Wie fertigt man einen Prototyp an?

Bei der Produktentwicklung kann die Erstellung eines physischen Prototyps bei Recherche, Tests, Finanzierung und vielem mehr hilfreich sein. Dank Anbietern von Rapid-Prototyping-Dienstleistungen wie 3ERP ist es zudem einfach, in kurzer Zeit einen kostengünstigen Prototyp zu erstellen.

Manche Unternehmen verzögern jedoch die Prototypentwicklung, einfach weil sie nicht wissen, wo sie anfangen sollen; sie wissen nicht, welche Technologien oder Materialien sie verwenden sollen, oder sie wissen nicht, mit welcher Art von Prototyping-Partner sie zusammenarbeiten sollen.

Zum Glück ist die Prototypenerstellung mit einem Partner wie 3ERP unkompliziert und problemlos. Dieser Leitfaden erläutert die Grundlagen der Prototypenerstellung und analysiert zwei Hauptkategorien von Prototypen: Konzeptmodelle und Funktionsprototypen. Er gibt außerdem einen Überblick über den Ablauf des Rapid-Prototyping-Prozesses in einer Prototypenfertigungsanlage.

Was ist Rapid Prototyping?

Rapid Prototyping ist der Prozess der Entwicklung eines Prototyps in kürzester Zeit. Ein Prototyp ist ein Modell, Entwurf, Modell oder eine frühe Version eines physischen Produkts, die vor der Serienproduktion hergestellt wird.

Es gibt verschiedene Gründe, warum Unternehmen einen Prototyp entwickeln müssen, und für dessen Herstellung können verschiedene Technologien eingesetzt werden: Wir bei 3ERP konzentrieren uns auf CNC-Bearbeitung, 3D-Druck, Formenbau, Gießen und Blechbearbeitung, und einige Prototypen erfordern eine Kombination von Verfahren, wenn sie mehrere Komponenten enthalten.

Rapid Prototyping hilft Unternehmen, ihre Produkte schneller auf den Markt zu bringen . Durch die schnelle Entwicklung von Prototypen können Unternehmen Prozesse wie Marktforschung und mechanische Tests, für die in der Regel Prototypen benötigt werden, beschleunigen und die finalen Phasen der Produktentwicklung schneller erreichen.

Konzeptmodelle

Schwerpunkt : Visuelle Attraktivität, Vermittlung grundlegender Ideen, geringstmögliche Kosten

Typische Verfahren : 3D-Druck, CNC-Bearbeitung, Vakuumgießen, Blechbearbeitung, Sonstiges

Viele Prototypen werden gebaut, um eine visuelle oder ästhetische Funktion zu erfüllen. Solche Prototypen müssen nicht funktionieren , aber sie müssen einen genauen visuellen Eindruck des Endprodukts vermitteln.

Ein Prototyp, der zu visuellen Zwecken erstellt wird, kann als Konzeptmodell, Display-Prototyp oder Look-like-Prototyp bezeichnet werden. Er kann verwendet werden, um potenziellen Investoren ein zukünftiges Produkt zu präsentieren oder Marktforschung zu potenziellen Kunden zu betreiben. Er kann auch dazu dienen, Ideen anderen internen Abteilungen eines Unternehmens zu vermitteln.

Da Konzeptmodelle nicht funktionsfähig sein müssen, können bestimmte Fertigungsverfahren eingesetzt werden, die für die Serienfertigung nicht verwendet werden. Der Fokus liegt lediglich darauf, einen optisch ansprechenden Prototyp zum niedrigstmöglichen Preis herzustellen.

Aus diesem Grund wird 3D-Druck mitunter für Konzeptmodelle eingesetzt: Gedruckte Teile sind zwar möglicherweise nicht stabil genug für den Endeinsatz, lassen sich aber schnell und in hoher optischer Qualität fertigen. Auch Vakuumgießen wird hauptsächlich für optisch ansprechende Prototypen mit geringer Festigkeit verwendet. CNC-Bearbeitung und Blechbearbeitung sind jedoch oft kostengünstiger und/oder für bestimmte Projekte besser geeignet und bieten ein hohes Maß an Flexibilität.

Unternehmen können für ihre Konzeptmodelle auch günstigere Materialien verwenden , da diese keine Belastungen aushalten oder eine mechanische Funktion erfüllen müssen. Um jedoch ein ansprechendes Aussehen zu erzielen – beispielsweise um einem preiswerten Kunststoff ein metallisches Aussehen zu verleihen – kann eine professionelle Oberflächenveredelung angewendet werden.

Ein Beispiel für ein Konzeptmodell

Funktionale Prototypen

Schwerpunkt : Validierung, mechanische Prüfung, Vorproduktion

Typische Verfahren : CNC-Bearbeitung, Spritzguss, Blechbearbeitung, Sonstiges

Prototypen können neben ihrer rein visuellen auch funktional sein. Funktionale Prototypen werden typischerweise gebaut, um physikalische Eigenschaften eines Produkts zu validieren – beispielsweise die Materialauswahl – oder um mechanische Tests durchzuführen . Sie können auch verwendet werden, um die Funktion des Produkts internen Mitarbeitern, Kunden, Investoren usw. zu demonstrieren .

Bei einem Funktionsprototyp, der zu Testzwecken eingesetzt wird, spielt die Ästhetik oft eine untergeordnete Rolle. So können Funktionsprototypen beispielsweise unbemalt, unfertig oder mit fehlenden Merkmalen und Details sein. Prototypen in der späten Entwicklungsphase oder in der Vorserienphase hingegen können sowohl funktionale als auch ästhetische Merkmale aufweisen, um dem Endprodukt so nahe wie möglich zu kommen.

Funktionale Prototypen, die mechanischen Tests unterzogen werden, müssen im Allgemeinen aus Materialien und mit Verfahren hergestellt werden, die denen der Serienproduktion möglichst ähnlich sind, sonst sind die Tests nicht sinnvoll.

Soll der Prototyp auch einer Materialprüfung unterzogen werden, ist die Wahl eines serientauglichen Werkstoffs entscheidend. Für Funktionsprototypen werden häufig Fertigungsverfahren wie CNC-Bearbeitung und Spritzguss eingesetzt, da 3D-gedruckte Teile oft nicht die erforderliche Festigkeit aufweisen und hinsichtlich ihrer mechanischen Eigenschaften nicht mit dem Serienteil übereinstimmen.

Bei nicht-demonstrativen Funktionsprototypen müssen Oberflächenbehandlungen nur dann erfolgen, wenn sie zur Funktion des Produkts beitragen; Lackierung, Anbringung von Markenlogos etc. können weggelassen werden.

Ein Beispiel für einen funktionsfähigen Prototyp

Der Rapid-Prototyping-Prozess

Bei 3ERP beginnt der Rapid-Prototyping-Prozess, sobald wir einen Auftrag abgeschlossen und alle notwendigen Informationen und digitalen Dateien erhalten haben.

Was als Nächstes geschieht, hängt letztendlich vom gewählten Fertigungsprozess ab, der wiederum von der Art des Prototyps (Konzeptmodell vs. Funktionsmodell), dem benötigten Material und der Stückzahl abhängt. Jeder Fall ist anders, und wir arbeiten eng mit dem Kunden zusammen, um für jeden Rapid-Prototyping-Auftrag die optimale Vorgehensweise zu ermitteln.

Unabhängig vom Herstellungsverfahren werden die Prototypen Qualitätskontrollverfahren unterzogen und anschließend allen notwendigen Nachbearbeitungsschritten unterzogen, wie dem Entfernen von Stützmaterial und dem Aufbringen gewünschter Oberflächenbehandlungen, wie z. B. Anodisieren oder Lackieren.

Die Prototypen werden dann so schnell wie möglich an den Kunden versandt, damit dieser mit seiner Produktentwicklung fortfahren kann.

Nachfolgend geben wir einen Überblick über die verschiedenen Prozesse, die wir für das Rapid Prototyping verwenden.

CNC-Bearbeitung

Bei CNC-gefrästen Prototypen können wir schnell loslegen, indem wir die richtigen Materialien beschaffen und die digitale Datei an die CNC-Maschine zum Fräsen, Drehen, Erodieren usw. senden.

Die CNC-Bearbeitung eignet sich hervorragend für die schnelle Prototypenfertigung, da sie ein einstufiges Verfahren ist: Es werden keine Werkzeuge benötigt; das Rohmaterial wird eingelegt und der Prototyp kommt heraus. Dadurch ist der Prozess sehr schnell und ermöglicht gleichzeitig die Herstellung hochwertiger Prototypen mit hohem Detailgrad.

Die spanende Bearbeitung ist zudem materialtechnisch vielseitig. Das Verfahren eignet sich für Hochleistungsmetalle und Kunststoffe, und bearbeitete Teile können verschiedenen Oberflächenbehandlungen unterzogen werden.

3D Druck

Der 3D-Druck , ein schichtweises additives Verfahren, wird häufig für Konzeptmodelle, aber selten für funktionale Prototypen verwendet.

Es gibt jedoch verschiedene 3D-Druckverfahren: FDM, SLS und SLA für Kunststoffteile sowie SLM und DMLS für Metallteile. Metall-AM-Verfahren ermöglichen die Herstellung hochfester Bauteile mit guten mechanischen Eigenschaften und eignen sich daher für funktionale Prototypen.

Zu den Vorteilen des 3D-Drucks zählen die Realisierung komplexer Geometrien, niedrige Kosten und kurze Lieferzeiten. Er eignet sich am besten für Einzelprototypen, weniger für Serienfertigung.

Vakuumgießen

Vakuumgießen, auch Urethangießen genannt, ist eine kostengünstige Alternative zum Spritzgießen und bei kleinen Stückzahlen deutlich preiswerter. Daher eignet es sich trotz der geringeren mechanischen Festigkeit der Bauteile für die schnelle Prototypenfertigung.

Das Verfahren wird hauptsächlich für Konzeptmodelle verwendet, da es eine hochwertige Oberflächenbeschaffenheit erzeugt, die mit der des Spritzgießens vergleichbar oder sogar überlegen ist.

Spritzgießen

Wenn Prototypen im Spritzgussverfahren hergestellt werden , müssen wir zunächst eine Form herstellen, was unsererseits eine komplexe CAD-Konstruktion erfordert, bei der wir eine umgekehrte Version des Prototyps mit den notwendigen Trennlinien, Angüssen usw. erstellen.

Sobald wir diese Metallform mittels Rapid Tooling mit einem CNC-Bearbeitungszentrum hergestellt haben, können wir mit der Herstellung der Kunststoff-Formprototypen beginnen.

Aufgrund dieses zusätzlichen Fertigungsschritts ist das Spritzgießen nur dann wirklich kosteneffektiv, wenn eine große Anzahl von Prototypen benötigt wird (siehe dazu die Überlegungen zur Skaleneffektivität weiter unten). Es bietet jedoch viele Vorteile: eine ausgezeichnete Oberflächengüte, gute Festigkeit und Ähnlichkeit mit den Endprodukten.

Blechfertigung

Blechprototypen lassen sich aus verschiedenen Metallen in kurzer Zeit herstellen. Diese Prototypen ähneln oft den Endprodukten und eignen sich für Testzwecke.

Die Blechbearbeitung eignet sich für bestimmte Produkte wie Halterungen, Gehäuse und Paneele und wird in der Regel nicht austauschbar mit anderen Metallverarbeitungsverfahren eingesetzt.

Skaleneffekte

Die Wahl des Fertigungsverfahrens hängt oft von der benötigten Stückzahl ab. Manchmal ist es notwendig, Kompromisse einzugehen und ein anderes Verfahren zu wählen, wenn die Stückzahl wirtschaftlich nicht sinnvoll ist.

Obwohl es viele Ausnahmen gibt, vermittelt diese Tabelle einen groben Überblick über die Anzahl der für bestimmte Prozesse geeigneten Einheiten. (Die Blechbearbeitung ist ausgeschlossen, da Blechteile und Prototypen in der Regel speziell für Blechbearbeitungsprozesse konstruiert werden.)

Wie man in 5 einfachen Schritten einen Prototypen erstellt

Konzeptualisieren

Der erste Schritt bei der Prototypenerstellung, noch vor dem eigentlichen Design, besteht darin, die Anforderungen zu definieren. Diese Phase kann Marktforschung und das Sammeln von Ideen für potenzielle Anforderungen umfassen.

Technologie

Sofern nicht ein einfacher, handgefertigter Prototyp ausreicht, ist CAD-Software für die Prototypenentwicklung erforderlich . CAD ermöglicht die exakte Reproduktion und einfache Anpassung, und die Dateien können für die sofortige Produktion in ein maschinenlesbares Format konvertiert werden. Personen ohne Design-Erfahrung sollten professionelle Produktentwicklungsdienste in Anspruch nehmen.

Material, Technologie und Oberflächenbehandlung auswählen

Material, Technologie und Oberflächenbeschaffenheit sollten von Anfang an berücksichtigt werden, da diese Faktoren die CAD-Konstruktion beeinflussen. Die endgültige Auswahl kann jedoch nach der Konstruktionsphase getroffen werden.

Bauen

Eine verwendbare CAD-Datei und eine Liste der Materialien, Technologien und Oberflächenbeschaffenheiten sollten an den Prototypenspezialisten gesendet werden, der dann mit der Herstellung des Prototyps beginnen kann.

Prototyp erneut

Sobald der Prototyp seinen Zweck erfüllt hat, kann es je nach aktuellem Stand des Produktentwicklungsplans notwendig sein, einen weiteren zu entwickeln. Beispielsweise kann ein validiertes Konzeptmodell durch einen mechanischen Prototyp ersetzt werden.

3ERP ist Spezialist für Rapid Prototyping und hat bereits mit einer Vielzahl von Kunden aus unterschiedlichsten Branchen zusammengearbeitet. Kontaktieren Sie uns für ein kostenloses Angebot.