Vom Rapid Prototyping zum Rapid Tooling

Dipl.-Ing. Frank Breitinger, Dipl.-Ing. Johann-Christoph von Pieverling,
Dr.-Ing., Dipl.-Wirtsch.-Ing. Jochen Lorenzen, iwb

Zur Unterstützung einer integrierten Produkt- und Prozeßentwicklung treten neben den schon als klassisch zu bezeichnenden Rapid Prototyping-Verfahren verstärkt Rapid Tooling-Prozeßketten in den Vordergrund. Mit Rapid Tooling wird im Spritz- und Druckguß die schnelle Herstellung von Werkzeugen bezeichnet, die den Zielwerkstoff und das Serienfertigungsverfahren einsetzen. Aufgrund der erreichbaren Stückzahlen dieser Werkzeuge sind nicht nur Prototypenserien sondern auch kleine oder mittlere Serien möglich.

Die Situation auf den Märkten hat sich in den letzten Jahren entscheidend verändert. Der rasche technologische Fortschritt führt zu kürzeren Produktlebenszyklen, während zusätzlich die Produkte komplexer werden. Diese veränderten Rahmenbedingungen stellen die Innovationsfähigkeit der Markt-teilnehmer vor neue Aufgaben. Sie versuchen mit Hilfe innovativer Fertigungsprozesse wie dem Rapid Prototyping (RP) und dem Rapid Tooling (RT) den sich ändernden Anforderungen gerecht zu werden.

Der frühzeitige Einsatz der RP-Technologie zeigt ein großes Potential zur Verkürzung der Produktentwicklung auf:

Höhere Integration durch Verwendung physikalischer Modelle als Kommunikationsmedium und gemeinsame Datenbasis.
Fehler werden früh entdeckt [1] und Entscheidungen werden an den Anfang der Produktentwicklung vorverlagert. Die Einbindung von Pilotkunden wird möglich.
Durch den Einsatz von Modellen können Rückkopplungsschleifen verkürzt werden. Daraus ergibt sich eine verbesserte Lernfähigkeit der Organisation.

Zur Unterstützung der ersten Phasen des Produktentwicklungsprozesses etablieren sich sogenannte Konzept-Modellierer (Bild 1). Es handelt sich um preis-werte Systeme, die schnell körperliche Modelle liefern, die jedoch keine hohen Anforderungen an Genauigkeit und Werkstoffeigenschaften erfüllen können. Gerade in dieser Phase steht aber das RP in Konkurrenz zu digitalen Modellen, die z. Zt. verstärkt propagiert werden.

Der inzwischen als traditionell zu bezeichnende Einsatzbereich der RP-Technologie verwendet die seit einigen Jahren etablierten RP-Verfahren Stereolithographie, Kunststoff-Laser-sintern, Laminated Object Manufacturing oder Fused Deposition Modeling. Grundgedanke ist die Reduzierung eines komplexen dreidimensionalen Fertigungsproblems auf eine große Anzahl einfacher zweidimensionaler Fertigungsschritte.

Im späteren Verlauf der Produktentwicklung werden verstärkt funktionale Prototypen gefordert, die sich durch den Einsatz des Zielwerkstoffes und des Serienfertigungsverfahrens auszeichnen. Erst damit ist die Hauptanforderung, die Übertragbarkeit der mechanischen Eigenschaften von Prototypen auf Serienbauteile, nahezu erreicht. Diesen Anforderungen werden die RP-Materialien, auch in Kombination mit Abformprozesses, beispielsweise über Silikonformen, z. Zt. nur eingeschränkt gerecht [2]. Häufig besteht deshalb die Notwendigkeit, möglichst schnell mit Hilfe von RT-Verfahren erste Prototypenwerkzeuge herzustellen, mit denen der Serienwerkstoff und das Serienverfahren eingesetzt und erprobt werden können.

Das Konzept des RT sieht vor, einen standardisierten Formrahmen mit Formeinsätzen zu kombinieren, die über RP-Verfahren oder mit Hilfe des HSC-Fräsens hergestellt wurden. RT-Verfahren werden in erster Linie für den Spritz- und Druckguß [3] eingesetzt und sind daher für den Werkzeug und Formenbau prädestiniert [4]. Neben den Möglichkeiten zur Herstellung von RT-Werkzeugen mit Hilfe von RP-Verfahren, RP in Kombination mit Folgetechniken und das direkte Erzeugen von Formeinsätzen über RP-Verfahren werden vom iwb auch die spanenden Verfahren wie das 5-Achsen- und das HSC-Fräsen für das Rapid Tooling eingesetzt. Erste Beispiele zeigen, daß sich diese Prozeßketten für Anwendungen im Kunststoff-Spritzguß und Leichtmetalldruckguß sehr bewährt haben (Bild 2 und 3) [5].

Der Regelfall für den Einsatz des RT in der Produktentwicklung ist das als Feuerwehr- oder Notfallsituation zu bezeichnende Vorgehen, bei dem kurzfristig ein Prototypenwerkzeug zur Überbrückung des Serienwerkzeuges oder zur kurzfristigen Durch-führung von Prüf- oder Freigabeversuchen mit im Orginalwerkstoff und Serienfertigungsverfahren hergestellten Bauteilen benötigt wird. Mit diese parallel zum Serienwerkzeug gefertigte Prototypenwerkzeuge werden ein geringen Anzahl von Bauteilen hergestellt. Der drohenden Zeitverlust bei der Markteinführung läßt die Kosten der Prototypenwerkzeuge in den Hintergrund treten [4].

Langfristig zeit- und kostengünstiger als die bisher vorgestellte Vorgehensweise ist die Integration des RT in eine geplante parallele Produkt- und Prozeßentwicklung. Dazu wurde am iwb Anwenderzentrum das Konzept der mitwachsenden Werkzeuge entwickelt. Dieses Konzept sieht vor, daß RT-Werkzeuge früh im Produktentwicklungsprozeß eingesetzt werden. Sobald die Hauptfunktion und die ungefähren Außenmaße eines Produktes im CAD-System festgelegt sind, kann mit der Herstellung des Werkzeuges begonnen werden. Dazu wird in die Standardnormalie der Serienform ein mit Hilfe eines geeigneten RT-Verfahrens hergestellter Formeinsatz entsprechend dem derzeitigen Entwicklungsstand eingesetzt und damit eine Prototypenserie gefertigt. Sobald ein abgeschlossener Iterationszyklus dies sinnvoll erscheinen läßt (Bild 4), wird ein neuer Formeinsatz gefertigt und in den schon vorhandenen Serienformrahmen integriert [6].

Mit diesem mitwachsenden Werkzeug ist es möglich, von der Prototypenserien bis zur Vorserien, u. U. bis zur Markteinführung, entsprechend benötigte Bauteile herzustellen. Sobald die Serienfreigabe erfolgt, werden gehärtete Formeinsätze gefertigt und in den Formrahmen eingebaut. Bei geringen Stückzahlen kann das mitwachsende Werkzeug sogar als Serienwerkzeug eingesetzt werden.

Die Entscheidung, mitwachsende Werk-zeuge einzusetzen, zwingt das Entwicklungsteam bereits frühzeitig, mit der Entwicklung des Serienprozesses zu beginnen, und parallelisiert dadurch Produkt- und Prozeßentwicklung. Es wird wertvolle Ent-wicklungszeit eingespart und verfahrensspezifische Probleme können frühzeitig entdeckt und und weit vor Serienanlauf beseitigt werden. Durch die Existenz von Prototypenwerkzeugen kann mit geringerem Aufwand eine größere Anzahl von seriennahen Prototypen hergestellt werden. Damit können alle an der Wertschöpfung beteiligten Abteilungen Untersuchungen, z. B. zur Mon-tage oder Marketingstudien mit Pilotkunden, durch-führen. Diese Ergebnisse gehen direkt in die noch nicht abgeschlossene Entwicklung der Produktgestalt ein.

Damit steht Rapid Tooling als zeit- und kostenmäßig interessante Alternative zu den z. Zt. üblichen, auf RP basierenden, Vervielfältigungsverfah-ren wie das Silikon-Vakuum-gießen zur Verfügung. Durch die Dringlichkeit, rechtzeitig mit der Prozeßentwicklung parallel zur Produktentwicklung zu beginnen, wird frühzeitig ein Übergang von RP-Ver-fahren zu RT-Verfahren erfolgen. Auf der anderen Seite stellt die schon erwähnte Möglichkeit, virtuelle Prototypen in der frühen Phase der Produkt-entwicklung einzusetzten, eine interessante Ergänzung zu den klassischen RP-Verfahren dar.

Literaturangaben
1. Clark K.; Fujimoto T.: Automobilentwicklung mit System. Campus-Verlag, Frankfurt a.M. 1992
2. Macht, M.: Übersicht und Einsatzschwerpunkte der generativen Fertigungstechniken - Grundlagen, Verfahren, Einsatzbeispiele. In: NCG-Jahreskongreß 1996, Produkt-entwicklung - Basis des Erfolges, Stuttgart, 13./14.Juni 1996
3. Lorenzen, J., Breitinger, F.: Rapid Tooling for pressure Die-Casting. In Prototyping Technologie International ´97. P. 258, UK & International Press, Dorking 1997
4. Breitinger F., Lorenzen J.: Rapid Tooling - Ein neuer Ansatz zur integrierten Produkt- und Prozeßentwicklung, iwb Seminarberichte (28), Herbert Utz Verlag Wissenschaft, 14. Juli 97
5. Lorenzen J., Breitinger F.: Rapid Tooling - Verfahren zur schnellen Herstellung von Prototypenwerkzeugen, Euroforum Konferenz, Rapid Prototyping, Tagungsband, 24./25. Oktober, Köln, 1996
6. Reinhart, G., Breitinger, F.: Rapid Tooling for Simultaneous Product and Process Development. In 6th European Conference on Rapid Prototyping and Manufacturing, 1.-3.7.1997, Nottingham 1997.

Autoren:
Dipl.-Ing. Frank Breitinger und Dipl.-Ing. Johann-Christoph von Pieverling sind wissenschaftliche Mitarbeiter am Institut für Werkzeugmaschinen und Betriebswissenschaften (iwb) der TU München, Anwenderzentrum Augsburg.
Dr.-Ing., Dipl.-Wirtsch.-Ing. Jochen Lorenzen ist seit 1996 Geschäftsführer des iwb Anwenderzentrum Augsburg.