Was ist Rapid Prototyping? Methoden, Werkzeuge und Beispiele

Unter Rapid Prototyping, auch schnelle Prototypenentwicklung genannt, versteht man eine Reihe von Techniken, mit denen aus dreidimensionalen Entwürfen schnell physische Teile oder Baugruppen hergestellt werden können. Mittels Rapid Prototyping erschaffen Entwicklungs- und Designteams bessere Endprodukte, da sie dank des schnellen und kosteneffizienten Prozesses mehrere Male zwischen digitalen Designs und physischen Prototypen iterieren können.

Mit Rapid Prototyping gestützt auf Formlabs-3D-Drucker lassen sich Ideen mühelos in realistische Konzeptnachweise verwandeln, aus denen hochgradig originalgetreue Prototypen entstehen, die genauso aussehen und funktionieren wie Endprodukte. Noch dazu sind 3D-gedruckte Prototypen kosteneffizient, sodass Sie in kürzester Zeit Dutzende Prototypen kostengünstig fertigen.

In diesem Leitfaden erläutern wir anhand echter Beispiele von Prototypen führender Unternehmen die Grundlagen des Rapid Prototyping, seine Anwendungsbereiche und wie der 3D-Druck Sie bei der schnellen und kostengünstigen Entwicklung von Prototypen unterstützen kann.

Da beim Rapid Prototyping für gewöhnlich additive Fertigungstechniken und nicht die herkömmlichen subtraktiven Methoden eingesetzt werden, ist der Begriff zu einem Synonym für additive Fertigung und 3D-Druck geworden.

3D-Druck eignet sich hervorragend für die Prototypenentwicklung. Er gewährt annähernd unbegrenzte Gestaltungsfreiheit, erfordert kein Fertigungswerkzeug und erstellt Teile mit mechanischen Eigenschaften, die verschiedenen Materialien traditioneller Fertigungsverfahren entsprechen. 3D-Drucktechnologien gibt es schon seit den 80er Jahren, aber aufgrund ihrer hohen Kosten und Komplexität wurden sie anfangs zumeist von großen Unternehmen genutzt. Kleinere Unternehmen waren gezwungen, die Produktion an spezialisierte Dienstleister auszulagern und Wochen zwischen den Iterationen zu warten.

Das Aufkommen des Desktop- und Benchtop-3D-Drucks hat diesen Status quo verändert und eine Welle der Implementierung von Drucktechnologien ausgelöst, die nicht abzuebben scheint. Mit betriebsinternem 3D-Druck können Ingenieur- und Designteams schnell zwischen digitalen Designs und physischen Prototypen iterieren. Das macht es möglich, Prototypen binnen eines Tages zu erstellen und Iterationen in Design, Größe, Form oder Montage vorzunehmen, basierend auf Ergebnissen von Echtzeit-Tests und -Analysen. Letztendlich bringen Unternehmen dank Rapid Prototyping bessere Produkte schneller auf den Markt als ihre Konkurrenz.

Rapid Prototyping verwandelt erste Ideen risikoarm in Konzeptnachweise, die im Nu wie echte Produkte aussehen. Es ermöglicht Designern, über virtuelle Darstellungen hinauszugehen, was es einfacher macht, ein Verständnis von der Optik und Haptik eines Designs zu erlangen und Konzepte nebeneinander zu vergleichen.

Physische Modelle ermöglichen es, Konzepte mit Teammitgliedern, Kunden und Partnern zu teilen, um Ideen auf Arten zu übermitteln, die durch einfache, visuelle Designs am Bildschirm nicht möglich wären. Rapid Prototyping sorgt für ein verständliches, umsetzbares Nutzerfeedback, das unerlässlich ist, um Nutzeranforderungen zu verstehen und Designs entsprechend zu verfeinern und zu verbessern.

3D-Druck macht teure Werkzeugausstattung und Einrichtung überflüssig. Mit ein und demselben Gerät können verschiedenste Geometrien produziert werden. Betriebsinternes Rapid Prototyping eliminiert die hohen Kosten und Durchlaufzeiten, die mit Outsourcing einhergehen.

Design ist immer ein iterativer Prozess, der mehrere Testrunden, Evaluationen und Verfeinerungen benötigt, bevor ein Endprodukt dabei herauskommt. Rapid Prototyping bietet über den 3D-Druck die Flexibilität, realistischere Prototypen schneller zu erstellen und Änderungen sofort zu implementieren. Das macht die essenzielle Phase des Testens und Verbesserns noch einfacher.

Ein 24-Stunden-Entwurfszyklus ist ein gutes Modell: Entwurf während der Arbeitszeit, 3D-Druck der Prototypenteile über Nacht, Reinigung und Testen am nächsten Tag, Verfeinern des Designs, um diesen Vorgang schließlich zu wiederholen.

In Produktdesign und -herstellung kann das frühzeitige Erkennen und Beheben von Konstruktionsfehlern Unternehmen helfen, kostspielige Designrevisionen und Werkzeugwechsel im weiteren Verlauf zu vermeiden.

Rapid Prototyping ermöglicht das gründliche Testen von Prototypen, die wie Endprodukte aussehen und funktionieren. So werden die Risiken von Bedienbarkeits- und Fertigungsproblemen reduziert, bevor Produkte in die Produktion gehen.

Dank einer Vielzahl verfügbarer Technologien und Materialien können sich Design- und Entwicklungsteams während der gesamten Produktentwicklung auf schnelle Prototypen stützen, von den ersten Konzeptmodellen über Weiterentwicklung und Validierung bis hin zur Produktion.

Konzeptnachweise oder Proof-of-Concept-Prototypen (PoC) 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 Annahmen zu validieren, bevor die nächsten Entwicklungsphasen eingeläutet werden.

Der Schlüssel zum erfolgreichen Konzeptmodellieren ist Geschwindigkeit. Designteams müssen eine unglaubliche Vielfalt an Ideen generieren, bevor sie physische Modelle erstellen 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 für die Konzeptmodellierung. Sie bieten konkurrenzlose Durchlaufzeiten bei der Umsetzung von Computerdateien in physische Prototypen, was es Produktdesignern ermöglicht, zusätzliche Konzepte schnell zu testen. Im Gegenteil zum Großteil der Werkstatt- und Produktionswerkzeuge sind Desktop-3D-Drucker bürofreundlich und benötigen keinen speziellen Räumlichkeiten.

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 allgemeine Benutzererfahrung 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 verwenden.

Parallel zum industriellen Designprozess arbeiten Ingenieurteams an einer anderen Prototypenserie, um die mechanischen, elektrischen und thermischen Systeme des Produkts zu testen, zu 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 aus dem großformatigen 3D-Drucker Form 3L.

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, aber auch zur Kommunikation der Produktionsabsichten an Werkzeughersteller und zur Vorführung bei ersten Vertriebsbesprechungen.

In dieser Phase gewinnen Details zunehmend an Bedeutung. 3D-Drucker ermöglichen es, 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 in teure Werkzeuge investiert und zur Produktion übergegangen wird. Denn ab da 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, geschmeidigen und reibungsarmen Oberflächen, harten und robusten Gehäuse oder transparenten 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 Schraubgewinde 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 den echten Einsatzbedingungen ausgesetzt ist/sind. 3D-Druck bietet technische Kunststoffe für hochleistungsfähige Prototypen, die thermischen, chemischen und mechanischen Belastungen widerstehen können.

Rapid Prototyping ermöglicht die Erstellung kleiner Chargen, einmaliger Sonderanfertigungen sowie die Erstellung 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.

Es kann auch 3D-gedrucktes Rapid Tooling 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.

Dank 3D-Druck muss der Produktionsbeginn nicht das Ende der Designphase bedeuten. Rapid Prototyping ermöglicht es Design- und Ingenieurteams, Produkte stetig zu verbessern oder auf Probleme bei der Fertigung schnell und effizient mit Vorrichtungen und Halterungen zu reagieren, die die Montage- oder Qualitätssicherungsprozesse verbessern.

Rapid Prototyping hat sich zu einem Synonym für additive Fertigung und 3D-Druck entwickelt. 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 FDM-3D-Druck (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 die bei Privatpersonen am häufigsten verbreitete Form des 3D-Drucks, da viele Hobbybastler damit den Einstieg in den 3D-Druck wagen. Industrielle FDM-Drucker sind aber auch in Design- und Konstruktionsteams 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. für Teile, die normalerweise zerspant werden.

SLA-3D-Drucker verwenden einen Laser, um flüssige Kunstharze (auch Resin genannt) zu festen Kunststoffteilen auszuhärten. Dieser Prozess wird als Photopolymerisation bezeichnet. SLA ist einer der beliebtesten Prozesse bei Fachleuten, da er eine 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 zu einer erstklassigen 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 Fast Model Resin ist der SLA-3D-Druck auch eines der schnellsten Produktionswerkzeuge für die Prototypenentwicklung, und zwar bis zu 10-mal schneller als der FDM-3D-Druck.

Selektives Lasersintern ist die am häufigsten genutzte Technologie der additiven Fertigung bei industriellen Anwendungen. Ingenieur*innen und Hersteller verschiedener Branchen setzen auf dieses Verfahren, 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 Teile mit herausragenden mechanischen Eigenschaften, deren Festigkeit mit der von Spritzgussteilen vergleichbar ist.

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

Bei CNC-Bearbeitung, anders als FDM, SLA oder SLS, handelt es sich um subtraktive Fertigungsprozesse. CNC-Werkzeuge starten mit festen Blöcken oder Stäben aus Metall oder Kunststoff und schneiden, bohren und schleifen das Material in Form.

CNC-Werkzeuge umfassen Zerspanung, wobei Material entweder über ein rotierendes Werkzeug und ein festes Teil (Fräsen) oder ein rotierendes Teil und ein festes Werkzeug (Drehmaschine) entfernt wird. Bei Schneidlasern kommt ein Laser zur Anwendung, um mit höchster Präzision bestimmte Materialien zu gravieren oder zu schneiden. Beim Wasserstrahlschneiden wird Wasser mit Abriebstoffen bei hohem Druck eingesetzt, um so gut wie jedes Material zu schneiden. CNC-Fräsmaschinen und -Drehmaschinen können mit mehreren Achsen arbeiten, wodurch sie komplexere Designs bewältigen. Schneidlaser und Wasserstrahlschneider 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 der additiven Fertigung sind CNC-Werkzeuge komplizierter einzurichten und zu betreiben. Zudem erfordern einige Materialien und Designs besondere Produktionswerkzeuge, Handhabung, Positionierung und Verarbeitung, was sie für Einzelteile – verglichen mit additiven Prozessen – kostspielig macht.

Beim Rapid Prototyping eignen sie sich für einfache Entwürfe, strukturelle Teile, Metalkomponenten und andere Teile, die mit additiver Fertigung nicht möglich oder kosteneffizient zu produzieren wären.