Die Grundlagen der Herstellung eines Metallprototyps

Ingenieure profitieren vom Metallprototyping, da es die Möglichkeit bietet, die Funktionalität zu testen, die Kompatibilität der Komponenten zu überprüfen und notwendige Designverbesserungen vor der Massenproduktion vorzunehmen. Ein Metallprototyp dient Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt, im Automobilsektor, in der Medizin und in der Industrie, da er präzise und zuverlässige Ergebnisse liefert. Der Leitfaden enthält umfassende Anleitungen zur Erstellung von Metallprototypen, in denen Herstellungsverfahren, Materialauswahl, Oberflächenbehandlungstechniken und Lieferzeiten erläutert werden.

Warum brauchen Sie einen Metallprototyp?

Der Fertigungs- und Konstruktionsprozess umfasst Metallprototypen als wesentliche Komponenten bei der Entwicklung neuer Produkte. Diese Methode ermöglicht es Designern und Herstellern, die Machbarkeit des Designs und die Leistungskriterien des Produkts zu testen, bevor sie mit der vollständigen Produktion beginnen. Unternehmen können die Effizienz durch Funktionsprototypen verbessern, indem sie die Haltbarkeit und Materialbewertung testen, um die Zuverlässigkeit und Leistung zu verbessern.

Wie wählt man den richtigen Metallprototypen für sein Projekt aus? Im Folgenden sind einige Gründe aufgeführt:

Dauerhaftigkeitsprüfung

Die erfolgreiche technologische Entwicklung in Technik und Fertigung hängt in hohem Maße von der Verwendung von Metallprototypen ab. Die Entwürfe müssen geeignete Leistungsstandards erfüllen, bevor mit der Serienproduktion begonnen werden kann, was eine Voraussetzung für das Herstellungsverfahren ist.

Ingenieure testen Materialfestigkeit, thermische Beständigkeit und strukturelle Integrität, indem sie Metallmodelle unter Betriebsbedingungen einsetzen. Prototypen aus Metall unterstützen die Erkennung von Konstruktionsfehlern und erleichtern die Verbesserung der Betriebsfähigkeit und der Fertigungsmethoden.

Ingenieure verwenden verschiedene Modelle zur Prüfung von Haltbarkeitsfaktoren. Zum Beispiel wenden Ingenieure das Hooke'sche Gesetz an, wenn sie die mechanische Festigkeit und unglaublich elastische Materialien analysieren.

σ=E.ϵ

E ist der Elastizitätsmodul, σ ist die Spannung in Pa, während ϵ ist die Dehnung, die das Material erfährt.

Sie wenden die Von-Mises-Spannungstheorie an, um zu ermitteln, inwieweit das Material unter komplexen Belastungen versagen kann.

Demonstration für Investoren und Kunden

Die Herstellung eines Metallmodells aus Metall ermöglicht es Investoren und Kunden, das künftige Endprodukt vor der Herstellung in großem Maßstab zu betrachten. Der Prototyp macht Designkonzepte erlebbar und zeigt die gewählten Materialien und strukturellen Leistungsmerkmale.

Ingenieure stellen Prototypen durch CNC-Bearbeitung, Präzisionsguss und 3D-Druck von Metall her, wobei strenge Toleranzwerte eingehalten werden. Oberflächenprofilometer und optische Koordinatenmessgeräte (CMMs) helfen dabei, hochwertige Oberflächenstandards und Maßgenauigkeit zu erreichen.

Ergonomische, ästhetische und mechanische Bewertungen erfolgen durch Kundentests von Kraftmessgeräten, Aufprallprüfgeräten und thermischen Kontrollräumen. Hochauflösende industrielle CT-Scanner untersuchen das Innere von Produkten, um Fehler zu finden und eine perfekte Präsentation zu gewährleisten.

Die Ingenieure führen mit Hilfe der Finite-Elemente-Analyse (FEA) Belastungssimulationen durch, während sie mit Hilfe der numerischen Strömungsmechanik (CFD) aerodynamische und Wärmeableitungsbewertungen vornehmen können. Der Verifizierungsprozess schafft Vertrauen in die Machbarkeit der Designimplementierung und beschleunigt die Zustimmung der Interessengruppen, bis die Finanzierung der Fertigung gesichert ist.

Einhaltung von Vorschriften

Die Herstellung von Prototypen mit metallischen Werkstoffen ermöglicht es den Herstellern, die gesetzlichen Anforderungen zu erfüllen, da sie den geforderten Standards in der Luft- und Raumfahrt, der Automobilindustrie und der medizinischen Industrie entsprechen.

Ingenieure führen Materialeigenschaftsprüfungen mit Zugprüfmaschinen durch, um die Streckgrenze sowie die Bruchfestigkeit und die Dehnung zu bestimmen. Mit den Rockwell- und Vickers-Härteprüfgeräten wird die Oberflächenbeständigkeit gemäß den Anforderungen von ISO und ASTM geprüft.

XRF-Analysatoren bewerten Legierungsbestandteile, um zu bestätigen, dass sie den Spezifikationen für Metalle in Luft- und Raumfahrtqualität entsprechen, einschließlich Ti-6Al-4V und Inconel 718.

Die realistische Überwachung der Beanspruchung von Kraftfahrzeugen erfolgt auf Ermüdungsprüfständen, und die Fertigungsqualität hängt von der präzisen Bestätigung der Bauteile durch Koordinatenmessgeräte (KMG) ab.

Im medizinischen Bereich sind Biokompatibilitätsprüfungen vorgeschrieben, bei denen Metallprototypen auf Zytotoxizität getestet und ihre Korrosionsbeständigkeit in simulierten organischen Lösungen bewertet werden.

Um innere Fehler in Bauteilen aufzuspüren, müssen Ingenieure zerstörungsfreie Prüfverfahren (NDT) anwenden, insbesondere Ultraschall- und Wirbelstromprüfungen.

Die gemeinsame Zertifizierung nach AS9100 (Luft- und Raumfahrt), IATF 16949 (Automobilindustrie) und ISO 13485 (Medizintechnik) ermöglicht es den Herstellern, die Übereinstimmung ihrer Produkte mit den Industrienormen für Sicherheit und Zuverlässigkeit während der Prototypenbewertung zu bestätigen.

Anwendungsszenarien von Metallprototypen

Die Verwendung von Metallprototypen ist in verschiedenen Sektoren nach wie vor von grundlegender Bedeutung, da Ingenieure sie benötigen, um Entwürfe zu überprüfen, zu verbessern und zu verifizieren, bevor sie vollständige Produktionsläufe durchführen.

Diese Funktionsmodelle ermöglichen Tests zur Überprüfung des Leistungsniveaus, der gesetzlichen Anforderungen und der Fertigungsfähigkeit. Ingenieure können Prototypen herstellen, die das Endprodukt mithilfe fortschrittlicher Fertigungsmethoden wie CNC-Bearbeitung, 3D-Metalldruck, Gießen und Blechumformung perfekt nachbilden. Hersteller aus allen Branchen müssen spezifische Anforderungen erfüllen, angefangen bei stabilen und dennoch leichten Teilen für die Luft- und Raumfahrt über medizinische Artikel mit biologischer Verträglichkeit bis hin zu Wärmemanagementlösungen für die Elektronik.

Anwendungen in der Luft- und Raumfahrtindustrie

Triebwerkskomponenten, strukturelle Halterungen und Teile der Flugzeugzelle, die hohen Temperaturen und mechanischen Belastungen ausgesetzt sind, erfordern Metallprototypen zur Validierung in der Luft- und Raumfahrtfertigung. Die Finite-Elemente-Analyse (FEA) ermöglicht es den Ingenieuren, mechanische Ermüdung und Verformung vorherzusagen, während die Prüfmaschinen das Materialverhalten bei hohen Temperaturen messen. Die innere Prüfung von Turbinenschaufeln aus den Superlegierungen Inconel 718 und Ti-6Al-4V in Düsentriebwerken hängt von Ultraschall- und Röntgenprüfverfahren ab, die zu den zerstörungsfreien Prüfverfahren (NDT) gehören.

Anwendungen in der Automobilindustrie

Bei der Herstellung von kundenspezifischen Motorenteilen, Fahrwerkskomponenten und Fahrzeuggetrieben werden Metallprototypen verwendet, um ein Höchstmaß an Design-Effizienz und Haltbarkeit zu erreichen. Motorprüfstände bilden reale Fahrsituationen nach, und die Lebensdauer von Getrieben wird auf Prüfständen, die über viele Betriebszyklen hinweg arbeiten, gründlich bewertet.

Kleiner Disclaimer: Ingenieure verwenden die Archard-Gleichung, um die Leistungsdauer zu bestimmen und die durch Reibung bedingte Verkürzung der Lebensdauer von Produkten genau zu analysieren.

Anwendungen in der medizinischen Industrie

Medizinische Experten verwenden Präzisionsmetallprototypen zur Herstellung von chirurgischen Werkzeugen, orthopädischen Implantaten und Prothesen, da diese Geräte perfekte Präzision erfordern und biokompatibel sein müssen. Die ISO 13485-Normen verlangen von den Ingenieurteams, die Korrosionsbeständigkeit durch elektrochemische Analysen zu prüfen und die Materialfestigkeit mit Mikrohärteprüfern und Kerbschlagbiegeprüfmaschinen zu validieren.

Industrielle Schwerlastanwendungen

Industrieunternehmen setzen Metallprototypen ein, um hochbelastbare Maschinenteile zu verbessern, bevor sie anspruchsvollen mechanischen Belastungsbedingungen und rauen Umgebungen ausgesetzt werden. Für das Verfahren der Torsionsprüfung müssen Ingenieure diese mathematische Formel anwenden:

τ=Tr/J​

τ ist die Scherspannung, J ist das polare Trägheitsmoment, T ist das aufgebrachte Drehmoment, und r ist der Radius des Bauteils. Rockwell- und Brinell-Härteprüfer analysieren die Oberflächenbeständigkeit, und Mikrorisse in geschweißten Strukturen werden durch Magnetpulverprüfung und Wirbelstromprüfung aufgespürt.

Anwendungen der Unterhaltungselektronik

Prototypen aus Leichtmetall verbessern das Design von Kühlkörpern und verbessern mobile Geräte und Laptop-Gehäuse in der Unterhaltungselektronik.

Die Wärmeableitungseffizienz wird mit Hilfe der Infrarot-Thermografie analysiert, während die Fourier-Leitungsgleichung die Wärmeleitfähigkeit überprüft.

q=-kA・dT/dx

q ist die Wärmeübertragung, dT/dx ist ein Temperaturgradient. k ist die Wärmeleitfähigkeit und A ist die Oberfläche.

Schritte zur Erstellung eines Metallprototyps

Die Entwicklung von Metallprototypen erfordert bestimmte Schritte, die dazu beitragen, neben der Herstellbarkeit auch exakte Abmessungen und Betriebsfähigkeit zu erreichen. Die erste Aufgabe der Ingenieure besteht darin, festzulegen, wie der Prototyp für die mechanische Bewertung, die Sichtprüfung oder die Betriebstests verwendet werden soll.

Die Entwicklung des Prototyps beginnt mit der Modellierung in der CAD-Software und setzt sich mit der Auswahl der geeigneten Fertigungsmethode fort, die von der CNC-Bearbeitung über den 3D-Druck von Metall bis hin zum Feinguss reicht.

Die Wahl der Werkstoffe ist nach wie vor von entscheidender Bedeutung, da Metalle unterschiedliche Festigkeitswerte aufweisen und sich in ihren thermischen Eigenschaften und ihrer Korrosionsbeständigkeit unterscheiden. Oberflächenbehandlungen wie Eloxieren, Elektropolieren und Pulverbeschichten verbessern die Haltbarkeit und das Aussehen der hergestellten Produkte.

Der Prototyp muss die drei Testphasen für die Parameter Belastung, Temperatur und Passformqualität bestehen, um für die Massenproduktion zugelassen zu werden.

Schritt 1: Definition von Zielen und Anforderungen

Der Metallprototyping-Prozess beginnt mit einer genauen Zieldefinition, um eine hervorragende Leistung, Herstellbarkeit und einen wirtschaftlichen Wert zu erzielen. Ingenieurteams sollten präzise Ziele definieren, die den Produktanforderungen entsprechen, und Spezifikationen verwenden, um beim Metallprototyping erfolgreich zu sein.

Zweck des Prototyps und Entwurfsparameter

Der grundlegende Schritt für Ingenieure beginnt mit der Entscheidung über den spezifischen Verwendungszweck des Metallprototyping. Diese Entscheidung legt Parameter fest, die die Materialien, Produktionsmethoden und Qualitätskontrollverfahren bestimmen.

Mechanische und thermische Prüfverfahren

Strenge mechanische Prüfungen von Strukturprototypen bestimmen deren Belastbarkeit, Haltbarkeit und Versagensmerkmale. Die Finite-Elemente-Analyse (FEA) ermöglicht es Ingenieuren, Simulationen von Spannungsmustern und Verformungsvorhersagen durchzuführen, gefolgt von Konstruktionsoptimierungen, die zu besseren physikalischen Testergebnissen führen.

Um die theoretischen Vorhersagen zu überprüfen, werden die Prototypen mit Universalprüfmaschinen, Dehnungsmessstreifen und digitalen Bildkorrelationssystemen getestet. Die technischen Bewertungen der Prototypen, die für thermische Wechselbeanspruchung ausgelegt sind, bestehen aus der Messung der Wärmeausdehnung, der Leitfähigkeit und der Bewertung der Ermüdungsbeständigkeit mit einem thermomechanischen Analysator (TMA) und einem Laser Flash Analyzer (LFA).

Ästhetische und funktionale Validierung

Ästhetische Prototypen erfordern sowohl eine exakte Oberflächenqualität als auch präzise Produktabmessungen. Ingenieure setzen detaillierte optische Profilometer ein, um die Oberflächenqualität von Produkten zu bewerten, was vor allem bei Konsumgütern und Automobilkomponenten aufgrund ihrer ästhetischen Anforderungen an die Oberfläche von Vorteil ist. GD&T- und Toleranznormen werden durch Bewertungen mit Koordinatenmessgeräten (CMM) und Laserscannertechnologien erfüllt.

Die Funktionalität von Prototypen erfordert eine präzise Simulation der tatsächlichen Leistung über mechanische Vorgänge sowie thermische Regulierung und elektrische Funktionen. Die Bewertung extremer Umweltbedingungen in Umweltkammern erfordert Ingenieure, die Oszilloskope und Spektrumanalysatoren benötigen, um elektrische Tests auf der Grundlage von Signalintegrität und Leitfähigkeitsbewertung durchzuführen. Der Testplan für einen Prototyp hängt von seinem Zweck ab, um zu überprüfen, ob die Leistungserwartungen sowie die Zuverlässigkeits- und Herstellbarkeitsstandards erfüllt werden.

Materialauswahl und Leistungskriterien

Die Materialauswahl beim Metallprototyping muss sowohl den mechanischen Leistungsanforderungen als auch den thermischen und chemischen Anforderungen genügen, damit der Prototyp ordnungsgemäß funktioniert. Universalprüfmaschinen (UTM) dienen Ingenieuren zur Messung des axialen Spannungs-/Dehnungsverhaltens durch Bestimmung der Zugfestigkeit und Streckgrenze.

Die Haltbarkeit von Prototypen in rauen Umgebungen wird mit Hilfe von ASTM B117 Salzsprühnebeltests und elektrochemischen Impedanzspektroskopie-Untersuchungen (EIS) zur Korrosionsbeständigkeit gemessen. Die Luft- und Raumfahrt- sowie die Automobilindustrie setzen Geräte nach dem archimedischen Prinzip zur Dichtemessung ein, um das Verhältnis von Festigkeit und Gewicht ihrer Produkte zu optimieren. Der wesentliche Wärmeleitfähigkeitsparameter für Wärmetauscher und Elektronikgehäuse wird mit der Laser Flash Analyse (LFA) gemessen. Bei der Bewertung der Zerspanbarkeit und der Schweißbarkeit werden CNC-Bearbeitungsversuche zur Überwachung von Werkzeugverschleißmustern, Spanbildungsmechanismen und Oberflächenqualitätsmetriken eingesetzt. Mit Hilfe der Rasterelektronenmikroskopie (SEM) werden die Schweißnahtdurchdringung analysiert und Verbindungsfehler aufgespürt. Die Bewertungen bestätigten, dass die ausgewählten Werkstoffe die strukturellen Anforderungen, die thermischen Anforderungen und die Herstellungsvoraussetzungen erfüllen.

Budget- und Zeitplanmanagement

Budget- und Zeitbeschränkungen sind grundlegende Elemente zur Optimierung der Kostenwirksamkeit und Effizienz von Metallprototyping-Prozessen. Die Ingenieure schlüsseln die Kosten auf und weisen die Ressourcen mithilfe der Prozesskostenrechnung (ABC) und der parametrischen Kostenmodellierung effizient zu. Die Materialbeschaffung von hochwertigen Legierungen wie Inconel und Titan ist von entscheidender Bedeutung, da sich ihre Kosten erheblich auf die Herstellungskosten auswirken und daher genau getimte Beschaffungsvorgänge erforderlich sind, um unnötigen Abfall zu vermeiden.

Die Komplexität der Teile bestimmt die Bearbeitungskosten, denn mehrachsige CNC-Maschinen und EDM-Systeme erhöhen die Projektkosten erheblich. Die zusätzlichen Kosten für Inspektion und Prüfung erfordern Haushaltsmittel für zerstörungsfreie Prüfverfahren wie Ultraschallprüfung und Röntgenstrahlung und deren spezielle Ausrüstungsanforderungen. Ingenieure verwenden fortschrittliche Planungssoftwareprodukte, darunter Siemens Tecnomatix und Dassault Systèmes DELMIA, um die Produktionsfristen zu optimieren.

Schritt 2: 3D-Design und Modellierung

3D-Modellierung und CAD-Software

Die Entwicklung präziser digitaler Modelle für das Metallprototyping hängt von CAD-Softwareanwendungen (Computer-Aided Design) ab. Zu den standardmäßig eingesetzten CAD-Programmen gehören SolidWorks, Fusion 360, CATIA und Siemens NX. Mit dieser Software können die Benutzer parametrische, direkte und Flächenmodelle erstellen, die die Entwicklung komplizierter Formen ermöglichen und die Fertigungstauglichkeit erhalten.

Die Beziehungen zwischen den Features werden mithilfe von Maß-, Geometrie- und Parametergleichungen präzise definiert. Ingenieure können mithilfe fortschrittlicher Techniken, die gleichungsgesteuerte Kurven mit erhabenen Oberflächen und splinebasierten Profilen integrieren, detaillierte Metallprototypen entwerfen. Der Fertigungsprozess profitiert von der Baugruppenmodellierung und der Bewegungsanalyse, da sie die Verbindungspunkte der Komponenten vor Produktionsbeginn überprüfen.

Konstruktionsanalyse und Fertigungseinschränkungen

Ein Entwurf muss die Anforderungen an die Herstellbarkeit erfüllen, um effiziente Fertigungsergebnisse zu erzielen, insbesondere beim Metallprototyping. Die Analyse von Wandabmessungen, Verzugsgradientendaten und Toleranzgrenzen durch Ingenieure verhindert Fertigungsprobleme, einschließlich struktureller Verformungen während der Produktion.

Während der Produktentwicklung liefert GD&T (Geometric Dimensioning and Tolerancing) Spezifikationen für Ebenheit, Rechtwinkligkeit, Zylindrizität und Positionsgenauigkeit, die eine perfekte Korrelation von Teilen zwischen Komponenten ermöglichen. Die für CNC-gefräste Metallprototypen erforderliche Positionstoleranz beträgt ±0,01 mm, und für Blechkomponenten sind spezifische Biegeradienspezifikationen für die Materialintegrität erforderlich.

Ingenieure optimieren Merkmale mit Hinterschneidungen und scharfen Innenecken so, dass sie am besten funktionieren, wenn sie mit Methoden wie CNC-Bearbeitung, Metallguss und dem additiven Verfahren DMLS hergestellt werden.

Finite-Elemente-Analyse (FEA) zur Leistungsvorhersage

Die Vorhersage der mechanischen Leistung von Metallprototypen in Betriebsumgebungen stützt sich in hohem Maße auf die Finite-Elemente-Analyse (FEA). Bei der FEA müssen die Ingenieure die Steifigkeitsmatrixgleichung lösen, die Analyseergebnisse für Spannungen zusammen mit Dehnungs- und Verschiebungsmessungen [𝐾]{𝑢} ={𝐹} liefert.

Die Genauigkeit der Simulation hängt von der Bestimmung der Materialeigenschaften Elastizitätsmodul (E), Poissonzahl (ν) und Streckgrenze (σ_y) ab, da sich diese Werte bei Aluminium, Titan und Edelstahl ändern. Die Verfeinerung des Netzes ist bei der Auswahl tetra- und hexaedrischer Elemente je nach Komplexität der Geometrie von größter Bedeutung. Ingenieure verwenden Konvergenzstudien, um sowohl die Genauigkeit der Ergebnisse zu bestätigen als auch unnötige Rechenkosten zu minimieren.

Ingenieurwissenschaftler führen Wärme- und Ermüdungsprüfungen an Komponenten durch, die in der Luft- und Raumfahrt sowie in der Automobilindustrie hohen Belastungen ausgesetzt sind.

Validierungswerkzeuge und Prototyping-Technologien

Die Ingenieure setzen sowohl Präzisionsmesswerkzeuge mit Automatisierungssoftware als auch 3D-Scanner wie Creaform Handy SCAN und FARO Arm ein, um das Design des Metallprototyps durch einen Dimensionsvergleich des CAD-Modells zu validieren.

Beim Metallprototyping werden die Spezifikationen mit Hilfe von ZEISS CONTURA KMGs und Koordinatenmessgeräten, die die Toleranzen überprüfen, erreicht.

Die Designentwicklung mit den hochauflösenden 3D-Metalldruckern EOS M 290 und Renishaw AM250 ermöglicht ein schnelles Prototyping, da sie Funktionstests ermöglicht, bevor die Massenproduktion beginnt. Die Effizienz der Designvalidierung wird durch die Automatisierung mit den Programmierwerkzeugen Python (NumPy, SciPy, PyFEA), MATLAB und ANSYS APDL erhöht.

Durch den kombinierten Einsatz von CAD-Modellierung mit Simulationsanalyse und Präzisionsvalidierung entstehen Prototypen aus Metall, die ihre optimale Festigkeit, praktische Fertigungsstandards und operative Leistungsergebnisse erreichen.

Schritt 3: Auswahl eines Metallprototyping-Verfahrens

Die Entscheidung, welches Verfahren für funktionale Metallprototypen verwendet werden soll, entscheidet über den Erfolg bei der Kombination von Materialspezifikationen mit Genauigkeit und Wirtschaftlichkeit. Der Bewertungsprozess der Ingenieure umfasst die Prüfung der erforderlichen Toleranzen, der Spezifikationen für die Oberflächenbeschaffenheit, der mechanischen Widerstandsfähigkeit und der Skalierbarkeit der Produktion.

Die bevorzugte Methode zur Herstellung präziser Prototypen ist die CNC-Bearbeitung, da sie mehrere Metalle mit engen Toleranzen von bis zu ±0,01 mm bearbeitet. Die Blechbearbeitung eignet sich am besten für dünnwandige Bauteile und Gehäuse, da sie eine schnellere Durchlaufzeit und geringere Kosten ermöglicht, allerdings sind die Möglichkeiten bei der Bearbeitung komplexer Geometrien begrenzt. Die Metall-3D-Druckverfahren Selective Laser Melting (SLM) und Direct Metal Laser Sintering (DMLS) ermöglichen außergewöhnliche Geometrien, sind aber wesentlich teurer.

Hochdetaillierte Kleinteile und eine hervorragende Oberflächengüte können erfolgreich mit dem Feingussverfahren hergestellt werden. Die Hersteller verwenden dieses Verfahren häufig in der Luft- und Raumfahrt sowie in der Medizintechnik, weil dabei Teile mit geringem Ausschuss und präzisen Abmessungen entstehen. Dieses Verfahren dauert vierzehn bis einundzwanzig Arbeitstage, da die Vorbereitung der Form und die Erstarrung des Metalls viel Zeit in Anspruch nehmen.

Die Vorproduktionstests profitieren vom Druckguss mit Rapid Tooling, da hier skalierbare Komponenten mit gleichbleibender Qualität hergestellt werden können. Der größte Nachteil der Formherstellung ist ihr hoher Preis, der sie für die Herstellung kleiner Serien ungeeignet macht. Die Entscheidung zwischen diesen Verfahren muss von den Ingenieuren auf der Grundlage des Produktionsniveaus und der erweiterten Wirtschaftlichkeitsbetrachtung getroffen werden.

Diese Tabelle enthält einen Vergleich der wichtigsten Faktoren für verschiedene Metallprototyping-Verfahren.

Die beste Methode hängt von verschiedenen technischen Zwecken ab und erfordert eine komplexe Konstruktionsbewertung, eine Analyse des Produktionsvolumens und der mechanischen Leistungsanforderungen. Die Simulationswerkzeuge von ANSYS, COMSOL und SolidWorks helfen den Ingenieuren, die Auswirkungen der thermischen Ausdehnung sowie Eigenspannungen und Verformungsgefahren zu ermitteln, bevor sie ihre Produktionstechnik für Metallprototypen festlegen.

Schritt 4: Materialauswahl

Die Wahl des Materials für die Herstellung des Metallprototyps ist ein wesentlicher Schritt im Entwicklungsprojekt. Verschiedene Materialien weisen unterschiedliche Eigenschaften auf, die sie für andere Anwendungen geeignet machen. Bei der Auswahl der Werkstoffe sind unter anderem die Haltbarkeit, die mechanischen Eigenschaften und die funktionellen Fähigkeiten zu berücksichtigen. Umweltfaktoren wie Korrosion, thermische Belastung und Beanspruchung diktieren die Wahl der verschiedenen Materialien.

Beispielsweise wird Aluminium in vielen Bauteilen verwendet, weil es aufgrund seines geringen Gewichts und seiner Korrosionsbeständigkeit gut für Anwendungen in der Automobil- und Luftfahrtindustrie geeignet ist. Edelstahl erfüllt die Anforderungen an die Langlebigkeit von medizinischen und industriellen Anwendungen, da er eine hohe Hitzebeständigkeit und ausgezeichnete mechanische Eigenschaften aufweist. Hersteller wählen Titan für Luft- und Raumfahrtausrüstungen und biomedizinische Implantate vor allem deshalb, weil dieses Material führende Festigkeitseigenschaften bei geringem Gewicht aufweist und gleichzeitig für medizinische Anwendungen geeignet ist.

Schritt 5: Oberflächenveredelung

Die Wahl der Oberflächenveredelung hängt von den Materialeigenschaften und den Anforderungen an die mechanische und umweltbedingte Beanspruchung des Produkts ab. Durch Elektrochemie bildet sich eine harte Oxidschicht, die die Festigkeit des Materials erhöht und gleichzeitig seine ursprünglichen Abmessungen beibehält. Eine schützende, dauerhafte Schicht entsteht durch die Pulverbeschichtung mit elektrostatisch aufgeladenem Polymerpulver, das unter Hitze ausgehärtet wird. Die Beschichtung nutzt eine fortschrittliche elektrochemische Verarbeitung, die die Widerstandsfähigkeit gegenüber Kratzern und Chemikalien verbessert, und eignet sich daher für Anwendungen in der Automobilindustrie und für Industriekomponenten, die einer starken Beanspruchung ausgesetzt sind.

Elektropolieren ist ein Endbearbeitungsverfahren für Anwendungen, die genaue Abmessungen und glatte Oberflächen erfordern. Durch die elektrochemische Auflösung werden mikroskopisch kleine Oberflächenfehler beseitigt, so dass eine glatte, spiegelnde Oberfläche entsteht, die die Korrosionsbeständigkeit erhöht. Medizinische Implantate aus Edelstahl sowie Komponenten für die Luft- und Raumfahrt und präzisionsgefertigte Teile profitieren vom Elektropolieren, da es Grate beseitigt und glattere Oberflächen erzeugt. Die Oberfläche von rostfreiem Stahl wird einer Passivierungsbehandlung unterzogen, um die Korrosionsbeständigkeit zu erhöhen, indem freies Eisen und Oberflächenverunreinigungen entfernt werden. Durch dieses Verfahren wird eine schützende Chromoxidschicht erzeugt, die die Lebensdauer der Bauteile in anspruchsvollen Anwendungen in der Schifffahrt und der chemischen Industrie verlängert.

Schritt 6: Testen und Verfeinern

Wie prüft man Metallprototypen auf Ermüdungsfestigkeit?

Die Prüfung ist von entscheidender Bedeutung, da sie alle mechanischen, thermischen und funktionellen Aspekte der metallischen Prototypen für die Serienreife überprüft. Der Prototyp muss statischen und dynamischen Kraftprüfungen unterzogen werden, um seine Tragfähigkeit, Zugfestigkeit und Ermüdungsbeständigkeit zu bestimmen. FEA-Simulationen helfen den Ingenieuren, die Spannungsverteilung in den Strukturelementen zu bestimmen und potenzielle Fehlerstellen zu erkennen, während sie die Konstruktionsfähigkeiten für Betriebsbelastungen überprüfen. Bei der Prüfung mit einer Universalprüfmaschine (UTM) werden einachsige Zugversuche durchgeführt, um die tatsächlichen Materialeigenschaften unter realen Bedingungen zu überprüfen.

Die Prüfung von Bauteilen unter Hochtemperaturbedingungen ist von entscheidender Bedeutung, da sie sich auf Elemente wie Automotoren, Luft- und Raumfahrtstrukturen und Industriemaschinen auswirkt. Ingenieure unterziehen Prototypen thermischen Wechselbeanspruchungen und Bewertungen der Wärmebeständigkeit, um zu analysieren, wie sich das Material ausdehnt (CTE), während sie die Wärmeabgabe bestimmen und die strukturelle Stabilität bei extremen Temperaturen überprüfen.

Bei der Passformprüfung wird die Leistung des Prototyps geprüft, indem seine reibungslose Integration mit anderen Bauteilen bestätigt wird. Bei der Prüfung der Produkte anhand ihrer CAD-Entwürfe stellen die Ingenieure mit Hilfe von Koordinatenmessgeräten und 3D-Laserscannern die Maßhaltigkeit und Formtreue fest. Designverbesserungen werden nach Softwareanpassungen der Parameter in der CAD-Software vorgenommen, bevor in weiteren Entwicklungszyklen neue Prototypen entstehen. Ingenieure können mit Hilfe von CNC-Maschinen, 3D-Metalldruck und Quick-Turn-Gießverfahren, die eine schnelle Umsetzung von Prototypen nach testbasierten Änderungen ermöglichen, schnelle Designänderungen durchführen. Die iterative Verfeinerung von Prototypen führt dazu, dass Hersteller Fehler reduzieren und die Materialeffizienz verbessern können, um die Produktionseffektivität zu optimieren, was die genaue Einhaltung von Leistungs- und Industriestandards vor der Produktfreigabe gewährleistet.

Fallstudie: Leistungsverbesserung durch Metall-Prototyping

Die Fahrradindustrie zeigt anhand eines Beispiels aus der Praxis, wie Specialized Bicycle Components Metallprototyping zur Verbesserung der Produktleistung einsetzt. Specialized Bicycle Components nutzte den 3D-Druck von Titan (Selective Laser Melting - SLM), um den strukturellen Rahmen seines S-Works Power mit Spiegelsattel zu bauen, den das Unternehmen als führender Hersteller von Hochleistungsfahrrädern produziert. Specialized Bicycle Components untersuchte Prototypen aus Aluminium und Kohlefaser, bevor sie feststellten, dass ihr Produkt haltbarere und leichtere Eigenschaften aufweisen musste. Durch den Einsatz von 3D-gedrucktem Titan als Ersatz für die bisherigen Materialien wurden Leistung und Komfort des Produkts verbessert.

Die Umstellung des Herstellungsprozesses ermöglichte Specialized die Optimierung der Sattelgeometrie und ein ausgeklügeltes Gitterdesign, das die Gewichtsverteilung verbesserte und die Druckpunkte minimierte. FEA-Analysen, Ermüdungstests und elektropolierte Oberflächenbehandlungen wurden auf den Metallprototypen angewandt, um vor der Produktion glatte und korrosionsbeständige Oberflächen zu erzielen. Der Herstellungsprozess führte dazu, dass dieser Sattel in einem Bruchteil der herkömmlichen Zeit produziert werden konnte, so dass Elite-Radsportler einen aerodynamischen, leichten und langlebigen Sattel erhielten. Dieser Fall zeigt, wie Rapid Metal Prototyping die Innovation in der Wirtschaft vorantreibt und zu fortschrittlichen Teilen mit besserer Leistung führt, die schnell auf den Markt kommen.

Schlussfolgerung

Die Herstellung von Metallprototypen erfordert eine dreistufige systematische Vorbereitung: Entwurf und Auswahl der Materialien vor der Fertigung und Fertigstellung. Unternehmen können durch die Auswahl geeigneter Prototyping-Methoden und die Optimierung ihrer Produktionsprozesse eine effiziente Herstellung langlebiger Metallkomponenten mit hoher Leistung erreichen. Der Erfolg der Produktentwicklung hängt von hochleistungsfähigen Metallprototypen für Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt, der Medizin und der Fertigungsindustrie ab.