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Der ultimative Leitfaden zu Tools für die Prototypenfertigung für Hardware- und Produktdesign

Hardwareprodukte der Spitzenklasse entstehen nicht durch Zufall. Vielmehr sind sie Ergebnisse rigoroser Produktentwicklungsverfahren, die mit der Entwicklung eines Konzepts beginnen und mehrere Zyklen von Design, technischer Umsetzung und Validierung durchlaufen, bevor sie fertigungsbereit sind.

Ingenieure und Designer erstellen seit Jahren Hardwareprototypen, doch die Werkzeuge, Materialien und Methoden, die zur Herstellung dieser Prototypen verwendet werden, haben sich rasant weiterentwickelt. Die Prototypenfertigung ist heute einfacher, schneller und präziser als je zuvor – und dabei auch noch sehr viel günstiger! So können Teams früh verschiedene Versionen ihrer Designs fertigen, testen und validieren. Das Ergebnis sind Endprodukte mit einer besserer Funktionalität, die kaum Änderungen in letzter Minute vor Aufnahme der Fertigung erfordern.

Ingenieur- und Designteams beginnen auch heute oft noch mit einfachen Mitteln, um schnell erste Versionen zu fertigen. Doch im weiteren Verlauf der Entwicklung eines Produkt haben sie heute Zugriff auf eine Reihe fortgeschrittener Tools, um Prototypen herzustellen, die aussehen wie das Endprodukt, sich so anfühlen und genauso funktionieren.

In diesem Artikel erörtern wir die verschiedenen Tools zur Prototypenfertigung für die verschiedenen Phasen der Produktentwicklung, von den einfachsten Tools bis hin zu den fortgeschrittensten Verfahren und Anlagen. Zudem zeigen wir, wie sie in den einzelnen Phasen der Produktentwicklung zur Anwendung kommen.

Worin bestehen die Ziele der Prototypenfertigung?

Ein Prototyp ist ein vorläufiges Modell eines Produkts. Manche Prototypen werden gebaut, um sich das Endprodukt besser vorstellen zu können, während anderen als Belege für die Funktionalität eines Designs dienen können.

Mehrere Prototypen des Form 1, des ersten Desktop-Stereolithographie-(SLA)-3D-Druckers.

Mehrere Prototypen des Form 1, des ersten Desktop-Stereolithographie-(SLA)-3D-Druckers.

Die Bewertung und Validierung von Designs, um Form und Funktion früh zu testen, sind von grundlegender Bedeutung für den langfristigen Erfolg eines Produkts.

Kein Unternehmen will Zeit, Geld und Arbeit investieren, um ein Produkt zu erstellen und auszuliefern, nur um dann festzustellen, dass es die Benutzerbedürfnisse oder funktionale Anforderungen nicht erfüllt. Je weiter die Produktentwicklung fortgeschritten ist, desto kostspieliger werden Designveränderungen. Prototypen senken das Risiko teurer Designänderungen gegen Ende der Entwicklung.

Tools und Methoden für die Prototypenfertigung für Hardware- und Produktdesign

Grundlegende Tools und Methoden für die Prototypenfertigung

Früh in der Produktentwicklung sollten Entwicklungsteams schnell neue Produktversionen erstellen und so Annahmen und Merkmale testen, ohne zu viel Zeit und Geld zu investieren. Grundlegende Tools und Methoden für die Prototypenentwicklung sind kosteneffektiv und ermöglichen einen agilen Designprozess. Der Fokus liegt auf Normteilen und günstigen Materialien.

Einfacher Modellbau

Für frühe Prototypen mit geringer Originaltreue eignen sich Ton, Karton, Schaumstoff und sogar Spielzeugmaterialien wie Legos. Designer und Ingenieure können schnell voranschreiten und günstig einfache 3D-Modelle erstellen.

Diese Materialien sind leicht zu bearbeiten und können mit einfachen Werkzeugen und Klebemitteln geformt werden, um in Originalgröße oder skaliert darzustellen, wie das Produkt am Ende aussehen könnte.

Einfacher Modellbau

Kosten$
Fertigungs- oder DurchlaufzeitWenige Stunden
Genauigkeit★☆☆☆☆
MaterialienTon, Karton, LEGO, Schaumstoff
Erforderliche WerkzeugeEinfache Schneidwerkzeuge, Klebemittel
VorteileGünstig
Schnelle Fertigung
Materialien und Werkzeuge sind leicht zugänglich und benutzerfreundlich
Zeit und Kosten zur Erstellung einer neuen Prototypenversion oder zur Herstellung mehrere Prototypen sind äußerst gering
NachteileRelevante Funktionen des Designs nur schwer oder unmöglich zu testen
Eingeschränkt möglich, komplexe Formen, Teile und Baugruppen zu erzeugen
Höhere Kompetenz von Nöten, um präsentationsgeeignete Modelle zu erstellen
Geringe Genauigkeit

 

Modellfertigung

Der einfache Modellbau und die Modellfertigung ähneln sich in der Vorgehensweise, doch bei der Modellfertigung werden bessere Materialien verwendet und so Protoypen erzeugt, die stärker und genauer sind und funktionale Aspekte demonstrieren. Gefertigte Prototypen erlauben ein klareres Bild der Designvorstellungen und strukturellen Anforderungen eines Produkts.

Ingenieure und Designer verwenden verschiedene Werkzeuge wie Standbohrmaschinen, Kappsägen, Fräsen, Bohrer und Schweißgeräte, um robuste Prototypen zu fertigen und zu montieren. Es werden verschiedene Materialien verwendet wie zum Beispiel einfach zu montierende modulare Systeme wie 80/20®-Aluminium-Extrusionen, Metallbleche, Kunststoffe und Holz.

Nicht alle Unternehmen verfügen unternehmensintern über die notwendigen Tools und Anlagen. Für solche Fälle bietet fab labs Ausrüstung und Räumlichkeiten für Designer, Ingenieure und Hersteller weltweit.

Modellfertigung

Kosten$
Fertigungs- oder DurchlaufzeitWenige Stunden bis Tage
Genauigkeit★★★☆☆
Materialien80/20-Aluminiumextrusionen, Metallbleche, Kunststoffe, Holz, mechanische Verbindungselemente
Erforderliche WerkzeugeWerkzeuge zum Schneiden, Formen, Schweißen und Montieren
VorteileKostengünstige Materialien
Kurze Fertigungsdauer
Werkzeuge und Materialien sind relativ leicht zu beschaffen
Relativ leichte Überarbeitung
NachteileFertigung kleiner Merkmale und komplexer Formen wie Splines gegebenenfalls schwierig
Erfordert verschiedene Werkzeuge
Erfordert ein mittleres bis hohes Kompetenzniveau, um hochwertige Prototypen zu fertigen

Fortgeschrittene Tools und Methoden für die Prototypenfertigung

Im späteren Verlauf der Entwicklung benötigen Design- und Ingenieurteams Tools, die in der Lage sind, Prototypen herzustellen, die aussehen wie das Endprodukt, sich so anfühlen und ihm in ihrer Funktion nahekommen. Fortgeschrittene Tools für die Prototypenfertigung maßfertigen Teile aus denselben oder ähnlichen Materialien und mit einer vergleichen Oberfläche und mechanischen Eigenschaften wie das Endprodukt. Produkte für den Massenmarkt greifen auf verschiedene Polymere zurück, um die Funktionsanforderungen zu erfüllen. Ebenso verwenden auch Ingenieure unterschiedliche Materialien und Methoden, um einen Prototypen zu montieren.

3D-Druck

Mit ihrer Kombination aus geringem Preis, hoher Geschwindigkeit und Benutzerfreundlichkeit gehören 3D-Drucker heute in Ingenieur- und Designteams zu den beliebtesten Tools für das Rapid Prototyping.

3D-Drucker erzeugen dreidimensionale Teile direkt aus CAD-Modellen, indem sie das Material Schicht für Schicht aufbauen, bis ein vollständiges physisches Teil vorhanden ist. Da bei 3D-Druckern keine Werkzeugbestückung erforderlich ist und sie nur eine minimale Einrichtungszeit für ein neues Design benötigen, sind die Kosten für die Fertigung mehrere Versionen eines Prototypen im Vergleich mit herkömmlichen Fertigungsverfahren vernachlässigbar.

Der Prototyp eines Feuchtigkeitsmessers von Wohler 3D aus mehreren Materialien mit steifem Gehäuse und Soft-Touch-Knöpfen.

Der Prototyp eines Feuchtigkeitsmessers von Wohler 3D aus mehreren Materialien mit steifem Gehäuse und Soft-Touch-Knöpfen.

Viele fortgeschrittene Tools zur Prototypenfertigung sind mit hohen Anschaffungskosten verbunden und erfordern für Fachkräfte für ihren Betrieb. Deshalb outsourcen Designer und Ingenieure diese Prozesse bei der Prototypenentwicklung oft. Einer der wichtigsten Vorteile des 3D-Drucks ist, das Unternehmen so Prototypen intern fertigen können. Kompakte Desktop oder Benchtop 3D-Drucksysteme zum Fertigen von Kunststoffteilen sind kostengünstig und verbrauchen sehr wenig Platz. Es sind keine besonderen Fähigkeiten erforderlich, wodurch Fachleute Versionszyklen von Tagen oder Wochen auf einige wenige Stunden verkürzen können.

Lernen Sie mehr über den Prozess des SLA-3D-Drucks.

Es gibt viele verschiedene Arten von 3D-Druckern und 3D-Drucktechnologien auf dem Markt. Die Stereolithoigraphie (SLA) und das selektive Lasersintern sind zwei der beliebtesten Optionen für die Prototypenfertigung und die Produktentwicklung. SLA-3D-Drucker verwenden verschiedene technische Materialien und können glatte, isotropische Teile herstellen, die sowohl robust als auch detailreich sind. SLS-Drucker fertigen funktionale Prototypen und Fertigungsteile aus haltbaren technischen Thermoplasten.

Der 3D-Druck wird zudem ergänzend zu konventionellen Fertigungs verfahren zur Herstellung gussfähiger Teile, Formen und Urformen mit geringen Seriengrößen oder individuell angepassten Werkzeugen für die Fertigung eingesetzt.

3D-Druck

Kosten$
Fertigungs- oder DurchlaufzeitWeniger als 24 Stunden
Genauigkeit★★★★★
MaterialienKunststoffe, Metalle
Erforderliche Werkzeuge3D-Drucker und Tools zur Fertigstellung
VorteileGünstig (bei der Verwendung von Kunststoffen)
Kurze Fertigungsdauer
Einfach unternehmensintern zu verwenden, keine besonderen Schulungen oder Kompetenzen erforderlich
Einfache Integration mit CAD-Software
Originalgetreue Form, Passung und Funktion kann getestet werden
Komplexe Formen und Baugruppen möglich
NachteileBeschränkungen für Teilgröße je nach 3D-Drucker
Weniger Materialien verfügbar als für andere Verfahren (wie Spritzguss)
Fertigstellung kann je nach Verfahren und Druckgeometrie arbeitsintensiv sein
Metall-3D-Druck ist oft zu kostspielig für die unternehmensinterne Verwendung

 

 


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Maschinelle Bearbeitung

Zur maschinellen Bearbeitung fallen manuelle und CNC-Fräsen, Drehmaschinen, Funkenerosion (Electrical Discharge Machining, EDM) und andere subtraktive Verfahren. Bei diesen Verfahren sind die Ausgangsstoffe normalerweise feste Blöcke oder Stäbe aus Metall oder Kunststoff, die geformt werden, indem Material durch Schneiden, Bohren und Schleifen abgehoben wird.

CNC-Maschinen arbeiten außerdem mit CAD-Modellen, doch ist ein Zwischenschritt erforderlich, bei dem Werkzeugwege erstellt und validiert werden (CAD zu CAM). Dies kann sich als zeitaufwendig erweisen und erfordert Expertise. Die CNC-Bearbeitung eignet sich hervorragend zur Herstellung hochpräziser, reproduzierbarer Teile aus verschiedenen Kunststoffen und Metallen.

Bearbeitungswerkzeuge im Einsatz in der Werkstatt von A&M Tool and Design.

Bearbeitungswerkzeuge im Einsatz in der Werkstatt von A&M Tool and Design.

Im Vergleich zum 3D-Druck weisen diese Verfahren mehr Designeinschränkungen auf. Die Bearbeitungsprozesse erfordern Aufmaße für den Werkzeugzugang und bestimmte Geometrien wie geschwungene, interne Kanäle lassen sich nur schwer oder gar nicht mit herkömmlichen subtraktiven Verfahren herstellen.

Einfache CNC-Maschinen sind für wenige Tausend Dollar erhältlich. Fortgeschrittene Maschinen mit mehr Funktionen und Zubehör können jedoch leicht 100 000 USD und mehr kosten. Während für die Bedienung aller CNC-Maschinen Fachkräfte erforderlich sind, hängt der Schwierigkeitsgrad der Fertigung eines Prototypenteils mit einer CNC-Fräse oder einer Drehmaschine von der verwendeten Anlage, dem Material und der Druckgeometrie ab. Aus diesem Grund outsourcen viele Unternehmen Bearbeitungsverfahren, was zu erhöhten Durchlaufzeiten und Kosten führt.

Maschinelle Bearbeitung

Kosten$
Fertigungs- oder DurchlaufzeitWenige Tage bis Wochen
Genauigkeit★★★★★
MaterialienMetall, Kunststoffe, Verbundwerkstoffe
Erforderliche WerkzeugeCNC- oder manuelle Maschinen, CAD-to-CAM-Software
VorteileExtrem hohe Präzision mit reproduzierbaren Ergebnissen
Kompatibel mit einer Vielzahl von Metallen, Kunststoffen und Verbundstoffen
Möglichkeit zur Erzeugung komplexer Formen und Baugruppen
NachteileTeuer
Unternehmensinterne Bearbeitung erfordert Investitionen in Maschinen, Räumlichkeiten und Fachkräfte für den Betrieb
Outsourcen der Bearbeitung steigert Durchlaufzeiten und lähmt Designzyklen
Die Erzeugung bestimmter Formen ist teuer oder überhaupt nicht möglich

Tools zur Prototypenfertigung in verschiedenen Phasen der Produktentwicklung

Der Hardwareentwicklungsprozess. Quelle: Ben Einstein, Bolt blog

Der Hardwareentwicklungsprozess. Quelle: Ben Einstein, Bolt blog

Proof-of-Concept-(PoC)-Prototyp

Proof-of-Concept-Prototypen sollen unter Beweis stellen, dass eine Idee gangbar ist und es einen Markt für sie gibt. 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.

Empfohlene Tools zur Prototypenfertigung:

  • Einfacher Modellbau
  • Modellfertigung
  • 3D-Druck

Visuelle Prototypen

Visuelle Prototypen des Form 2 SLA-3D-Druckers mit verschiedenen Lösungen für die Kartuscheneinpassung.

Visuelle Prototypen des Form 2 SLA-3D-Druckers mit verschiedenen Lösungen für die Kartuscheneinpassung.

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, CMD) verwenden.

Empfohlene Tools zur Prototypenfertigung:

  • Einfacher Modellbau
  • Modellfertigung
  • 3D-Druck

Funktionale Prototypen

Der erste funktionale Prototyp des Form 2 3D-Druckers.

Der erste funktionale Prototyp des Form 2 3D-Druckers.

Parallel zum industriellen Designprozess arbeiten Ingenieurteams an einer anderen Prototypenserie, um die mechanischen, elektrischen und thermischen Systeme des Produkts weiterzuentwickeln. 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.

Empfohlene Tools zur Prototypenfertigung:

  • Modellfertigung
  • 3D-Druck
  • Maschinelle Bearbeitung

Technische Prototypen

Bei technischen Prototypen (Engineering Prototypes, EP) kommen Design und technische Aspekte zusammen. Dabei sind oft Zugeständnisse von beiden Seiten erforderlich. EP-Konstruktionen sind normalerweise die letzten Prototypen, die unternehmensintern gefertigt werden, bevor Validierungsprototypen beim Hersteller in Auftrag gegeben werden. Diese Prototypen sollten aus den endgültigen Materialien und Teilen und mit den endgültigen Verfahrens hergestellt werden, sofern dies möglich ist, ohne jedoch verfrüht in kostspielige Werkzeugbestückung zu investieren. Für einen technischen Prototypen mit strukturellen Kunststoffteilen aus Nylon und ABS könnten beispielsweise die Nylonkomponenten per SLS-3D-Druck und die ABS-Teile per CNC-Fräsen hergestellt werden, anstatt in die Werkzeugausstattung für den Spritzguss zu investieren.

Technische Prototypen von Paralenz haben die Kommunikation mit Vertragsherstellern im Ausland erleichtert.

Technische Prototypen von Paralenz haben die Kommunikation mit Vertragsherstellern im Ausland erleichtert.

Je rigoroser und disziplinierter der Produktentwicklungsprozess bis zu diesem Punkt befolgt wurde, desto weniger Änderungen werden in letzter Minute nötig. Doch Fehler können immer passieren, und ausführliche Tests können spät im Prozess neue Probleme zu Tage fördern. Es ist eine bewährte Praxis, die Werkzeugbestückung und Designübergabe so lange wie möglich herauszuzögern, damit Design- und technische Teams über ausreichend Flexibilität verfügen, um in letzter Minute entdeckte Probleme auszumerzen.

Empfohlene Tools zur Prototypenfertigung:

  • 3D-Druck
  • Maschinelle Bearbeitung

Schnellere Prototypenfertigung per 3D-Druck

Der 3D-Druck ist in allen Phasen des Produktentwicklungsprozesses eine leichte und günstige Möglichkeit, um rasch Prototypen zu erstellen und so Form, Sitz und Funktionen zu bewerten. Mit der Möglichkeit, schnell mehrere Versionen zu fertigen, können Design- und Ingenieurteams Änderungen schnell testen und implementieren und das Produkt so schneller marktfertig machen.

Erfahren Sie mehr über 3D-Drucker sowie darüber, wie führende Hersteller den 3D-Druck nutzen, um Geld zu sparen und Durchlaufzeiten vom Design bis zur Produktion zu verkürzen.

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