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Rapid Prototyping

Sammelbegriff für moderne generative Verfahren zur schrittweisen (inkrementellen) Herstellung von Gegenständen aus ungeformten Ausgangsmaterialien (Pulver, Flüssigkeiten) oder standardisierten Formen (etwa Fräsblöcke) mit Hilfe computergesteuerter Konstruktion und Fertigung (CAD-CAM) auf der Grundlage von dreidimensionalen Datensätzen (etwa im STL-Format).

Ursprünglich wurden sie dem Namen entsprechend vor allem zur kostengünstigen Erstellung von Prototypen und Kleinserien zu Testzwecken vor der End- und/oder Massen­fertigung  eingesetzt. Durch Folgetechniken (etwa Abformung oder Abguss) können verlorene oder dauerhafte Formen gewonnen werden, in denen sich Werkstücke aus anderen Materialien herstellen lassen.

Hier besteht ein (kleiner werdender) Unterschied zum Rapid Manufacturing, das vor allem der schnellen Endfertigung von Einzelstücken dient (so etwa für individuelle zahntechnische Restaurationen).

Entsprechende Geräte (als "digital fabricators" oder "fabbers" bezeichnet) werden immer leistungs­fähiger, preiswerter und präziser. Sie  sind inzwischen für den Privatanwender erschwinglich, werden aber auch im professionellen Bereich zunehmend Teil des digitalen Workflow in Zahnmedizin und Zahntechnik.

Grundsätzlich unterschieden werden subtraktive Verfahren, bei denen das Werkstück durch abtragende Werkzeuge (etwa CNC-Fräsen) aus einem Materialblock unter meist hohem Materialverlust herausgearbeitet wird,  von additiven Verfahren ("3-D-Drucken"),  bei denen stetig kleinste Materialportionen (oft Harz, Kunststoff oder Metall) hinzugefügt werden, um das virtuell konstruierte Endprodukt physisch herzustellen. Inzwischen ist es möglich, parallel zwei oder mehrere Materialien zu verarbeiten und zu einem Werkstück zu kombinieren.
 
Stereolithographie und [MJM] Multijet-Modeling (auch Polyjet-Modeling)

Schichtweise Polymerisation von flüssigen, lichthärtenden Monomeren durch UV- oder Laser-Belichtung. Das Werkstück entsteht durch Absen­ken des bereits fertiggestellten Anteils in die Harz-/Kunststoffmasse um eine definierte Schichtstärke (meist ca. 100 µm). Unterschnitte sind nur mittels Stützgerüsten, entweder aus dem gleichen Polymer (müssen herausgetrennt werden), oder einem anderen Material, etwa thermoplastischem Wachs oder Kunststoff (kann herausgeschmolzen werden) zu realisieren, die nach Fertigstellung des Werkstücks entfernt werden müssen. Die Genauigkeit liegt typischerweise bei etwa 100 µm, bis hinunter zu 10 µm. In der Mikrostereo­lithographie (auch "RMPD" Rapid Micro Product Development), die etwa zur Herstellung von Mikrochips eingesetzt wird, sind Schichtstärken und Genauigkeiten bis zu 1 µm erreichbar, der mögliche Werkstückdurchmesser ist dabei allerdings auf wenige Zentimeter begrenzt.

Lasersintern, (auch selektives Lasersintern, SLS) 

Werkstoffe in Pulverform (Kunststoff, Metall oder Keramik) werden in dünnen Schichten (engl. "slices") durch Belichtung mit einem Laserstrahl verschmolzen/verschweißt und zu einem allmählich wachsenden Werkstück verfestigt. Unterschnitte  sind möglich, es ist kein Stützgerüst erforderlich. Durch Metall-Lasersintern ist z.B. auch Rapid Tooling zur Herstellung von Metallformen und Werkzeugen zur Verarbeitung von Kunststoffen für kleine und mittelgroße Serien/Mengen möglich.

Folgende Verfahrens-Varianten lassen sich unterscheiden:

- Die Werkstoffpartikel werden nur teilweise geschmolzen und "verbacken" miteinander (Metalle mit Bindemittel/Sinterzusatz und Kunststoffe).

- Die Pulverpartikel werden ganz geschmolzen (selektives Laserschmelzen, SLM) und verschmelzen ineinander (Metalle ohne Bindemittel).

- Mittels Lasermikrosintern lassen sich z.B. Keramik-Nanopartikel (Durchmesser um ein µm) zu Mikrowerkstücken formen.