Rapid Prototyping: Ein Ansatz zur modernen Produktentwicklung

„Beim Rapid Prototyping können schnell benutzerdefinierte 2D- oder 3D-Modelle und Baugruppen hergestellt werden. Dies ermöglicht die Produktion kleiner Stückzahlen und Tests vor der endgültigen Fertigung.“

In der Praxis nutzen viele Teams Prototyp einer CNC-Bearbeitung Ziel ist die Herstellung funktionaler Prototypen mit engen Toleranzen und guter Oberflächengüte. Rapid Prototyping ist ein Verfahren zur Herstellung von Kleinserien. Prototypenfertigung Prozessdefinierung das eine CAD-Konstruktion in ein physisches Bauteil umwandelt Eine kurze Vorlaufzeit ermöglicht es den Ingenieuren, das Design zu testen, Verbesserungspotenzial zu erkennen und Änderungen vorzunehmen, bevor die Produktion beginnt.

Dieser Leitfaden erläutert die Grundlagen des Rapid Prototyping, seine Anwendungsbereiche und wie der 3D-Druck die Prototypenentwicklung unterstützt. Er beschreibt außerdem die Schritte, die Ingenieure befolgen, um vom ersten Konzept zu einem validierten Design mithilfe verschiedener Fertigungsmethoden zu gelangen.

 

Was ist Rapid Prototyping und welche Bedeutung hat es?

Schnelle Musterlieferung

In einer wettbewerbsorientierten Welt müssen Unternehmen kreativ sein und neue Produkte so schnell wie möglich auf den Markt bringen. Dadurch werden Designs verbessert, da Teams Zyklen schneller abschließen können. 

Validieren und Verfeinern von Designs 

Durch Rapid Manufacturing kann ein Produktdesign frühzeitig auf Form, Passform und Funktion getestet werden. Diese frühen Tests helfen dabei, Probleme zu erkennen, die bei der Endproduktion auftreten, und diese zu beheben. Außerdem wird dadurch sichergestellt, dass das Produkt den technischen Spezifikationen und Geschäftszielen entspricht, was die Wahrscheinlichkeit seines Erfolgs auf dem Markt erhöht. 

Durch die Einbeziehung von Prototyping in die Entwicklungsprozesse von Unternehmen können die Qualität und Markttauglichkeit von Produkten verbessert und so die Leistung und Zufriedenheit der Benutzer gesteigert werden.

Rapid Prototyping in drei einfachen Schritten

Rapid Prototyping erhöht die Geschwindigkeit der Produktentwicklung, da es die Entwicklung von Modellen beinhaltet, die schnell hergestellt werden können. Dieser iterative Prozess ist sehr effektiv bei der kostengünstigen Feinabstimmung von Designs. 

Erschaffung 

In der Erstellungsphase besteht das Ziel darin, das Designkonzept des Prototyps umzusetzen. Skizzieren Sie zunächst die Designkonzepte und zeichnen Sie sie dann. Entwickeln Sie diese Ideen mithilfe der CAM/CAD-Software zu einem präzisen 2D- oder 3D-Modell. Wählen Sie geeignete Materialien für die Prototypentwicklung aus. Verwenden Sie dann die optimalen Prozesse, um das Prototypdesign zusammenzusetzen. 

Bewerten 

Im nächsten Schritt wird das Design evaluiert. Die Prototypenevaluierung ermittelt, inwieweit der entwickelte Prototyp die Design- und Nutzeranforderungen erfüllt. Dieser Prozess umfasst Funktions-, Leistungs- und Usability-Tests unter realen Bedingungen. Daten werden von den Stakeholdern erhoben, um aktuelle Herausforderungen und Verbesserungsmöglichkeiten zu identifizieren. Ziel ist es, sicherzustellen, dass der Prototyp das beabsichtigte Problem wie geplant löst. Die Optimierung des Prototyps vor Beginn der Serienproduktion minimiert Risiken oder reduziert deren Auswirkungen und spart Kosten. Sie gewährleistet zudem einen erfolgreichen Produktlaunch. 

Verbesserung 

Die Verbesserungsphase eines Prototyps zielt darauf ab, den entwickelten Prototyp auf Basis von Feedback und Testergebnissen zu optimieren. Dabei werden Anpassungen vorgenommen, um Benutzerfreundlichkeit, Effizienz und Effektivität vor der Serienproduktion zu verbessern.

 

Unterscheidung zwischen Rapid Prototyping und 3D-Druck

Obwohl Rapid Prototyping und 3D-Druck Begriffe sind, die im selben Kontext verwendet werden, sind sie doch unterschiedlich. Prototyping umfasst mehrere Prozesse, die zur Entwicklung eines physischen Modells aus einem Computermodell verwendet werden. Additive Fertigung hingegen ist eine breite Kategorie, während 3D-Druck eine Technik ist, bei der Objekte schichtweise erstellt werden. Obwohl 3D-Druck wegen seiner Effizienz bei der Erstellung von Prototypen geschätzt wird, ist es nur eines der Werkzeuge, die beim Rapid Prototyping verwendet werden können. 

Die Entwicklung des 3D-Drucks  

Anfangs wurde der 3D-Druck hauptsächlich zur schnellen Herstellung von Prototypen verwendet. Mit der Weiterentwicklung der Technologie konnten jedoch auch qualitativ hochwertige Teile hergestellt werden, die direkt in Anwendungen eingesetzt werden konnten. Dies hat den Einsatz des 3D-Drucks für die Prototypenherstellung jedoch noch nicht verhindert, da einige Methoden teurer sind. Es ist wichtig, zwischen der Technologie (3D-Druck) und der Anwendung (Rapid Prototyping) zu unterscheiden, um die beste Strategie zu wählen. 

 

Drei Arten von Rapid Prototyping

Rapid Prototyping kann in drei Haupttypen unterteilt werden:

1. Low-Fidelity-Prototypen 

Die ersten und grundlegenden Prototypen sind die Low-Fidelity-Prototypen, die papierbasierte Modelle und einfache Wireframes umfassen. Sie sind in den frühen Phasen des Designprozesses am nützlichsten, wenn der Fokus eher auf der Wiedererkennung des Designs als auf seinen Besonderheiten liegt. Diese Prototypen helfen bei der Entwicklung erster Konzepte, indem sie diese schnell finden und bewerten. Um spezifische Informationen zum Erstellen dieser Prototypen zu erhalten, müssen Sie möglicherweise nach Informationen zu Wireframing-Tools und -Strategien suchen. 

2. Prototypen mittlerer Genauigkeit 

Im Vergleich zu Prototypen mit geringer Wiedergabetreue enthalten Prototypen mit mittlerer Wiedergabetreue die meisten Interaktionen und einige der visuellen Elemente. Dieser Wiedergabetreuegrad wird heutzutage aufgrund der verfügbaren Designtools und -systeme häufig beim Rapid Prototyping verwendet. Mithilfe von Figma können Designer diese Prototypen mithilfe der verfügbaren Assets und Designsysteme erstellen. Auf diese Weise können wichtige Interaktionen und Arbeitsabläufe ausprobiert werden, ohne sich mit den Implementierungsdetails befassen zu müssen. 

3. High-Fidelity-Prototypen 

Realistische Prototypen sind präzise und ähneln fast dem tatsächlichen Produkt. Sie können entweder UX-Modelle sein, die von den Benutzern getestet werden, oder vollständig codierte Anwendungen, die an Benutzer oder Entwickler ausgeliefert werden sollen. Das Erstellen eines hochpräzisen Prototyps ist einfacher und schneller, wenn die Designbibliothek interaktive Funktionen enthält. Angenommen, Sie interessieren sich für die Best Practices zum Erstellen hochrealistischer Prototypen. In diesem Fall ist es besser, nach Artikeln und Materialien zu suchen, die sich auf moderne Ansätze zum Prototyping konzentrieren.

 

Was ist die Rapid-Prototyping-Methode für Metalle? 

Metallbasiertes Rapid Prototyping ist eine ideale Option für die Herstellung von Teilen, die hohe Anforderungen an Präzision und Festigkeit erfüllen. Diese Prototypen sind häufig Hitze oder mechanischen Belastungen ausgesetzt, insbesondere im Schwermaschinenbau und in der Luft- und Raumfahrt.

Metallguss, Blechbearbeitung, 3D-Druck und CNC-Bearbeitung zählen zu den wichtigsten Verfahren, mit denen Hersteller Metallprototypen fertigen. Wie unten dargestellt, hat jedes dieser Verfahren seinen festen Platz in der Prototypenindustrie. Sie sind Teil umfassenderer Methoden der Metallprototypenfertigung und eignen sich jeweils für unterschiedliche Struktur- und Leistungsanforderungen.

• Metallguss-Prototypen

Für komplexe Formen, die sich mit 3D-Druck oder CNC-Bearbeitung nur schwer herstellen lassen, sind Prototypen aus Metallguss die bessere Wahl, insbesondere wenn das Material schlecht bearbeitbar ist. Da das flüssige Metall in eine Form gegossen wird, lassen sich nahezu alle komplexen Geometrien problemlos realisieren.

Vorteile

• Robust und langlebig
• Kosteneffiziente Lösung
• Vielseitig – viele Metalllegierungen
• Geeignet für komplexe Innengeometrien

Einschränkungen

• Hohe Anfangsinvestitionskosten
• Materielle Verschwendung
• Hohe Fachkompetenz erforderlich

Prototyp aus Metallguss

Die Oberflächenbeschaffenheit ist möglicherweise nicht die beste, kann aber durch ergänzende Verfahren wie Lackieren und Beschichten veredelt werden.

• Prototypen aus Blech

Die Blechbearbeitung für Prototypen ist eine Methode zur Herstellung von Teilen aus dünnen Metallblechen, die häufig verwendet wird in Blech-Prototyping für Gehäuse und Halterungen.

Blech-Prototyping

Die besten Blechbearbeitungsdienstleister können jeden Blechprototyp entsprechend den Kundenanforderungen hinsichtlich Toleranzen, Oberflächenbeschaffenheit, Volumen usw. entwickeln.

Vorteile

• Schneller Umschwung
• Kostengünstige dünnwandige Rapid-Prototyping-Teile
• Viele Arten von Metallen

Einschränkungen

• Dickenbegrenzung
• Probleme wie Rückfederung
• Nicht ideal für komplexe Biegungen

CNC-Bearbeitung von Metallprototypen

Das CNC-Bearbeitungsverfahren ist aufgrund seiner hohen Geschwindigkeit, der geringen Kosten und der exzellenten Oberflächengüte eine ebenso attraktive Option für die schnelle Prototypenfertigung. CNC-Bearbeitungsprozess für Prototypen ist mit seiner hohen Geschwindigkeit, den niedrigen Kosten und der hervorragenden Oberflächengüte eine ebenso attraktive Option.

CNC-Bearbeitung 

Vorteile

• Enge Toleranzen und Maßgenauigkeit
• Kann Hinterschnitte und andere komplexe Geometrien erzeugen
• Hervorragende Oberflächengüte
• Eine breite Palette von Metallsorten ist bearbeitbar

Einschränkungen

• Hoher Materialabfall
• Zeitaufwendig, insbesondere bei komplexen Teilen
• Kostspielig bei komplexen Teilen

3D-Druck von Metallprototypen

Wo mit herkömmlichen Metallfertigungstechniken keine Prototypen hergestellt werden können, können Hersteller auf direktes Metall-Lasersintern (DMLS), selektives Laserschmelzen (SLM) und andere Metall-3D-Druckverfahren zurückgreifen. Materialien, die mit anderen Methoden nicht erfolgreich verarbeitet werden können, können Schicht für Schicht gedruckt werden, um komplexe Rapid-Prototyping-Teile herzustellen.

3D-Metalldruck

Vorteile

• Vorrichtungen und Werkzeuge sind nicht erforderlich
• Minimale Materialverschwendung
• Gleichzeitige Produktion mehrerer Teile möglich
• Kann komplexe Innengeometrien erzeugen

Einschränkungen

• Nachbearbeitung oft notwendig
• Hohe Geräte- und Rohstoffkosten
• Bei größeren Teilen dauert es länger

Metallspritzguss (MIM)

Das MIM-Verfahren umfasst die Rohmaterialaufbereitung, das Spritzgießen, das Entbindern und das Sintern. Aufgrund der erforderlichen Werkzeug- und Prozessentwicklung sollte es getrennt von Verfahren bewertet werden, die für wenige, sich schnell ändernde Prototypen eingesetzt werden.

MIM wird typischerweise dann in Betracht gezogen, wenn ein kleines, komplexes Metallteil stabil ist und die wiederholte Nachfrage den Werkzeugaufwand rechtfertigt. Für frühe Iterationen eignen sich möglicherweise CNC-Bearbeitung oder additive Fertigung von Metallen besser.

Für eine stabile Konstruktion, die sich für die Serienfertigung von Metallteilen eignet, sehen Sie sich unsere MIM-Dienste neben CNC-Bearbeitung oder Metall-3D-Druck.

Vorteile

• Detaillierte Merkmale können in einem kleinen Metallbauteil kombiniert werden, vorbehaltlich einer zeichnungsspezifischen Konstruktionsprüfung.
• Die Fertigung in endkonturnaher Form kann bei geeigneten Geometrien den Bearbeitungsaufwand reduzieren.
• Eine Serienproduktion kann nach Validierung der Werkzeuge und Prozesse geplant werden.
• Die Wirtschaftlichkeit hängt von den Investitionen in Werkzeuge, der jährlichen Nachfrage und den Folgeprozessen ab.

Einschränkungen

• Vor der Wahl dieses Weges müssen Investitionen in Werkzeuge, Konstruktionsänderungen, Bindemittelentfernung und Sinterverhalten bewertet werden.

Kunststoffbasiertes Rapid Prototyping

Wenn Kosteneffizienz und Geschwindigkeit beim Rapid Prototyping oberste Priorität haben, sind Kunststoffteile oft die beste Wahl. Hersteller von Konsumgütern, Medizinprodukten und Elektronikprodukten bauen ihre funktionalen Prototypen in der Regel aus Kunststoff.

Je nach Detaillierungsgrad, Oberflächenbeschaffenheit oder erforderlicher Festigkeit des Prototyps stehen PolyJet-3D-Druck, Fused Deposition Modeling (FDM), Selektives Lasersintern (SLS) und Stereolithografie (SLA) zur Verfügung.

• Schnelles Spritzgießen

Beim Schnellspritzgießen wird thermoplastisches Harz unter hohem Druck in eine Form gepresst. Es handelt sich um einen schnellen Prozess, der folgende Schritte umfasst:

• Konstruieren mit CAD-Software
• Formenbau
• Auswahl des Harzmaterials
• Spritzgießen
• Kühlung:
• Nachbearbeitung

Vorteile

• Geschwindigkeit und Effizienz
• Kostengünstig (für kleine bis mittlere Mengen)
• Materialvielfalt
• Schnelle Reaktion auf den Markt

Einschränkungen

• Hohe Anschaffungskosten
• Teure Designänderungen
• Vorlaufzeit zunächst lang

• PolyJet-3D-Druck

Bei dieser Technologie werden Schichten aus dünnem, hochauflösendem Photopolymerharz aufgesprüht. Das Harz wird von einer speziellen Gelmatrix gehalten, die nach Abschluss des Prozesses entfernt wird.

Das PolyJet 3D-Druckprozessdiagramm

PolyJet wird für dünnwandige, komplizierte Teile verwendet und ist in verschiedenen Farben erhältlich. Die Nachteile liegen in der geringen Festigkeit und der Ungeeignetheit für Funktionstests.

Vorteile

• Hervorragende Oberflächengüte
• Mehrfarbig und aus mehreren Materialien
• Minimale Nachbearbeitung

Einschränkungen

• Schlechte mechanische Eigenschaften
• Teile können schneller verschleißen
• Nicht für Funktionsteile geeignet

• Fused Deposition Modeling (FDM)

Modellierung verschmolzener Ablagerungen

Vereinfacht ausgedrückt geht es bei FDM darum, ein 3D-Teil aus vielen Schichten thermoplastischen Materials zu erstellen. Dieses Rapid-Prototyping-Verfahren ist für verschiedene Materialien geeignet und relativ kostengünstig. Die Herausforderungen liegen in der schlechten Oberflächenbeschaffenheit und der begrenzten Z-Achsen-Festigkeit.

Vorteile

• Zahlreiche thermoplastische Materialoptionen
• Minimale Nachbearbeitung
• Große Mengen

Einschränkungen

• Sichtbare Layerlinien
• Bedarf an Unterstützungsstrukturen
• Probleme mit Schrumpfung und Verformung

 

 

Wann sollte Rapid Prototyping eingesetzt werden?

Rapid Prototyping eignet sich, wenn Feedback zum Konzept oder Designmerkmal benötigt wird. Es ist besonders nützlich, um frühzeitig wichtige Bildschirme oder Abläufe zu testen und auch unperfekte Ergebnisse in Kauf zu nehmen. Diese Methode ist relativ unkompliziert und erfordert wenig Vorbereitung. Dennoch gibt es einige entscheidende Phasen. Rapid Prototyping ist vor allem dann hilfreich, wenn ein System entwickelt werden soll, das basierend auf Nutzerfeedback häufig angepasst wird. Es trägt dazu bei, dass das Ergebnis sowohl für den Nutzer akzeptabel als auch für das Unternehmen profitabel ist. In dieser Phase ist es wichtig, ein klares Konzept zu definieren. Workflow für die Prototypenentwicklung Hilft Teams dabei, schneller zu iterieren und die Anzahl der Redesign-Zyklen zu reduzieren.

 

Rapid-Prototyping-Techniken zur Produktentwicklung?

Um realistische Antworten zu erhalten, sollten Mock-ups so realistisch wie möglich sein. Was die Empfehlungen betrifft, wird empfohlen, Unterschiede zwischen ihnen und dem tatsächlichen Produkt zu vermeiden, um eine verzerrte Rückmeldung zu vermeiden. Dies bedeutet, anklickbare Modelle mit genauen Daten und Grafiken zu entwickeln, auch wenn sie gefälscht sind. 

High-Fidelity-Prototypen werden so entwickelt, dass sie dem tatsächlichen Produkt sehr nahe kommen. Dies setzt eine angemessene Planung der Interaktion und Nutzung von Pfaden durch die Benutzer voraus. Diese realistischen Prototypen erfordern Kenntnisse in Softwareentwicklung und User Experience (UX). Sie werden im Allgemeinen zeitnah und nicht geplant erstellt. 

Manchmal ist es möglich, einen vollwertigen Prototyp zu entwickeln, aber das kann übertrieben oder zu kostspielig sein. Eine Lösung bieten Wireframes in Form einfacher Interaktionen und Prozesse zwischen dem Benutzer und der Website. Die Produktmanager erstellen diese vereinfachten Designs, die für den ersten Test mit Benutzern verwendet werden können. Sie helfen dabei, die wichtigsten Parameter zu identifizieren, die für die Entwicklung eines funktionierenden Prototyps erforderlich sind, was wiederum die Erstellung des Prototyps erleichtert. 

Zwischen Wireframes und funktionalen Mockups gibt es klickbare oder Fassadenprototypen. Auch wenn diese Designs nicht vollständig auf Daten basieren, ermöglichen sie es den Benutzern, Feedback zu verschiedenen Aspekten zu sammeln. Mithilfe von Design- und UX-Instrumenten, die Daten zu den Aktionen und Vorlieben der Benutzer liefern, können sie schnell entwickelt werden. 

Unter Rapid Prototyping versteht man auch die Erstellung mehrerer Prototypen, die dann gleichzeitig weiter getestet und evaluiert werden. Mit diesem Ansatz können die Teams die verschiedenen Versionen gleichzeitig vergleichen und feststellen, welche Version von den Benutzern gut angenommen wird.

 

Was sind die Vorteile von Rapid Prototyping?

Wie bereits erwähnt, bietet Rapid Prototyping viele Vorteile, insbesondere in zwei Bereichen. Erstens gewährleistet es, dass ein Produkt oder eine Komponente den Designvorgaben entspricht, da in dieser Phase das Verständnis der Nutzer für das Produkt oder die Komponente sowie deren Leistung und Funktionalität beurteilt werden kann. Dies trägt zur Verbesserung des Designs bei, bevor die Serienproduktion beginnt.

Zweitens senkt es die Herstellungskosten, da im Gegensatz zur Massenfertigung keine Produktionswerkzeuge benötigt werden. Verfahren wie 3D-Druck, CNC-Bearbeitung und Rapid Prototyping mit Aluminium werden häufig für die Kleinserienfertigung eingesetzt. Kosten für Prototypenteile hängt von Faktoren wie dem Herstellungsprozess, dem Material, der Komplexität des Bauteils und der Menge ab.

Wie bei jeder anderen Tätigkeit gibt es auch beim Prototyping viele Wege, von denen jeder seine Vor- und Nachteile hat. Die oben genannten Methoden sind die gängigsten, und je nach technologischem Stand muss der Designer die beste Methode für das jeweilige Projekt auswählen. Dazu ist es notwendig, die Vor- und Nachteile der verschiedenen Prototyping-Methoden zu ermitteln. Unter Berücksichtigung der Beschreibung jeder Methode und der identifizierbaren Materialeigenschaften kann man dann eine Entscheidung treffen.

Ein Entscheidungsleitfaden enthält auch einige Faktoren, die bei der Auswahl der Prototyping-Technik zu berücksichtigen sind. Ziel ist es, die richtige Lösung für den Einsatz von Prototypen in Entwicklungsprozessen zu finden.

 

Vergleich von Rapid-Manufacturing-Prozessen

Hier werden einige schnelle Fertigungsverfahren und ihre Unterschiede erläutert. Diese Verfahren finden breite Anwendung in Branchen wie beispielsweise Automobil-Prototyping und Prototyping für die Luft- und Raumfahrt.

SLA (Stereolithographie) 

SLA-Schnellfertigung

Bei der Stereolithografie (SLA) werden Fotopolymere mit einem Laser ausgehärtet und Prototypen aus einer einzigen Schicht entwickelt. Diese Technik bietet Festigkeiten von 2,500 bis 10,000 psi (17.2 bis 68.9 MPa). Die Standardschichtdicke beträgt 0.002 bis 0.006 Zoll bzw. 0.051 bis 0.152 Millimeter in der Breite. SLA ist am genauesten und wird normalerweise mit thermoplastähnlichen Fotopolymeren eingesetzt. 

SLS (selektives Lasersintern) 

SLS-Prototypenteile

Beim selektiven Lasersintern (SLS) wird ein Laser verwendet, um die Pulvermaterialien zu schmelzen. Die Festigkeit der hergestellten Teile variiert zwischen 5,300 und 11,300 psi bzw. 36.5 und 77.9 MPa. Die additiven Schichten sind normalerweise 0.004 Zoll (0.102 mm) dick. SLS wird häufig auf Nylon- und TPU-Materialien mit guter mechanischer Leistung und langer Lebensdauer angewendet. 

DMLS (Direktes Metall-Laser-Sintern) 

DMLS-Prototypisierung

Direktes Metall-Lasersintern (DMLS) ist ein Verfahren, bei dem Metallpulver mithilfe eines Lasers geschmolzen wird. Dieses Verfahren führt zu einer hohen Festigkeit im Bereich von 37,700 bis 190,000 psi. Die Schichtdicke beträgt üblicherweise zwischen 0.0008 und 0.0012 Zoll (0.020 bis 0.030 mm). DMLS eignet sich ideal für die Herstellung von Metallteilen wie Edelstahl, Titan, Chrom, Aluminium und Inconel und wird zur Herstellung solider und leistungsstarker Teile verwendet. 

FDM (Fused Deposition Modelling) 

Modellierung der verschmolzenen Ablagerung

Fused Deposition Modeling (FDM) ist ein Verfahren zum Extrudieren thermoplastischer Materialien in Schichten. Es führt zu Teilen mit einer Festigkeit zwischen 5,200 und 9,800 psi (35.9 bis 67.6 MPa). Die Schichtdicke variiert zwischen 0.005 und 0.013 Zoll (0.127 bis 0.330 mm). Die am häufigsten für FDM verwendeten Materialien sind ABS, PC, PC/ABS und PPSU. Diese Methode wird aufgrund ihrer Wirksamkeit und Kosteneffizienz im Vergleich zu anderen Methoden häufig verwendet. 

MJF (Multi-Jet-Fusion) 

Prototyp der Multi Jet Fusion (MJF)

Bei Multi Jet Fusion (MJF) wird ein Tintenstrahlarray verwendet, um Nylonpulver selektiv zu verschmelzen. Die hergestellten Teile haben eine Festigkeit von ungefähr 6,960 psi (48 MPa). Die Schichtdicke reicht von 0.0035 bis 0.008 Zoll (0.089 bis 0.203 mm). MJF wird oft mit feinen Details und guten mechanischen Eigenschaften des Endteils in Verbindung gebracht, das normalerweise aus schwarzem Nylon 12 besteht. 

PJET (PolyJet)  

PJET-Prototyping

Bei der PolyJet-Technologie werden UV-gehärtete Fotopolymere verwendet. Mit diesem Verfahren hergestellte Komponenten haben eine Zugfestigkeit zwischen 7200 und 8750 psi oder 49 und 6 MPa. Die additiven Schichten sind im Allgemeinen zwischen 60 und 3 Zoll (0.0006 bis 0 mm) dick. PolyJet stellt mit Materialien wie acrylbasierten und elastomeren Fotopolymeren sehr genaue Prototypen her.  

CNC (Computergestützte numerische Bearbeitung) 

Beim Rapid CNC-Prototyping werden Teile mithilfe von computergesteuerten Fräs- und Drehmaschinen hergestellt. Die dabei entstehende Festigkeit variiert zwischen 3,000 und 20,000 psi (20.7 bis 137.9 MPa). Dieses subtraktive Fertigungsverfahren führt zu präzisen und hochveredelten Produkten. Es wird in vielen Gebrauchsgütern und in der Maschinenbauindustrie eingesetzt. Kunststoff-Prototypen.

IM (Spritzguss) 

IM ist ein Verfahren, bei dem Aluminiumwerkzeuge zum Formen von Teilen verwendet werden. Bei diesem Verfahren werden Teile mit Festigkeiten von 3,100 bis 20,000 psi (21.4 bis 137.9 MPa) hergestellt. Die geformten Teile können auch eine glatte Oberfläche oder eine ausgewählte Textur haben. Spritzguss ist flexibel und kann Materialien wie Standard- und technische Thermoplaste, Metalle und flüssigen Silikonkautschuk verarbeiten.

 

Vor- und Nachteile von Rapid Prototyping

Vorteile

Beschleunigt Designtests

Rapid Prototyping ist eine Technik, bei der in kurzer Zeit ein Modell eines Teils in Originalgröße erstellt wird. So kann das Design beurteilt werden. Dieser schnelle Zyklus hilft dabei, schnell auf Designprobleme und die entsprechenden Lösungen zu reagieren. 

Unterstützt mehrere Designänderungen

Dadurch kann das Design häufig geändert werden, ohne dass sich dies negativ auf die Kosten auswirkt. Dadurch wird das Design progressiv und kann in den nachfolgenden Zyklen verbessert werden. 

Reduziert die Kosten

Aus dieser Produktionsperspektive ist Rapid Prototyping kostengünstiger, da es keine Formen und Werkzeuge erfordert. Es wird daher zu einer kostengünstigen Methode zur Ideenfindung und als erste Stufe zum Testen von Ideen auf dem Markt oder in der Umgebung. 

Reduziert die Markteinführungszeit

Denn die vergleichsweise schnelle Erstellung von Prototypen ist für die gesamte Produktentwicklung hilfreich. So können Produkte schneller entwickelt und auf den Markt gebracht werden, was einen Wettbewerbsvorteil darstellt. 

Verbessert die Designgenauigkeit

Rapid Prototyping ist bei der Feinabstimmung des Produkts hilfreich, da Tests an den Prototypen durchgeführt werden. Dies hilft dabei, das beabsichtigte Design und die Erwartungen der Benutzer an das Endprodukt zu erreichen. 

Nachteile

Kann bei übermäßiger Nutzung zu höheren Kosten führen

Wenn der Umfang des Prototypings maximal ausgeschöpft wird oder wenn die Bedeutung des Prototypings nicht kontrolliert wird, sind die Kosten höher. Aus diesem Grund ist es notwendig, den Prototyping- und Projektbedarf zu vermeiden, damit nur das ausgegeben wird, was erforderlich ist. 

Nicht für alle Entwicklungsstadien geeignet

Dies steht im Einklang mit der früheren Diskussion, in der betont wurde, dass Rapid Prototyping nicht in allen Phasen des Produktentwicklungsprozesses angewendet werden kann. In einigen Phasen sind möglicherweise noch konventionelle Fertigungsansätze erforderlich, um Präzision und Steifigkeit zu erreichen. 

Kann zu irreführenden Ergebnissen führen

Prototyping in den Anfangsphasen ist möglicherweise nicht sehr hilfreich, um die endgültige Leistung des Produkts oder sogar das Gesamterscheinungsbild des Produkts zu bestimmen. Dies kann zu falschen Annahmen und möglicherweise falschen Entwicklungsentscheidungen über den Zielmarkt führen. 

Nicht ideal für die Produktion im großen Maßstab

Rapid Prototyping wird bei kleinen und vorläufigen Produkttests eingesetzt. Bei der Massenproduktion kommt es nicht zum Einsatz, da mehrere Fertigungsprozesse beteiligt sind. 

Technische Einschränkungen

Zu den Nachteilen einiger Rapid-Prototyping-Techniken gehören unter anderem die Materialauswahl, Genauigkeit und Festigkeit. Diese stellen eine Einschränkung der Qualität und Funktionalität des zu entwickelnden Prototyps dar.

CNC-Werkzeuge für Rapid Prototyping 

CNC-Werkzeuge (Computer Numerical Control) sind Subtraktionstechniken, während additive Techniken FDM, SLA oder SLS sind. Im Gegensatz zu herkömmlichen Konstruktionstechniken, bei denen das Material in Schichten aufgebaut wird, verarbeiten CNC-Werkzeuge feste Blöcke, Stangen oder Stäbe, und dann werden die erforderlichen Schneid-, Bohr-, Ausbohr- oder Schleifarbeiten durchgeführt.  

 

Die 7 wichtigsten Vorteile des Rapid Prototyping

Vorteil 1: Schnellere Produktentwicklung 

Rapid Prototyping hilft Ingenieuren und Designern, Zeit mit der Arbeit an etwas zu verbringen, das letztlich nicht funktioniert. Ein Projekt etwas zu verzögern, um Feedback von allen Beteiligten einzuholen, mag wie Zeitverschwendung klingen, aber die gesammelten Informationen sind hilfreich für kritische Entscheidungen.

Denken Sie an die Herstellung von Armaturenbrettteilen für ein neues Autodesign. Ein Ingenieur, der kontinuierlich Feedback zu den Komponenten einholt, wird schneller zu einem freigegebenen Ergebnis gelangen, als jemand, der das gesamte Armaturenbrett fertigstellt und dann den Rat erhält, es Schritt für Schritt zu überarbeiten.

Prototyp eines Auto-Armaturenbretts

Die meisten technischen Komponenten erfordern umfassende Zulassungen hinsichtlich Sicherheit, Ergonomie und Ästhetik. Daher ist Rapid Prototyping eine wertvolle Strategie zur Minimierung des Zeitaufwands.

Vorteil 2: Reduzierte Produktentwicklungskosten

Vor der Einführung des Rapid Prototyping standen den Ingenieuren zur Verfeinerung ihrer Produkte lediglich ihre Entwürfe und Zeichnungen zur Verfügung. Bei der endgültigen Abnahme des Prototypengebäudes stellten sie Probleme fest, die in der technischen Zeichnung nicht ersichtlich waren.

Da die Materialien und Verfahren zum Bau des Prototyps üblicherweise teuer waren, erwies sich dieser Ansatz als finanziell belastend. Rapid Prototyping löst dieses wirtschaftliche Problem effektiv.

Kostengünstiger Prototypen-Spritzguss

Ingenieure können heute mithilfe kostengünstiger Rapid-Prototyping-Materialien maßstabsgetreue Designmodelle deutlich günstiger herstellen und für Tests unter Praxisbedingungen einsetzen. Die enormen Einsparungen in der Produktentwicklung schlagen sich meist in den Gewinnmargen nieder.

Ein Vergleich der verschiedenen verfügbaren Technologien, beispielsweise 3-Achs- und 5-Achs-CNC-Maschinen, kann helfen, weitere Details zur Reduzierung der Produktionskosten zu entdecken.

Vorteil 3: Frühere Erkennung von Designfehlern

Konstruktionsfehler in Bezug auf Montage und Geometrie stellen ein großes Problem dar, wenn sie unentdeckt bleiben, da sie unter anderem zu Problemen bei der Herstellung, unzureichenden Toleranzen, Fehlausrichtungen und falschen Messungen führen können.

Konstruktionsfehler sind vermeidbar

Werden Rapid-Prototyping-Produkte nicht eingesetzt, ist die Wahrscheinlichkeit hoch, dass einige Teile später im Produktentwicklungszyklus neu konstruiert werden müssen. Stellen Sie sich ein CNC-gefrästes Teil vor, das trotz extrem dünner Wände nach der digitalen Simulation freigegeben wurde. Die CNC-Bearbeitung erwies sich jedoch als problematisch oder sogar unmöglich, da die Wände immer wieder beschädigt wurden.

Durch Rapid Prototyping wird ein solches Problem viel früher erkannt und behoben.

Vorteil 4: Hilft beim Testen der Funktionalität eines Designs 

So absurd es klingen mag, es gab Fälle, in denen Teams ein Produkt herstellten, nur um dann festzustellen, dass es nicht den beabsichtigten Zweck erfüllte. All die Zeit, das Geld und die Ideen gingen auf qualvolle Weise zunichte.

Mit Rapid Prototyping können Unternehmen die Funktionalität eines Produktmodells in realen Situationen testen. Ob verkleinert oder aus unterschiedlich gefertigten Komponenten gefertigt – die Idee dahinter ist, Rapid-Prototyping-Produkte zu entwickeln, die vor Beginn der eigentlichen Fertigung getestet werden können.

Es ist bemerkenswert, dass auch gängige Fertigungsmethoden bei der schnellen Prototypenfertigung hilfreich sein können, beispielsweise die CNC-Bearbeitung in kleinen Serien.

Vorteil 5: Verbessert die Teamarbeit

Rapid Prototyping ist eines dieser Konzepte, das die interdisziplinäre Interaktion und das Verständnis fördert. Verschiedene Abteilungen – vom Techniker bis zur Geschäftsleitung – stehen in ständiger Kommunikation.

Diese enge Interaktion fördert die Zusammenarbeit im Team, bringt verschiedene Teams erfolgreich auf ein gemeinsames Ziel zusammen, fördert die gemeinsame Problemlösung und sorgt für ein tieferes Maß an Einheit.

Aus der Nähe ergeben sich für ein Unternehmen zahlreiche konkrete Vorteile, darunter eine höhere organisatorische Agilität, stärkere Beziehungen zwischen den Abteilungen und eine effektivere Konfliktlösung.

Vorteil 6: Ausprobieren komplexer Geometrien und Designs

Mit Rapid Prototyping lassen sich Geometrien und Designs erforschen, die mit herkömmlichen Fertigungstechnologien nur schwer realisierbar wären. Das Designteam kann diese Lösung für mehr Innovation nutzen, insbesondere in Kombination mit Fortschritten in unterstützenden Technologien wie integrierten CAD/CAM-Workflows, generativen Designlösungen und CFD-Simulationen (Computational Fluid Dynamics).

Vorteil 7: Fördert Nachhaltigkeit

Rapid Prototyping ist ein additives Fertigungsverfahren, das den Materialverlust minimiert. Das Teil wird Schicht für Schicht aufgebaut, wobei, wenn überhaupt, nur minimaler Materialverlust entsteht.

Abgesehen von der Effizienz des Rapid-Prototyping-Prozesses kann das Design mithilfe der neuesten Software optimiert werden, um sicherzustellen, dass das hergestellte Teil das richtige ist.

 

Andere Rapid Prototyping-Techniken

CNC-Fräsen und -Drehen sind zwei der häufigsten Prozesse in einer Produktionsanlage. Beim Fräsen bewegt sich das Schneidwerkzeug, während das Werkstück stillsteht, während sich beim Drehen das Werkstück dreht, während das Schneidwerkzeug stillsteht. Laserschneider sind präzise, ​​da das Schneidwerkzeug ein Laser ist, der das entsprechende Material für komplizierte Designs graviert oder schneidet. Wasserstrahlschneider hingegen verwenden einen Hochdruckwasserstrahl mit Schleifmitteln, um Metallverbundstoffe und andere Materialien zu schneiden. 

Die üblichen Materialien, die mit CNC-Werkzeugen verwendet werden, sind Kunststoffe, Weich- und Hartmetalle, Holz, Acryl, Stein, Glas und Verbundwerkstoffe. Sie eignen sich besonders für die Herstellung komplexer Designs und komplexer Teile mit schwer herzustellenden Merkmalen. Die Anwendung der CNC-Werkzeuge kann jedoch etwas komplizierter sein als die additiven Fertigungsverfahren. Dies liegt daran, dass CNC-Prototyping bei der Einzel- oder Kleinserienproduktion aufgrund der verschiedenen Methoden, der verwendeten Werkzeuge und der Empfindlichkeit der Materialien kostspielig ist. 

CNC-Werkzeuge sind besonders hilfreich bei der Herstellung wichtiger Skelett- und Metallteile, die mit additiven Fertigungstechnologien im Rapid Tooling nicht effizient hergestellt werden können. Sie sind zuverlässig für die Herstellung guter und präziser Prototypen, wenn additive Prozesse nicht möglich sind.

 

Summieren

Schnelle Musterlieferung ist eine nützliche Technik, da sie nicht nur Zeit spart, sondern auch Risiken reduziert. Prototypen helfen den Produktmanagern, hilfreiches Feedback von den Benutzern zu erhalten, um entweder die Designkonzepte zu bestätigen oder die Änderungen zu identifizieren, die möglicherweise vor der Veröffentlichung des Produkts erforderlich sind. Dies minimiert die Wahrscheinlichkeit, dass das Endprodukt die Erwartungen des Benutzers nicht erfüllt, daher der Begriff „Benutzererfahrung“. 

Bei Boda wird die Kommunikation verbessert und die Arbeit der Teams ist ausgerichtet auf Rapid-Prototyping-Dienste. Boda unterstützt das Unternehmen dabei, qualitativ hochwertige Produkte auf den Markt zu bringen, die wiederum die Bedürfnisse der Kunden und Interessenten erfüllen.

Siehe auch: Was ist Blechprototypenfertigung? Beispiele und Vorteile