Rapid Prototyping im Schmuckbereich

Zugang zu dieser 3D-Welt erhält man über die computergestützte 3D-Grafik.
Diese Grafik wird entweder über ein 3D-CAD Programm oder einen 3D-Scan erstellt.
Das Datenexportformat ist ein STL, welches von allen RP-Verfahren gelesen werden kann.

Beispielhaft für die CAD- bzw. 3D- Scan gestützte Fertigung eines Schmuckstückes (Kreuz) ist die dargestellte Bildfolge.

Bild 1 Kreuz, original, soll kleiner werden.
Bild 2 3D- Scan ( Polygonnetz)
Bild 3 CAD Nacharbeit + Größenanpassung durch scalieren.

Bild 4 Wachsplot eingebettet im Supportwachs

Bild 5 Wachmodell ohne Supportwachs

Bild 6 fertiges, poliertes Goldkreuz

Bild 1	Bild 2	Bild 3	Bild 4	Bild 5	Bild 6

Die gebräuchlichsten RP-Verfahren sind:

- Wachsplot
- FDM
- Lasersintern
- Stereolithographie
- 3D-Fräsen

Materialien hierfür sind je nach Verfahren flüssig, fest oder aus Pudern.

Bedeutung der RP-Verfahren für die Schmuck- und Uhrenindustrie

Merkmale

- Konstruktionsfehler können frühzeitig erkannt und korrigiert werden
- Verkürzung der Entwicklungszeiten
- Funktion und Design erlebbar machen
- Erstellen von Modellen und Kleinserien
- gute Detailauflösung /Produktpräsentation
- kostengünstiges und effizientes Verfahren
- reproduzierbar
- Hohl bau- und gießbar
- Hohe Passgenauigkeit

Handhabung und Erklärung der einzelnen RP-Verfahren
Für alle RP-Verfahren wird ein STL-Datensatz als Ausgabeformat benötigt. Hierbei wird die gesamte Oberfläche des 3D-Objektes in ein Polygonnetz (Vielecknetz) umgewandelt. Das heißt, die gesamte Oberfläche besteht nur noch aus drei, viereckigen Flächen, die aneinander gereiht sind.
Diese STL-Dateien werden nun von Programmen der RP-Maschinen in eine Maschinensprache umgewandelt.
Direkt im Schmuckbereich einsetzbar sind nur der 3D-Wachsplot, die Stereolithographie und bedingt das 3D-Fräsen.
Da der 3D Wachsplot und die Stereolithographie die am Besten für die Schmuckbranche verwertbare RP-Technologien darstellen, betrachten wir diese etwas näher.

3D Wachsplot
Der Wachsplotter ist ein 3D-Drucker. Der Unterschied zu einem normalen Farbdrucker ergibt sich im wesentlichen durch den Sprung von der zweiten in die dritte Dimension und dem Ausspritzen eines Wachses statt Tinte. Es werden schichtweise Wachse durch Düsen aufgespritzt; hierbei entstehen Konturen und ausgefüllte Volumen. Damit auch Hohl- und Leerräume dargestellt werden können, ist noch eine zweite Düse vorhanden. Diese spritzt ein früher fließendes Stützwachs auf, was später durch Wärme und flüssiges Lösungsmittel wieder herausgelöst wird.
Nach jeder erstellten Schicht aus dem Modellwachs (Solid) und Unterstützungswachs (Support) wird die Schicht durch eine sehr präzise Schraubenwalze über die komplette Fläche eben gefräst. Wir erhalten hierdurch beste Voraussetzungen für eine neue weitere Schicht. Die Arbeitsebene für die Düsen bleibt immer gleich, die Plattform fährt nach unten. Die Feinheit der Schichten bewegt sich zwischen 0,013 bis 0,1mm. Eine Auflösung von 0,0254mm/Schicht hat sich im Schmuckbereich bestens bewährt. Andere Geometrien können eine andere Schichtdicke aber sehrwohl aus Kostengründen oder der Genauigkeit des Modells, erforderlich machen.

Merkmale:

- gute Qualität und Formwiedergabe
- direkt rückstandsfrei ausschmelzbar
- geringere Festigkeit (Bruchgefahr)
- lange Bauzeit
- reproduzierbar

Stereolithographie
Auch hier benötigen wir einen STL File. Dieser File wird wieder in eine Maschinen lesbare Sprache übersetzt.
Gebaut wird mit einem lichtempfindlichen Harz. Die Auflösungen pro Schicht bewegen sich zwischen 0,012mm und 0,12mm. Im Bauprozess wird bei abgesenkter Bauplattform (entsprechend je Schichtdicke) die Kontur und die Fläche mit einem Laser belichtet. Das belichtete Harz kristallisiert zu einem Kunststoff. Um hier hohle hinterschnittene oder überhängende Formen bauen zu können, werden „Stützen" generiert, auf denen der Bauprozess weiter fortgeführt werden kann.

Merkmale

- ideal für Funktionsmodelle und Präsentationen
- hohe Baugeschwindigkeit
- gute Festigkeit
- gut abformbar
- nur bedingt ausschmelzbar (Restasche)
- Affinität zu Wasser
- reproduzierbar

FDM - Lasersintern - Laminierverfahren

Zur Technologie

FDM
Hier wird fortwährend ein Kunststoffdraht einer beheizten Düse zugeführt und auf die Plattform aufgespritzt. Konturbeschreibung und Volumenfüllung wird über die Maschinensoftware berechnet und umgesetzt.

Merkmale:

- belastbare Funktionsmodelle
- Feinste Auflösung 0,12mm/Schicht.

Lasersintern
Materialien die gesintert (verbacken) werden, sind Kunststoffe, Metalle und Gummi. Diese werden pulverförmig in ein Becken eingestreut und mit einem Wischer eben abgezogen. Danach werden Konturen und Volumen mit einem Laser abgefahren und „verschweißt". Das restliche Pulver bleibt als Supportmaterial im Bauraum liegen und wird später herausgenommen.

Merkmale :

- größer Gehäuse, evtl. Nullserien
- gutes Volumen/Preisverhältnis
- Feinste Auflösung 0,12mm.

Ausblick für die Zukunft
Von der besonderen Einzelanfertigung bis zur professionellen Serienfertigung können die
3D-Verfahren zur Effektivität in den zunehmenden globalen Märkten sich als Vorteil darstellen.
Schnelle Reaktionsfähigkeit und schnelle Umsetzung in die benötigten Modelle tragen den zukünftigen Märkten Rechnung.

Michael Schäfer MPS Rapid Prototyping GmbH www.mps-prototypen.de