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Rapid Prototyping - Der ultimative Leitfaden

Die Prototypenentwicklung ist ein wichtiger Teil des Konstruktionsprozesses im Maschinenbau, der jedoch in der Vergangenheit auch seine ganz eigenen Herausforderungen mitbrachte.

Produktdesigner und Ingenieure fertigten provisorische Proof-of-Concept-Modelle mit einfachen Werkzeugen. Allerdings erforderte die Produktion von funktionsfähigen Prototypen oft den Einsatz derselben Prozesse wie bei der Herstellung des Endprodukts. Traditionelle Fertigungsverfahren wie Spritzgießen oder CNC erfordern teure Werkzeugbestückungen und eine kostspielige Einrichtung, wodurch die Produktion von passgenauen Prototypen in sehr kleinen Serien unerschwinglich ist.

Rapid Prototyping hilft Unternehmen dabei, Ideen in realistische Proof-of-Concept-Modelle zu verwandeln, diese Konzepte zu hochpräzisen Prototypen weiterzuentwickeln, die aussehen und funktionieren wie die Endprodukte, und führt Produkte durch eine Reihe von Validierungsschritten, die in der Serienproduktion enden.

Mit Rapid Prototyping können Designer und Ingenieure Prototypen so schnell wie nie zuvor direkt aus CAD-Daten erstellen und schnelle und häufige Revisionen an ihren Designs durchführen, die sich auf Tests unter realen Bedingungen und auf Feedback stützen.

In diesem Ratgeber erfahren Sie, wie Rapid Prototyping in den Produktdesignprozess passt, wie es angewendet wird und welche Rapid-Prototyping-Werkzeuge den Produktdesignteams heutzutage zur Verfügung stehen.

  1. Was ist Rapid Prototyping?
  2. Warum Rapid Prototyping?
  3. Anwendungen von Rapid Prototyping
  4. Rapid-Prototyping-Werkzeuge

Was ist Rapid Prototyping?

Rapid Prototyping bezeichnet die Gruppe von Techniken, die verwendet werden, um ein maßstabsgetreues Modell eines physischen Teils oder einer Baugruppe mithilfe von dreidimensionalen computergestützten Konstruktionsdaten (CAD) zu fertigen. Da diese Teile oder Baugruppen für gewöhnlich mit additiven Techniken und nicht mit den herkömmlichen zerspanenden Verfahren gefertigt werden, wurde der Begriff zu einem Synonym für additive Fertigung und 3D-Druck.

Die additive Fertigung ist wie geschaffen für die Prototypenentwicklung. Sie bietet nahezu unbegrenzte Formenfreiheit, erfordert keine Werkzeugbestückung und kann Teile fertigen, die in ihren Eigenschaften den verschiedenen Materialien ähneln, die mit herkömmlichen Fertigungsmethoden hergestellt werden. 3D-Drucktechnologien existieren seit den 1980er Jahren. Durch ihre hohen Kosten und die Komplexität wurden sie aber fast ausschließlich von großen Konzernen genutzt, oder kleinere Unternehmen mussten die Produktion an spezielle Dienstleister auslagern, wodurch sich die Intervalle zwischen den Iterationen auf Wochen erstreckten.

Die Einführung von Desktop und Benchtop 3D-Druck bedeutete das Ende dieses Status Quo und hat zu einem großen Rapid-Prototyping-Trend geführt, dessen Ende noch nicht abzusehen ist. Mit firmeneigenem 3D-Druck können Ingenieure und Designer die Zeit vom digitalen Design zum physischen Prototypen deutlich verkürzen. Prototypen können nun innerhalb eines Tages gefertigt werden. Anpassungen in Design, Größe, Form oder Montage lassen sich auf der Grundlage von Tests unter realen Bedingungen und von Analysedaten schnell durchführen. Unter dem Strich hilft Rapid Prototyping Unternehmen dabei, Ihre Produkte zu verbessern und die Markteinführung gegenüber der Konkurrenz deutlich zu verkürzen.

Mit 3D-Druck können Ingenieure und Designer die Zeit vom digitalen Design zum physischen Prototypen bis zur Produktion verkürzen.
Mit 3D-Druck können Ingenieure und Designer die Zeit vom digitalen Design zum physischen Prototypen und bis zur Produktion verkürzen.

Wieso Rapid Prototyping?

Konzepte schneller realisieren und erproben

Mit Rapid Prototyping lassen sich anfängliche Ideen in Konzepte umsetzen, die mit geringem Risiko erprobt werden können und wie echte Produkte aussehen – und all das in kürzester Zeit. Designer sind nicht mehr ausschließlich auf die Visualisierung am Bildschirm angewiesen. So lässt sich das Design leichter nachvollziehen und Konzepte können direkt miteinander verglichen werden.

Wirksame Kommunikation von Ideen

Physische Modelle geben Designern die Möglichkeit, Ihre Konzepte mit Kollegen, Kunden und Partnern zu teilen – und das auf eine Art und Weise, wie es bei der Darstellung am Bildschirm nicht möglich ist. Rapid Prototyping ermöglicht klares, umsetzbares Feedback, mit dessen Hilfe die Gestalter ihre Designs verfeinern und verbessern können.

Iteratives Design ermöglicht sofortige Umsetzung von Änderungen

Design ist stets ein iterativer Prozess, der mehrere Test-, Evaluierungs- und Verbesserungsdurchgänge erfordert, bevor das Endprodukt steht. Rapid Prototyping mit 3D-Druck bietet die Flexibilität, die erforderlich ist, um realistischere Prototypen schneller fertigen und Änderungen sofort umsetzen zu können, wodurch dieser grundlegende Trial-and-Error-Prozess verbessert wird.

Aufeinanderfolgende Iterationen von Sutrue, einem medizinischen Gerät zum automatischen Wundverschluss, dessen Prototypen mit STL-Druckern von Formlabs hergestellt wurden.
Aufeinanderfolgende Iterationen von [Sutrue], (/blog/3d-printing-surgical-tools-sutrue-feature/), einem medizinischen Gerät zum automatischen Wundverschluss, dessen Prototypen mit STL-Druckern von Formlabs hergestellt wurden.

Ein gutes Modell durchläuft einen 24-stündigen Designzyklus: Design während der Arbeitszeit, 3D-Druck in der Nacht, Reinigen und Testen am nächsten Tag, Anpassungen des Designs, anschließend Schritte wiederholen.

Spart Zeit und Geld

Beim 3D-Druck ist keine kostspielige Werkzeugbestückung und Einrichtung erforderlich. Dieselbe Ausrüstung kann zur Herstellung unterschiedlicher Geometrien genutzt werden. Durch betriebsinternes Prototyping fallen hohen Kosten und die Wartezeiten weg, die für das Outsourcing typisch sind.

Gründliches Testen und Reduzieren von Designfehlern

Beim Produktdesign und der Fertigung können Unternehmen durch das frühzeitige Finden und Beheben von Designfehlern kostspielige Designüberarbeitungen und Werkzeugwechsel im weiteren Verlauf der Herstellung vermeiden.

Dank Rapid Prototyping können Ingenieure gründliche Tests an Prototypen durchführen, die aussehen wie Endprodukte und sich auch so verhalten. So wird das Risiko von Anwendungs- und Fertigungsproblemen noch vor dem Beginn der Produktion reduziert.

Anwendungen von Rapid Prototyping

Dank einer Vielzahl von verfügbaren Technologien und Materialien unterstützt Rapid Prototyping mit 3D-Druck Designer und Ingenieure während der gesamten Produktentwicklung, von den anfänglichen Konzeptmodellen über die Konstruktion und Validierung bis hin zur Produktion.

Konzeptmodelle

Konzeptmodelle oder Proof-of-Concept-Prototypen (POC) unterstützen Designer bei der Validierung ihrer Ideen und Annahmen und beim Prüfen der Machbarkeit des Produkts. Physische Konzeptmodelle können Projektbeteiligten vorgeführt werden, einen Anstoß zu Diskussionen bieten und Akzeptanz oder Ablehnung mit risikoarmen Konzeptstudien fördern.

Designer des Schweizer Design- und Beratungsstudios Panter & Tourron haben mit Stereolithographie die Zeit vom Konzept zur Produktvorführung auf zwei Wochen verkürzt.
Designer des Schweizer Design- und Beratungsstudios Panter & Tourron haben mit Stereolithographie die Zeit vom Konzept zur Produktvorführung auf zwei Wochen verkürzt.

Der Hauptfaktor einer erfolgreichen Konzeptmodellierung ist Geschwindigkeit; Designer müssen zahlreiche Ideen sammeln, bevor sie physische Modelle bauen und entwickeln können. Zu diesem Zeitpunkt sind Anwendbarkeit und Qualität weniger wichtig und Teams verlassen sich soweit wie möglich auf Teile aus der Massenfertigung.

3D-Drucker sind das ideale Werkzeug zur Unterstützung der Konzeptmodellierung. Sie bieten eine unerreichte Durchlaufzeit von der Computerdatei zum fertigen physischen Prototype. So können Designer mehr Konzepte in kürzerer Zeit testen. Im Gegensatz zu den meisten Werkstatt- und Fertigungswerkzeugen sind Desktop 3D-Drucker bürofreundlich und benötigen keinen besonderen Standort.

Funktionsfähige Prototypen

Wenn das Produkt den Entwicklungsprozess weiter durchläuft, werden Details immer wichtiger. 3D-Druck ermöglicht es Ingenieuren, hochpräzise Prototypen zu erstellen, die das Endprodukt genau wiedergeben. So können Design, Passform, Funktion und Herstellbarkeit leichter verifiziert werden, bevor in teure Werkzeugausstattung investiert und zur Produktion übergegangen wird – denn zu diesem Zeitpunkt sind Änderungen zeitlich und finanziell kaum noch zu realisieren.

Paralenz, ein Hersteller von Unterwasserkameras, hat mit 3D-Druck realistische Prototypen hergestellt, die Tests in über 200 m Tiefe standgehalten haben.
Paralenz, ein Hersteller von Unterwasserkameras, hat mit 3D-Druck realistische Prototypen hergestellt, die Tests in über 200 m Tiefe standgehalten haben.

Innovative 3D-Druckmaterialien können die Optik, Haptik und die Materialeigenschaften von Teilen, die mit herkömmlichen Fertigungsprozessen wie dem Spritzguss hergestellt werden, fast vollständig reproduzieren. Verschiedene Materialien können Teile simulieren, die über feine Details und Texturen, glatte und reibungsarme Oberfläche, steife und robuste Gehäuse oder Soft-Touch- und transparente Komponenten verfügen. 3D-Druckteile können mit weiteren Prozessen wie Schleifen, Polieren, Lackieren oder Galvanisieren nachbearbeitet werden, um die Optik des Endprodukts nachzuempfinden. Sie können auch zerspant werden, um Baugruppen aus mehreren Teilen und Materialien zu fertigen.

Ingenieure bei Wohlers bauen einen täuschend echten, funktionsfähigen Prototypen eines Feuchtigkeitsmessers aus mehreren Materialien mit steifem Gehäuse und Soft-Touch-Knöpfen.
Ingenieure bei Wohlers bauen einen täuschend echten, funktionsfähigen Prototypen eines Feuchtigkeitsmessers aus mehreren Materialien mit steifem Gehäuse und Soft-Touch-Knöpfen.

Die Entwicklung von Prototypen erfordert umfassende Funktionsprüfungen, um herauszufinden, wie ein Teil oder eine Baugruppe reagiert, wenn sie den Belastungen und Bedingungen im Feld ausgesetzt wird. 3D-Druck bietet technische Kunststoffe für Hochleistungsprototypen, die thermischen, chemischen und mechanischen Belastungen standhalten. Die Technologie bietet auch eine wirksame Lösung für die Herstellung von maßgefertigten Prüfvorrichtungen, die die Funktionsprüfung und Zertifizierung erleichtern, indem sie konsistente Daten sammeln.

Vorproduktion und Fertigung

Ein hochwertiger Prototyp ist allerdings nur die halbe Miete. Ein Design muss wiederholbar und wirtschaftlich gefertigt werden können, damit es ein erfolgreiches Endprodukt wird. Design for Manufacturability (DFM) hält die Waage zwischen Ästhetik und Funktionalität des Designs und erfüllt die Anforderungen des Endprodukts. Durch DFM können im Fertigungsprozess die Kosten pro Teil unter dem zulässigen Wert gehalten werden.

Das Medizintechnikunternehmen Coalesce hat maßgeschneiderte Haltevorrichtungen für interne Tests genutzt
Das Medizintechnikunternehmen Coalesce hat [maßgeschneiderte Haltevorrichtungen für interne Tests] genutzt(/blog/medical-device-prototyping-and-testing-in-house-using-3D-printing/).

Rapid Prototyping ermöglicht die Herstellung kleiner Chargen, einmaliger maßgeschneiderter Lösungen und von Unterbaugruppen für EVT- und DVT-Modelle, um die Herstellbarkeit zu testen.

3D-Druck vereinfacht das Prüfen der Toleranzen vor dem Hintergrund des tatsächlichen Fertigungsprozesses. Auch können umfassende interne Feldtests durchgeführt werden, bevor das Teil in die Serienfertigung geht. 3D-Druck unterstützt auch die Produktion durch die Prototypenfertigung von Werkzeugen, Formen und Haltevorrichtungen für die Fertigungslinie.

3D-gedruckte Haltevorrichtungen in einer automatisierten Fertigungslinie von Pankl Racing Systems.
3D-gedruckte Haltevorrichtungen in einer automatisierten Fertigungslinie von Pankl Racing Systems.

Mit dem 3D-Druck ist der Entwurf bei Produktionsbeginn noch nicht beendet. Durch Rapid-Prototyping-Werkzeuge können Designer und Ingenieure fortlaufend Produkte verbessern und schnell und effektiv auf Probleme in der Fertigungslinie mit Vorrichtungen reagieren, die die Montage oder QS-Prozesse verbessern.

Von der Größen- und Passformprüfung hin zur Verschmelzung von Prototypenentwicklung und Produktion: Finden Sie heraus, wie erfolgreiche Unternehmen Rapid Prototyping in der Produktentwicklung nutzen.

Rapid-Prototyping-Werkzeuge

Es gibt zahlreiche Rapid-Prototyping-Techniken. Die Auswahl der richtigen Lösung kann eine Herausforderung sein. Möchten Sie gerne wissen, welches Rapid-Prototyping-Werkzeug sich am besten für Ihre Anwendung eignet?

In unserem nächsten Artikel stellen wir die drei verbreitetsten Technologien für den 3D-Druck von Kunststoffen vor: Schmelzschichtung (FDM), Stereolithographie (STL), und Selektives Lasersintern (SLS).


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