Eine Verschmelzung von drei Technologien ermöglicht 3D-Konstruktionen zur schnellen Prototypentwicklung

Dreidimensionale Konstruktionsaufgaben werden immer mehr zu einem wesentlichen Bestandteil von Designprozessen in der Elektronik, und ganz besonders trifft dies angesichts der immer stärkeren Kopplung zwischen elektronischem und mechanischem Design zu. Es gab allerdings erhebliche Hürden, die in Bezug auf die Einführung der 3D-Konstruktion in vielen Bereichen zu nehmen waren, vor allem die übermäßigen Kosten für 3D-fähige Vollform-Modelliersoftware sowie für den 3D-Druck. Dadurch ist die 3D-Konstruktion bisher größtenteils fachlich spezialisierten Maschinenbauabteilungen in größeren Unternehmen vorbehalten gewesen.

 

Durch die Vereinigung freier und bedienungsfreundlicher 3D-Konstruktionssoftware, durch die Verfügbarkeit von 3D-Modellen für Komponenten und die immer größer werdenden 3D-Druckmöglichkeiten wurde drei wichtige Voraussetzungen geschaffen, um die 3D-Konstruktion einem größeren Entwicklungspublikum zugänglich zu machen. Durch die Weiterentwicklungen im Bereich der 3D-Software und durch "additive Fertigungsverfahren" ist es immer mehr Ingenieuren und Unternehmen möglich, die Vorteile auszuschöpfen, die die Konstruktion in 3D bietet; insbesondere bei der raschen Prototypentwicklung. Dabei lassen sich Wochen oder gar Monate im Produktdesign und Entwicklungszyklus einsparen.

 

3D-Konstruktionssoftware

Die erste der drei Grundvoraussetzungen ist die 3D-Vollform-Modelliersoftware. Die Schätzungen sind unterschiedlich, aber es gibt Millionen von Ingenieuren weltweit, die vom Einsatz einer 3D-Konstruktionssoftware in professioneller Qualität profitieren könnten. Zwar ist auch der Leistungsumfang herkömmlicher 3D-Konstruktionssoftware erheblich gestiegen, sie ist allerdings auch relativ teuer. Lizenzen für moderne und ausgereifte Software von namhaften CAD-Herstellern kosten zwischen 5.000 und 30.000 USD und mehr. Darüber hinaus sind damit häufig auch jährliche Wartungskosten von erheblichem Ausmaß verbunden. Die zweite Hürde war bislang die beträchtliche Lernkurve, die bisweilen mit diesen Programmen verbunden war: Einsteiger benötigten mehrere Monate, bis sie bei einem fortschrittlichen 3D-Programm in vollem Umfang produktiv arbeiten konnten. Beide Faktoren haben wahrscheinlich für eine Denkpause bei vielen Unternehmen gesorgt, wenn es um Investitionen in die 3D-fähige Konstruktion ging. Häufig bestand das Ergebnis darin, die 3D-Konstruktionsaufgaben extern an CAD-Spezialfirmen zu vergeben. Das kann zu Engpässen in der Produktentwicklung führen, z. B. wenn das Einarbeiten einfacher Änderungen in eine Konstruktion mehrere Wochen in Anspruch nimmt.

 

Zwar gibt es seit einiger Zeit kostenlose oder kostengünstige 3D-fähige Konstruktionsprogramme, jedoch sind diese in ihrem Funktionsumfang doch recht eingeschränkt. DesignSpark Mechanical ist eine neue 3D-fähige Vollform-Modelliersoftware von RS, durch die sich die Situation nachhaltig ändern kann. Ingenieure können die Software kostenlos herunterladen und einsetzen. Es gibt keine Lizenzbeschränkungen. Die neue DesignSpark Software wurde gemeinsam mit SpaceClaim entwickelt und basiert auf einem "direkten Modellierverfahren", durch das Geometrien durch leistungsfähige und intuitive Modelliertechniken auf Basis von Gesten schnell entwickelt werden können. Die Verfügbarkeit freier und schnell erlernbarer Software bietet Konstrukteuren in der Industrie und Elektrotechnikern erhebliche Vorteile, besonders angesichts der immer stärkeren Integration und Überschneidung der beiden Disziplinen Elektronik und mechanische Konstruktion. Das bedeutet auch, dass Kollegen aus anderen Bereichen wie etwa Vertrieb, Marketing und Produktion diese gemeinsame Plattform verwenden können, um bereits in einem frühen Produkt- und Konzept-Entwicklungsstadium Ideen beizusteuern und sich zu beteiligen, bevor das erste Modell bzw. der erste Prototyp hergestellt wird.

 

Mit diesem Tool können Ingenieure kreativer werden und der Produkt-Entwicklungsprozess kann dadurch an Effizienz gewinnen, sodass die Erarbeitung professioneller Konzepte nicht nur für Angebotsanfragen, sondern auch für die Ausfertigung äußerst detaillierter und bemaßter Fertigungspläne ermöglicht wird. Die Software kann auch Engpässe gleich zu Beginn der Konstruktionsarbeit beseitigen, indem sie Nachträge und Ergänzungen ermöglicht, statt darauf warten zu müssen, dass die CAD-Abteilung mithilfe fortschrittlicher und ausgereifter 3D-Konstruktionstools eine Konstruktion überarbeitet. DesignSpark Mechanical exportiert Konstruktionen außerdem in das STL Dateiformat und ermöglicht dadurch eine rasche Prototypherstellung auf 3D-Druckern, ein Vorteil, der nicht zu verachten ist.

 

3D CAD-Modelle

Das zweite Glied in der Kette ist die Verfügbarkeit von 3D-Komponentenmodellen. Entwickler wünschen sich mehr Zeit, um ihr Produkt von den anderen abzusetzen statt endlose Stunden, Tage oder Wochen darauf zu verwenden, Komponentenbemaßungen einzugeben, bevor sie überhaupt erst mit den Konstruktions- und Konzeptionsaufgaben beginnen können. Beim Entwickeln von 3D-Modellen spielt auch der menschliche Faktor eine Rolle: Es können Fehler passieren, durch die der Konstruktionszyklus mehrere Wochen wieder zurückgeworfen werden kann.

 

Eine umfangreiche 3D-Modellbibliothek ist für den Entwickler daher ein äußerst wertvolles Hilfsmittel. Die DesignSpark ModelSource Bibliothek ist beispielsweise eine kostenlose Online-Datenbank mit über 38.000 2D und 3D CAD-Modellen aus mehreren technischen Disziplinen wie Elektronik, Elektromechanik, Mechanik, Pneumatik, Automatisierung sowie Mess- und Regeltechnik. Die 3D CAD-Modelle sind außerdem in zahlreichen herstellerspezifischen Dateiformaten namhafter CAD-Häuser vorhanden.

 

3D-Drucken

Das dritte Glied bildet der 3D-Druck bzw. die additive Fertigung. Dieses Verfahren macht in letzter Zeit in ganz unterschiedlichen Anwendungsbereichen viele Schlagzeilen. Von den Druckern werden verschiedene technische Verfahren genutzt, unter anderem die Stereo-Lithographie (SLA), das Elektronenstrahlschmelzen (EBM), das LOM-Verfahren (Laminated Object Manufacturing) kombiniert mit dem FDM-Verfahren (Fused Disposition Modelling), das heute wahrscheinlich das üblichste Verfahren bei kostengünstigen 3D-Druckmaschinen darstellt. Zwar werden 3D-Drucker bereits als Herstellungsmittel zur Produktion bestimmter kundenspezifischer Teile in Kleinserien eingesetzt, ihr größter Vorteil ist aber vielleicht für viele Elektronikfirmen ihre Verwendungsmöglichkeit für die schnelle Prototypherstellung. Diese Technologie besitzt das Potenzial, die Produktentwicklung zu revolutionieren. Es sind keine Maschinenkenntnisse notwendig, um Prototypen zu erzeugen, sie zeichnen sich durch erhebliche Vorteile in Bezug auf den Zeitaufwand bis zur Marktreife aus und ermöglichen ein erheblich höheres Maß an konstruktiven Freiheitsgraden.

 

3D-Drucker werden durch beträchtliche Preissenkungen immer attraktiver. Manche Modelle kosten mittlerweile bereits weniger als 2500 USD. Das macht diese Technik für ein erheblich größeres Privat- und Firmenpublikum erschwinglich. Eine äußerst interessante Entwicklung in der Industrie ist das RepRap-Projekt. Dabei handelt es sich um eine quelloffene, selbst replizierende 3D-Druckerinitiative, bei der der Drucker seine eigenen Komponenten größtenteils selbst herstellt. Bei den RepRapPro 3D-Druckern kommt das FFF-Verfahren (Fused Filament Fabrication) zum Einsatz. Hierfür wird eine computergesteuerte Kunststoff-Kleberpistole und eine Rolle mit Kunststoff verwendet, das einer beheizten Kammer zugeführt wird. Aus einer kleinen Düsenöffnung tritt das Kunststoffmaterial aus und bildet auf einer Grundplatte dann die erste Lage. Diese wird dann etwas abgesenkt, sodass Platz für die zweite Lage ist und so weiter.

 

Der neueste RepRap-Drucker ist der selbst hergestellte Ormerod , der zu den vielseitigsten 3D-Druckern von heute gehört. Der Ormerod ist zwar ein Schwarzweiß-3D-Drucker, der für die Verwendung von nur einem Kunststoffmaterial zugleich vorgesehen ist (gegenwärtig entweder kompostierbares PLA oder recyclingfähige ABS-Faser, die beide gewisse Vorteile aufweisen), jedoch ist der Maschinenkopf grundsätzlich für die Verarbeitung dreifarbiger Schmelzschichtungen konzipiert. Zu den Eckwerten des Ormerod gehören ein Fertigungsvolumen von 200 x 200 x 200 mm, eine Fertigungsgeschwindigkeit von 1800 mm pro Minute und ein Schmelzschichtfaktor von 33 cm³ pro Stunde. Er bietet eine Schichtauflösung von 0,0125 mm. Dabei handelt es sich um die Genauigkeit, mit der die Motoren der Druckmaschine einen Schritt ausführen können. Seine Genauigkeit beträgt 0,1 mm. Diese sagt aus, wie präzise die Druckmaschine Gegenstände positionieren kann. Die Auflösung ist erheblich größer als die Genauigkeit, die durch andere Faktoren wie z. B. die Fertigungsqualität des Steuerriemens beispielsweise beeinflusst wird.

 

Weitere kostengünstige 3D-Druckmaschinen werden von 3D Systems angeboten. Diese Produkte sind komplett montiert und für den Privat-, Aus- und Fortbildungs- und für den Profibereich vorgesehen. Zu der Baureihe gehören der Cube, Cube X und CubePro. Die Geräte können bis zu 3 Farben aus 3 unterschiedlichen Materialien drucken: Nylon, PLA oder ABS. Sie bieten ein Fertigungsvolumen von 152 x 152 x 152 mm sowie 273 x 273 x 241 mm und Schichtauflösungen von 70 µm.

 

Schnelle Prototypentwicklung durch das Zusammenspiel dreier Schlüsselelemente

Zusammenfassend ist es den frei verfügbaren und den direkt modellierenden 3D-Konstruktions-Tools im Profibereich wie z. B. DesignSpark Mechanical in Kombination mit kostenfreien Bibliotheken von 2D und 3D Komponentenmodellen und kostengünstigen, zugleich aber auch immer leistungsfähiger werdenden 3D-Druckern zu verdanken, dass die 3D-Modellierung und schnelle Prototypherstellung einem immer größeren Publikum von Anwendern und nicht nur CAD-Fachleuten in Großunternehmen ermöglicht wird. Diese Kombination schafft zweifelsohne die Voraussetzung dafür, dass Elektro- und Maschinenbauingenieure umfangreiche Konstruktionen erheblich schneller umsetzen können und sie beschleunigt die grundsätzliche Konzeptentwicklung.