Rapid Prototyping – Der ultimative Leitfaden

Rapid Prototyping ist eine Gruppe von Verfahren, die verwendet wird, um schnell ein skalierbares Modell eines physischen Teils oder einer Baugruppe mithilfe dreidimensionaler Computer-aided Design (CAD)-Daten herzustellen. Da diese Teile oder Baugruppen für gewöhnlich mit additiven Fertigungstechniken und nicht mit den herkömmlichen subtraktiven Methoden gefertigt werden, wurde der Begriff zu einem Synonym für additive Fertigung und 3D-Druck.

Additive Fertigung und Prototypenentwicklung sind wie füreinander gemacht. Sie gewährt annähernd unbegrenzte Gestaltungsfreiheit, erfordert keine Werkzeugbestückung und erstellt Teile mit mechanischen Eigenschaften, die den verschiedenen Materialien traditioneller Fertigungsverfahren entsprechen. 3D-Drucktechnologien gibt es schon seit den 80ern, aber durch ihre hohen Kosten und Komplexität wurden sie zumeist von großen Unternehmen genutzt oder zwangen kleinere Unternehmen, die Produktion an spezialisierte Dienstleister auszulagern und Wochen zwischen aufeinander folgenden Iterationen zu warten.

Dank einer Vielzahl verfügbarer Technologien und Materialien hilft Rapid Prototyping Designern und Ingenieuren während der gesamten Produktentwicklung, von den ersten Konzeptmodellen über Weiterentwicklung und Validierung bis hin zur Produktion.

Konzeptmodelle oder Proof-of-Concept (PoC)-Prototypen helfen Produktdesignern dabei, Ideen und Annahmen zu validieren und die Umsetzbarkeit eines Produkts zu erproben. Physische Konzeptmodelle können zur Präsentation einer Idee vor involvierten Parteien genutzt werden, Diskussionsstoff bieten und als risikoarme Konzeptbeispiele Akzeptanz oder Ablehnung beschleunigen.

Die PoC-Prototypenfertigung erfolgt in den frühsten Phasen des Produktentwicklungsprozesses. Diese Prototypen verfügen über die minimale Funktionalität, um Annahme zu validieren, bevor die nächsten Entwicklungsphasen eingeläutet werden.

Der Schlüssel zum erfolgreichen Konzeptmodellieren ist Geschwindigkeit. Designer müssen eine unglaubliche Vielfalt an Ideen generieren, bevor sie physische Modelle bauen und bewerten. Zu diesem Zeitpunkt sind Bedienbarkeit und Qualität weniger wichtig, und Teams verlassen sich so stark wie möglich auf Fertigteile.

3D-Drucker sind ideale Werkzeuge zur Unterstützung der Konzeptmodellierung. Sie bieten ungeschlagene Durchsatzzeiten, um eine Computerdatei in einen physischen Prototypen zu konvertieren, was es Designern ermöglicht, zusätzliche Konzepte schnell zu testen. Im Gegenteil zum Großteil der Werkstatt- und Herstellungswerkzeuge sind Desktop-3D-Drucker bürofreundlich und ersparen Ihnen die Notwendigkeit eines fest zugewiesenen Standorts.

Visuelle Prototypen demonstrieren das Endprodukt auf abstrakter Ebene, ihnen fehlen jedoch die meisten funktionalen Elemente. Sie dienen dazu, sich das Endprodukt visuell besser vorstellen zu können und auszuloten, wie Endbenutzer mit ihm interagieren würden. Die Ergonomie, die Benutzeroberfläche sowie die Benutzergesamterfahren können mit visuellen Prototypen validiert werden, bevor wesentliche Investitionen in Design und technische Umsetzung der endgültigen Produktmerkmale getätigt werden.

Die Entwicklung visueller Prototypen beginnt häufig mit Zeichnungen, Schaumstoff- oder Tonmodellen und wird dann mit der CAD-Modellierung fortgesetzt. Im Verlauf des Designprozesses wechseln sich hier digitale und physische Modelle des Prototypen ab. Gegen Ende des Designprozesses stellen industrielle Designteams häufig visuelle Prototypen her, die dem Endprodukt extrem nahekommen, indem sie die endgültigen Farben, Materialien und Finishes (Colors, Materials and Finishes, CMF) verwenden.

Parallel zum industriellen Designprozess arbeiten Ingenieurteams an einer anderen Prototypenserie, um die mechanischen, elektrischen und thermischen Systeme des Produkts zu testen, iterieren und zu verfeinern. Diese funktionalen Prototypen ähneln dem Endprodukt nicht im Aussehen, verfügen dafür über die wichtigsten Technologien und Funktionen, die entwickelt und getestet werden müssen. 

Diese Hauptfunktionen werden häufig in separaten Einheiten entwickelt und getestet, bevor sie in einem einzigen Produktprototyp integriert werden. Bei diesem Ansatz werden Variablen isoliert, sodass Teams Aufgaben leichter aufteilen und vor der Integration der einzelnen Komponenten eines Systems sicherstellen können, dass diese zuverlässig sind.

Frühe funktionsfähige Prototypen des Form 3L Großformat-SLA-3D-Druckers. 

Beim technischen Prototyp führen Design- und Ingenieursteams ihre Konzepte zu einer in den Grundzügen gebrauchsfertigen Version des kommerziellen Endprodukts zusammen, die nach den Prinzipien des sogenannten Design for Manufacturing (DFM), also dem „produktionsgerechten Gestalten“, konstruiert wird. Diese Prototypen werden für laborbasierte Nutzertests mit ausgewählten Gruppen von führenden Nutzern verwendet, um die Produktionsabsichten an Werkzeugausstattungsspezialisten in Folgephasen zu kommunizieren und als Demonstrationsobjekte bei Ersttreffen der Vertriebsabteilung.

Zu diesem Zeitpunkt werden Details zunehmend wichtiger. 3D-Drucker ermöglichen es Ingenieuren, Prototypen mit hoher Originaltreue zu erstellen, was ein genaueres Verständnis des fertigen Produkts bietet. So können Design, Passung, Funktion und Herstellbarkeit leichter verifiziert werden, bevor man in teure Werkzeuge investiert und zur Produktion übergeht. Denn ab dann werden Änderungen zunehmend zeitintensiver und kostspieliger.

Fortgeschrittene 3D-Druckmaterialien können das Aussehen, Gefühl und die Materialeigenschaften von Teilen, die mit traditionellen Fertigungsverfahren wie dem Spritzguss hergestellt werden, sehr gut imitieren. Verschiedene Materialien können Teile mit feinen Details und Texturen, weicher Haptik, geschmeidiger und reibungsarmer Oberflächen, harter und robuster Gehäuse oder transparenter Komponenten simulieren. 3D-Druckteile können über Sekundärprozesse wie Schleifen, Politur, Lackieren oder Galvanisieren veredelt werden, um jegliche visuelle Attribute eines Endprodukts zu replizieren, aber auch durch Verschraubungen verbunden werden, um Baugruppen aus mehreren Teilen und Materialien zu erstellen.

Technische Prototypen erfordern extensive Funktions- und Bedienbarkeitstests, um zu sehen, wie ein Teil oder eine Baugruppe funktionieren wird, wenn es/sie Belastungen und arbeitsrelevanten Nutzungsbedingungen ausgesetzt ist/sind. 3D-Druck bietet Konstruktionskunststoffe für hochleistungsfähige Prototypen, die thermischen, chemischen und mechanischen Belastungen widerstehen können. 

Rapid Prototyping ermöglicht Ingenieuren die Erstellung kleiner Chargen, einmaliger Sonderanfertigungen sowie von Unterbaugruppen für Konstruktion, Design und Produktvalidierung (EVT, DVT, PVT), um die Herstellbarkeit zu testen.

3D-Druck macht es einfacher, Toleranzen vor dem Hintergrund des tatsächlichen Fertigungsverfahrens zu prüfen und umfassende Tests betriebsintern und in der Praxis durchzuführen, bevor schließlich zur Massenproduktion übergegangen wird.

3D-gedrucktes Rapid Tooling kann ebenfalls mit traditionellen Herstellungsprozessen wie Spritzguss, Thermoformen oder Silikonguss kombiniert werden, um die Produktionsprozesse auszubauen, indem ihre Flexibilität, Agilität, Skalierbarkeit und Kosteneffizienz verbessert werden. Die Technologie bietet auch eine effiziente Lösung zur Erstellung maßgefertigter Halterungen und Vorrichtungen, um Funktionstests und Zertifizierung durch Sammlung konsistenter Daten zu vereinfachen.

Mit 3D-Druck muss Design nicht beim Produktionsbeginn enden. Rapid-Prototyping-Werkzeuge ermöglichen es Designern und Ingenieuren, Produkte stetig zu verbessern und auf Probleme schnell und effizient mit Vorrichtungen und Halterungen zu reagieren, die die Montage- oder Qualitätssicherungsprozesse verbessern.

Rapid Prototyping wurde im Grunde ein Synonym für additive Fertigung und 3D-Druck. Es sind mehrere 3D-Druckverfahren verfügbar, wobei die für Rapid Prototyping am häufigsten genutzten Verfahren Schmelzschichtung (FDM), Stereolithografie (SLA) und selektives Lasersintern (SLS) sind.

Beim 3D-Druck mit Schmelzschichtung werden Teile durch Schmelzen und Extrudieren eines drahtförmigen thermoplastischen Kunststoffs (genannt Filament) aufgebaut, der anschließend von einer Druckdüse schichtweise im Konstruktionsbereich aufgetragen wird.

FDM ist bei Privatpersonen die am häufigsten verbreitete Form des 3D-Drucks, dank der vielen Hobbybastler, die damit den Einstieg in den 3D-Druck wagen. Industrielle FDM-Drucker sind aber auch bei Designern und Ingenieuren beliebt.

Schmelzschichtung hat die niedrigste Auflösung und Präzision der 3D-Druckprozesse für Kunststoffe und eignet sich deshalb nur bedingt für den Druck komplexer Designs oder filigraner Details. Hochwertigere Oberflächengüte lässt sich dabei durch chemische Prozesse oder mechanische Politur erzielen. Einige industrielle FDM-3D-Drucker nutzen lösliche Stützstrukturen, um einige dieser Probleme zu reduzieren.

FDM arbeitet mit einer Bandbreite von Standard-Thermoplasten wie ABS, PLA und deren verschiedenen Mischformen, während fortschrittlichere FDM-Drucker eine größere Bandbreite an Konstruktionsthermoplasten oder sogar Verbundwerkstoffe bieten. Beim Rapid Prototyping sind FDM-Drucker insbesondere zur Herstellung von einfachen Teilen nützlich, z. B. Teile, die typischerweise zerspant werden.

SLA-3D-Drucker verwenden einen Laser, um flüssige Kunstharze zu festen Teilen auszuhärten. Dieser Prozess nennt sich Photopolymerisation. SLA ist einer der beliebtesten Prozesse bei Fachleuten, da er hohe Auflösung, Präzision und eine große Materialvielfalt bietet.

SLA-Teile haben die höchste Auflösung und Genauigkeit, die klarsten Details und die glatteste Oberflächenbeschaffenheit von allen 3D-Drucktechnologien für Kunststoffe, was SLA zur einer klasse Option für visuelle Prototypen und funktionsfähige Prototypen macht, die geringe Toleranzen erfordern.

Allerdings ist der Hauptvorteil von SLA die Vielfalt seiner Materialbibliothek. Materialhersteller haben innovative SLA-Photopolymer-Kunstharzformulierungen entwickelt, die unterschiedliche optische, mechanische und thermische Eigenschaften bieten und denen von Standard-, technischen und industriellen Thermoplasten in nichts nachstehen.

Mit Draft Resin ist SLA-3D-Druck ebenfalls eines der schnellsten Werkzeuge zur Prototypenfertigung und bis zu zehnmal schneller als FDM-3D-Druck.

Selektives Lasersintern ist die am häufigsten genutzte Technologie der Additiven Fertigung für industrielle Anwendungen, auf die Ingenieure und Hersteller verschiedener Branchen vertrauen, um starke und funktionsfähige Teile zu produzieren.

SLS-3D-Drucker verwenden einen Hochleistungslaser, um kleine Partikel aus Polymerpulver zu sintern. Da das ungesinterte Pulver das Teil beim Drucken stützt, sind keine zusätzlichen Stützstrukturen erforderlich. SLS eignet sich somit ideal für komplexe Geometrien wie Merkmale im Inneren von Teilen, Hinterschneidungen, dünne Wände und negative Details. SLS-Teile bieten herausragende mechanische Eigenschaften, deren Festigkeit mit der von Spritzgussteilen vergleichbar ist.

Beim Rapid Prototyping wird das Verfahren des SLS-3D-Drucks primär für funktionsfähige Prototypen und technische Prototypen verwendet, die für anspruchsvolle Produktfunktionstests (z. B. Leitungen, Halterungen) und brancheninternes Kundenfeedback gedacht sind.

CNC-Werkzeuge, anders als FDM, SLA oder SLS, sind für subtraktive Fertigungsprozesse. Sie gehen von festen Blöcken oder Stäben aus Metall oder Kunststoff aus, die geformt werden, indem Material durch Schneiden, Bohren und Schleifen abgehoben wird.

CNC-Werkzeuge umfassen CNC-Bearbeitung, wobei Material entweder durch ein rotierendes Werkzeug und ein festes Teil (Fräsen) oder ein rotierendes Teil und ein festes Werkzeug (Drehmaschine) abgehoben wird. Beim Schneidlasern kommt ein Laser zur Anwendung, um mit höchster Präzision bestimmte Materialien einzugravieren oder auszuschneiden. Bei Wasserstrahl-Cuttern kommt Wasser mit Abriebstoffen bei hohem Druck zum Einsatz, um beliebige Materialien zu schneiden. CNC-Fräsmaschinen und -Poliermaschinen können mehrere Achsen aufweisen, was es ihnen ermöglicht, komplexere Designs zu managen. Schneidlaser und Wasserstrahl-Cutter sind eher für flache Teile geeignet.

CNC-Werkzeuge können Teile aus Kunststoffen, Weichmetallen, Hartmetallen (Industriemaschinen), Holz, Acrylglas, Stein, Glas und Verbundwerkstoffen formen. Im Vergleich zu Werkzeugen zur additiven Fertigung sind CNC-Werkzeuge komplizierter einzurichten und zu betreiben, und einige Materialien und Designs erfordern besondere Werkzeugbestückung, Handhabung, Positionierung und Verarbeitung, was sie für Einzelteile verglichen mit additiven Prozessen kostspielig macht.

Beim Rapid Prototyping sind das ideale, einfache Entwürfe, strukturelle Teile, Metalkomponenten und andere Teile, die mit additiven Tools nicht möglich oder kosteneffizient zu produzieren wären.