3D Technologie für Rapid Prototyping

Aufstrebendes Trio an Technologien ermöglicht 3D-Design für Rapid Prototyping

 

Dreidimensionales (3D) Design entwickelt sich mit großen Schritten zu einem wesentlichen Bestandteil des Entwicklungsprozesses im Bereich Elektronik – vor allen Dingen angesichts der zunehmenden Kopplung von elektronischem und mechanischem Design. Dabei war die Einführung von 3D-Design in vielen Bereichen mit großen Schwierigkeiten verbunden - allen voran aufgrund der hohen Kosten einer 3D-Solid-Modelling Software und eines 3D Druckers, sodass 3D Design bisher hauptsächlich speziell ausgestatteten Entwicklungsabteilungen größerer Unternehmen vorbehalten war.

 

Der Zusammenfluss kostenfreier und mühelos bedienbarer 3D-Design Software, der Verfügbarkeit von 3D CAD-Modellen und der wachsende Zugriff auf 3D-Drucker spannt jedoch inzwischen ein aufstrebendes Dreigestirn aller wesentlichen Bestandteile auf und bringt 3D-Drucker somit einer bedeutend größeren Gemeinschaft näher. Mit dieser Weiterentwicklung im Bereich 3D-Software und „Additive Manufacturing“ Technologie können immer mehr Entwickler und Unternehmen die Vorteile von 3D-Design genießen – insbesondere zur zeitnahen und zügigen Erstellung von Prototypen, wodurch mitunter Wochen oder Monate im Produktdesign- und Entwicklungszyklus eingespart werden können.

 

Software für 3D-Entwicklung

Der erste der drei wichtigsten Bestandteile ist die 3D-Solid-Modelling Software. Schätzungen variieren, doch weltweit könnten mehrere Millionen Ingenieure vom Gebrauch einer professionell gestalteten 3D-Design-Software profitieren. Während herkömmliche 3D-Design-Software mit Sicherheit immer leistungsstärker wird, ist sie jedoch oftmals auch relativ kostspielig. Lizenzen für die neuesten hoch-entwickelten Tools der führenden CAD-Hersteller liegen im Bereich von 5.000 bis 30.000 USD und mehr, und werden in der Regel von hohen jährlichen Gebühren zur Instandhaltung begleitet. Ein weiteres Hindernis war die oftmals ganz erhebliche Lernkurve im Zusammenhang mit diesen Tools: bei Einsteigern kann es mehrere Monate dauern, bis sie das Beste aus einem ausgereiften 3D-Tool herausholen können. Aufgrund dieser Faktoren haben viele Unternehmen ihre Überlegungen zu einer Investition in 3D-Design oftmals auf Eis gelegt. Eine weit verbreitete Lösung war es dann, 3D-Design an spezielle CAD-Unternehmen abzugeben, wodurch wiederum Verzögerungen in der Produktentwicklung entstehen können, da die Einarbeitung selbst kleiner Änderungen in ein Design mehrere Wochen dauern kann.

 

Kostenfreie bzw. preiswerte 3D-Design Software-Pakete waren bereits früher schon erhältlich, doch konnten die meisten von ihnen nur sehr begrenzte Funktionen bieten. DesignSpark Mechanical ist ein neuartiges 3D-Solid-Modelling Tool von RS mit dem Potenzial, die Situation auf den Kopf zu stellen. Es kann vollständig kostenfrei heruntergeladen werden und steht ohne Lizenzauflagen frei zur Verfügung. Entwickelt in Zusammenarbeit mit SpaceClaim, basiert das neue Tool DesignSpark auf der sogenannten „Direct Modelling“ Technologie und erlaubt seinen Anwender somit, Designs mühelos mit leistungsstarken und intuitiv gestalteten Techniken zu erstellen. Der Zugang zu einem kostenfreien und schnell beherrschbarem Tool birgt zudem erhebliche Vorteile für Industrieentwickler und Elektroingenieure - insbesondere angesichts der zunehmenden Integration und Überlappung dieser beiden Entwicklungsbereiche. Eine weitere Folge davon kann dahin führen, dass Personen im Vertrieb, im Marketing oder in der Produktion diese gemeinsame Plattform aufrufen und somit bereits in einer frühen Phase der Produkt- und Konzeptentwicklung entscheidende Beiträge leisten können - noch bevor ein physisches Modell oder ein Prototyp erstellt wird.

 

Mit diesem Tool können Entwickler noch kreativer arbeiten und der Produktentwicklungsprozess noch effizienter gestaltet werden, sodass die Erstellung professioneller Konzepte für RFQs (Request-for-Quotation) direkt in hoch-detaillierten und maßstabsgetreuen Fertigungszeichnungen münden kann. Zudem kann das Tool Verzögerungen durch Änderungen und Ergänzungen in einer frühen Phase des Projekts verhindern, da ab sofort keinerlei CAD-Unternehmen mit ausgereiften 3D-Tools zur Überarbeitung eines Designs mehr benötigt wird. Wichtiger noch: DesignSpark Mechanical kann Designs auch im STL Dateiformat exportieren und ermöglicht somit Rapid Prototyping an 3D-Druckern.

 

3D-CAD-Modelle

Das zweite Puzzle-Teil ist die Verfügbarkeit von 3D-Modellen verschiedenster Komponenten. Entwickler wollen ihre Zeit lieber damit verbringen, ihr Produkt einzigartig zu gestalten, anstatt Stunden, Tage oder gar Wochen lang Abmessungen in ein System einzugeben, ehe sie überhaupt erst mit der Entwicklungsarbeit beginnen können. Zudem spielt bei der Erstellung solcher 3D-Modelle stets der Faktor Mensch mit: so können Fehler auftreten, die den Entwicklungsvorgang um mehrere Wochen zurückwerfen können.

 

Eine umfassende Sammlung an 3D-Modellen ist daher ein ausgesprochen wertvolles Hilfsmittel eines jeden Entwicklers. So enthält zum Beispiel die Sammlung DesignSpark ModelSource mehr als 38.000 2D- und 3D-CAD-Modelle aus allen Technologiezweigen, darunter Elektronik, Elektromechanik, Maschinenbau, Pneumatik sowie Automation und Steuerung. 3D-CAD-Modelle sind darüber hinaus auch oftmals in eigens entwickelten Dateiformaten bei führenden CAD-Anbietern erhältlich.

 

3D-Drucken

Das dritte Teil ist das 3D-Drucken (auch: „Additive Manufacturing“), das heutzutage in extrem unterschiedlichen Anwendungsbereichen für Schlagzeilen sorgt. Dabei kommen in den Druckern die verschiedensten Technologien zum Einsatz, darunter Stereo Lithography (SLA), Electron Beam Melting (EBM), Laminated Object Manufacturing (LOM) sowie Fused Disposition Modelling (FDM), was besonders oft bei preiswerten 3D-Druckmaschinen verwendet wird. Obwohl 3D-Drucker bereits als Fertigungsmaschinen zur Herstellung bestimmter individueller Teile in Kleinserien eingesetzt werden, liegt ihr größter Vorteil für viele Elektronikhersteller insbesondere im Bereich Rapid Prototyping. Die Technologie kommt geradewegs einer Revolution im Bereich Produktentwicklung gleich – so sind zum Bau von Prototypen keinerlei maschinenspezifische Kenntnisse mehr erforderlich, wodurch die Markteinführungszeit drastisch gesenkt werden kann und ein hohes Maß künstlerischer Freiheit in der Designphase ermöglicht wird.

 

3D-Drucker erfreuen sich stets wachsender Beliebtheit: Nicht zuletzt angesichts der bedeutenden Kostensenkungen (manche Modelle sind bereits für weniger als 2.500 USD erhältlich) steht die Technologie nun erheblich mehr Unternehmen und Anwendern zur Verfügung. Eine ausgesprochen interessante Entwicklung innerhalb der Branche war das RepRap Projekt. Dabei handelt es sich um einen selbst nachbauenden Open-Source 3D-Drucker, der die meisten seiner Teile selbst herstellen kann. Die RepRapPro 3D-Drucker verwenden die sogenannte Fused Filament Fabrication (FFF)[1] Technologie, bei der eine Computer-gesteuerte Heißklebepistole zum Einsatz kommt und Kunststoff von einer Spule in eine beheizte Kammer eingeführt wird. Der Kunststoff wird durch eine kleine Düse ausgegeben, um so die erste Schicht auf der Grundplatte zu formen; für die folgenden Schichten wird die Grundplatte jeweils ein kleines Stück weit abgesenkt. Einen Überblick über den in RepRap Druckern stattfindenden Vorgang erhalten Sie in Abbildung 1.

 

Der neueste RepRap Drucker ist der selbst gebauteOrmerod , der zu den vielseitigsten 3D-Druckern auf dem heutigen Markt zählt. Gleichwohl der Ormerod im Grunde genommen ein monochromatischer 3D-Drucker ist, der jeweils auf den Einsatz eines Kunststoffes ausgelegt ist – derzeit entweder kompostierbares PLA oder recyclebarer ABS-Faden, die beide ihre eigenen Vorteile haben – wurde der Kopf der Maschine speziell für die Verwendung mit drei verschiedenen Farben entwickelt. Zu den wichtigsten Eigenschaften des Ormerod zählen das Bauvolumen von 200 x 200 x 200 mm, eine Baugeschwindigkeit von 1800 mm pro Minute und eine Materialabgaberate von 33 cm³ pro Stunde. Dazu kommt eine Schichtauflösung von 0,0125 mm (diese Größe beschreibt, wie fein die Schritte der Motoren der Maschine sein können) und eine Genauigkeit von 0,1 mm (d.h. so präzise kann die Maschine Dinge positionieren). Die Auflösung ist dabei wesentlich feiner als die Genauigkeit: Dieser Punkt wird von Faktoren wie die Fertigungsqualität der Zahnriemen und ähnlichem bestimmt.

 

Ein weiteres Portfolio an preiswerten 3D-Druckmaschinen ist das von 3D Systems.  Diese Produkte sind bereits vollständig zusammengebaut und eignen sich für den Einsatz zu Hause, in Bildungseinrichtungen und in professionellen Anwendungen. Das Portfolio umfasst Cube, Cube X und CubePro und ermöglicht das Drucken von 3 verschiedenen Materialien in 3 verschiedenen Farben: Nylon, PLA oder ABS. Sie bieten ein Bauvolumen von 152x152x152mm bzw. 273x273x241mm und eine Schichtauflösung von 70 Mikrometern.

 

Dreifache Power für Rapid Prototyping

Insgesamt führen kostenfrei erhältliche und professionell gestaltete Direct-Modelling basierte 3D-Design-Tools, darunter DesignSpark Mechanical, zusammen mit offen zugänglichen Sammlungen an 2D- und 3D-Modellen und immer leistungsstärkeren und preiswerteren 3D-Drucken dazu, dass 3D-Modelling und Rapid Prototyping einem wesentlich breiteren Nutzerspektrum offen stehen und nicht mehr nur CAD-Spezialisten großer Unternehmen vorbehalten sind. Mit dieser Kombination können Elektronik- und Maschinenbauingenieure vollständig auf End-to-End Designs setzen und den Entwicklungsprozess von Konzepten aller Art deutlich beschleunigen.