fused Deposition Modeling) oder SLS (Selective Laser Sintering oder Selektives Lasersintern Verfahren). Es wurden also nach und nach unterschiedliche Materialien, Fertigungsmethoden und Hybridtechnologien für 3D-Druckverfahren nutzbar gemacht.

Vorteile Nachteile
- Produktinnovationen, insbesondere Designvorgaben, können von CAD-Dateien ausgehend produziert werden.

- 3D-Druck ermöglicht eine Hand-in-Hand gehende Funktionsüberprüfung, sodass Produktionsfehler hinsichtlich Design- oder Passform schon zu einem frühen Stadium erkannt und korrigiert werden können.

- Kundenwünsche bezüglich Design oder dem zugrundeliegenden Funktionsumfang können zeitnah und flexibel realisiert werden.

- Endprodukte, allen voran Einzelteile nach Kundenwunsch, weisen wesentlich verringerte Konstruktionsfehler auf.

- Anschaffungskosten sind mitunter hoch, sodass Startups häufig auf 3D-Druck-Dienstleister zurückgreifen müssen.

- Nur partiell für die Serienfertigung geeignet, da eine schnellere Produktion ein und desselben CAD-Datensatzes nicht gegeben ist.

Ein Blick auf die Details – Rapid Prototyping für jeden Zweck?

Mittlerweile können 3D-Druck-Dienstleister auf mehrere Jahrzehnte der praxisnahen Anwendung zurückblicken. Nach und nach wurden verschiedene Industriezweige und Produktionsverfahren integriert, seit Längerem wird in der Medizintechnik oder in der Ersatzteilefertigung des Automotive-Bereichs mit 3D-Druckverfahren gearbeitet. 3D-Druck ist vom Prinzip her ein additives Fertigungsverfahren, also ein schichtweise aufbauendes Verfahren. Zu Beginn steht ein virtuelles Produktdesign, zumeist vorliegend in einem CAD-Datensatz.

Der 3D-Drucker liest diese Daten aus und beginnt mit dem Aufbau des Werkstückes, je nach Bedarf mit Flüssig-, Pulver- oder Plattenmaterialien. Automatisch werden dabei alle produzierten Querschnitte zu einem physischen Modell zusammengetragen, es ist also kein manueller Arbeitsschritt nötig. Einschränkungen im Tagesablauf hängen vornehmlich mit der Größe des 3D-Druckers sowie der zugrundeliegenden Produktionszahl zusammen. Doch auch hier geht der Trend mittlerweile zu miteinander verknüpften Produktionsverfahren, die über eine Kleinteilefertigung hinausgehende Option darstellen.

Ein Blick in die Zukunft: Wo führt die Reise hin?

Dass Rapid Prototyping mittlerweile einen festen Platz als additives Fertigungsverfahren einnimmt, ist unbestritten. Einen wirklichen Einfluss auf weite Industriezweige wird der 3D-Druck aber nur haben, sobald Rapid Prototyping im Rahmen der Serienfertigung Verwendung findet. In der Branche wird seit längerem die physikalische Leistungsgrenze diskutiert, also die tatsächliche Machbarkeit zur Produktion auch größerer Module. So liegt die Grenze bei Metall-Lasersintern derzeit bei 63 cm x 40 cm x 50 cm. Deutlich größere Maßstäbe sind im Rahmen der Kunststoff-Fertigung möglich.

Prioritär wird derzeit in Bezug auf die Produktionsgeschwindigkeit gearbeitet, ebenso steht die Fehleranfälligkeit beziehungsweise die Qualität der produzierten Einzelteile im Fokus. Eine Kombination aus Kunststoff und Metall jedoch, die eine wirkliche Praxistauglichkeit bedeuten würde, scheint indes fraglich. Zu stark unterscheiden sich die Fertigungsverfahren hinsichtlich der dabei gegebenen Temperaturbereiche. Zum anderen stellt sich die Frage, wie wirtschaftlich ein solch umfassendes Produktionsverfahren wäre. Steht doch die zeitnahe und kostengünstige Fertigung bestimmter Einzelteile zu sehr im Fokus.

Weitere Einsatzgebiete und Fazit

Die Schwierigkeit ist es, die einzelnen Verfahren des Rapid Prototyping so darzustellen, dass ein einheitliches Bild entsteht. Derzeit gibt es gut ein Dutzend Verfahren, die Vorteile und Nachteile bezüglich der Materialdichten, hybriden Verknüpfungen einzelner Produktionsmethoden und dergleichen verbinden. Im Folgenden soll angeführt werden, in welchen Industriezweigen der 3D-Druck schon heute Relevanz besitzt.

  • Werkzeug- und Spezialmaschinenbau
  • Automobilindustrie
  • Flugzeugbau
  • Feinmechanik
  • Elektrobau
  • Architektur und Bauplanung
  • Medizintechnik

Diese Auswahl erhebt keinen Anspruch auf Vollständigkeit, gibt es aber dennoch ein relativ kompaktes Bild der differenzierten Einsatzgebiete. Vor allem in der Medizintechnik wird im Zuge der bildgebundenen Verfahren, also bei Röntgen- oder Ultraschalltechnik, zu einem hohen Maße auf 3D-Druckverfahren zurückgegriffen. Der wachsende Anteil der Informatik trägt dem Ganzen entsprechend Rechnung und ermöglicht künftig sicherlich weitere Entwicklungen.

Praktisch von Belang und im Alltag sichtbar sind etwa Hörgeräteschalen. Etwa jedes zweite Hörgerät wird schon heute im Rahmen generativer, additiver Fertigungsverfahren hergestellt. Es werden also höchst individuelle, sehr filigrane Raumstrukturen umgesetzt – ein Unterfangen, dass anderseits kaum zu bewerkstelligen wäre und finanziell absolut nicht tragbar. Durch die praktische Umsetzbarkeit wird es möglich sein, die innere Barriere bezüglich einzelner Produktideen zu überwinden. Die Grenzen ergeben sich nicht zwangsläufig aus dem, was bereits bekannt ist, sondern erst in der schrittweisen Fertigung auf Basis dreidimensionaler Modelle.

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