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Die 3D-Drucker von Formlabs nutzen das Stereolithografie-Verfahren. Bild: Formlabs
Stereolithografie

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Effektiveres Prototyping mit 3D-Druck

Text: Ruth Kociemba, Formlabs
Bei der Entwicklung von Geräten und Maschinen spielen Prototypen eine wichtige Rolle. Ihre Herstellung kann allerdings sehr zeitaufwendig und teuer sein. Schneller und effizienter wird sie durch 3D-Druck. Zumindest wenn man auf das richtige Verfahren setzt.

Viele Entwickler stehen vor der Herausforderung Prototypen zu bauen, die möglichst akkurat, gleichzeitig aber nicht zu teuer und zeitintensiv in der Herstellung sind. Genauso ging es auch Sebastian Leifels bei der Entwicklung des Holzfeuchtemessers HF 550. Leifels designt Geräte für die nordrhein-westfälische Firma Wöhler. Durch das Gerät lässt sich der Feuchtigkeitsgehalt von Feuerholz, Pellets und Holzspänen feststellen. Mit dem Modell wollte Leifels das von ihm entworfene Design vor der Herstellung des für die Produktion notwendigen Spritzgießwerkzeugs überprüfen. „In dieser Entwicklungsphase ist es wichtig, Fehler zu vermeiden. Abänderungen am Spritzgießwerkzeug sowie dem Endprodukt sind teuer. Die Kosten dafür können bei einem drei- bis fünfstelligen Euro-Betrag liegen“, sagt er.

Präzise Modelle in wenigen Stunden

Um seine Deadline einzuhalten, mussten Änderungen am Prototyp für Leifels schnell und einfach durchzuführen sein. Er entschied sich deshalb für die Verwendung von Desktop 3D-Druck. Seine Wahl fiel auf einen 3D-Drucker von Formlabs, der mithilfe der Stereolithografie-Technologie (SLA) innerhalb von Stunden präzise Modelle erschafft. „Mit dem Formlabs 3D-Drucker brauchten wir für die Prototypenherstellung der weichen Teile statt mehrerer Tagen nur noch einige Stunden. Durch den Drucker haben wir mehrere Wochen im gesamten Entwicklungsprozess eingespart”, erklärt Leifels zufrieden.

Die Stereolithografie ist ein 3D-Druckverfahren, bei dem ein von Galvanometern ausgerichteter UV-Laser Punkt für Punkt die Oberfläche eines, bei Raumtemperatur flüssigen, Kunstharzes aushärtet. Im Gegensatz zum herkömmlichen Schmelzschichtverfahren (Fused Deposition Modeling, FDM) wird das Objekt kopfüber aus einem Becken aufgebaut und herausgezogen.

Das Prototyping im eigenen Haus durchzuführen war allerdings nicht nur schneller, sondern ermöglichte dem Wöhler-Team auch den Designprozess effektiver zu steuern. Durch die kürzere Herstellungszeit konnte eine größere Anzahl an Modellen erstellt und somit mehr Ideen ausprobiert werden. „Wenn nötig, haben wir den Drucker während der Entwicklung mehrere Wochen lang Tag und Nacht laufen lassen”, erinnert sich Leifels. Ohne dieses Verfahren wäre der HF 550 sicher kein so gutes Gerät geworden, ist er sich sicher.

Begonnen hat Leifels den Designprozess mit einem FDM-3D-Drucker. Er kostete mehr als das Vierfache des Formlabs Geräts, war allerdings nicht in der Lage, akkurate Details zu erstellen. Das lag unter anderem an der minimalen Schichtdicke von 0,178 mm, während der Drucker von Formlabs nur eine von 0,025 mm besitzt.

Stereolithografie schlägt FDM

Aber auch bei gleicher Schichtdicke sieht der Produktdesigner das Formlabs Gerät vorne: „Er ermöglicht eine höhere Präzision. Selbst bei gleicher Schichtdicke erzeugt er glattere Oberflächen.”

Um den Prototypen des Holzfeuchtemessgeräts zu erstellen, waren verschiedene Materialien nötig. Da der vorherige FDM-3D-Drucker keine flexiblen Materialien drucken konnte, war bei diesem dafür ein komplexer Prozess notwendig. Zunächst entwarf das Team eine Gießform und druckte sie aus. Dann folgte eine aufwendige Nachbearbeitung, um die Oberfläche zu glätten. Die Form wurde danach mit einer Gummimasse ausgefüllt. Ein zeitintensiver Prozess, mit dem die Ingenieure trotzdem keine feinen Details erzeugen konnten.

Verschiedene Materialien drucken

Das neue Gerät ermöglicht hingegen direkte und detaillierte Drucke. Für den HF 550 nutzten die Entwickler schwarzes Kunstharz für die Hülse und flexibles Kunstharz für die Tastatur und weichen Teile. Die Tasten müssen auf Druck elastisch reagieren und die Tastenwände sehr dünn und dennoch widerstandsfähig sein. Das flexible Harz erlaubte den Designern mit den Prototypen eine Vielzahl von Tests durchzuführen, ohne dass es zu Schäden oder funktionalen Einschränkungen der Teile kam.

Seit der Entwicklung des HF 550 benutzen Leifels und sein Team bei Wöhler den Formlabs 3D-Drucker für Prototypen. „Mit hausinternem 3D-Druck haben wir den Vorteil, Teile zu testen bevor sie in die Massenproduktion gehen. Das Risiko der Nachbesserung ist deshalb gering”, meint der Produktdesigner. Das Benutzen einer einzigen Maschine, die verschiedene Materialien erstellen kann, eröffnet neue Möglichkeiten im Prototyping. Den größten Vorteil des internen 3D-Druck sieht er deshalb auch nicht darin Zeit und Geld zu sparen, sondern bessere Geräte zu erhalten.

Stereolithografie

Die Stereolithografie ist ein 3D-Druckverfahren, bei dem ein von Galvanometern ausgerichteter UV-Laser Punkt für Punkt die Oberfläche eines, bei Raumtemperatur flüssigen, Kunstharzes aushärtet. Im Gegensatz zur herkömmlichen FDM-Technologie wird das Objekt kopfüber aus einem Becken aufgebaut und herausgezogen. Mit der Stereolithografie lassen sich präzise Strukturen und sehr feine Details erzeugen. Sie ist deshalb besonders für Designer, Techniker, Medizinspezialisten und Schmuckhersteller interessant, bei denen es auf eine sehr exakte Verarbeitung ankommt.

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