Wie man einen Prototyp herstellt

Wenn Sie ein Produkt entwickeln, kann Ihnen ein physischer Prototyp bei der Forschung, beim Testen, bei der Finanzierung und bei vielem mehr helfen. Und dank Rapid Prototyping-Dienstleistern wie DEK ist es ein Leichtes, in kurzer Zeit einen erschwinglichen Prototyp zu erstellen.

Manche Unternehmen zögern jedoch mit der Erstellung von Prototypen, 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.

Glücklicherweise ist die Erstellung eines Prototyps mit einem Partner wie der DEK einfach und schmerzlos. Dieser Leitfaden befasst sich mit den Grundlagen der Herstellung eines Prototyps und analysiert zwei große Kategorien von Prototypen: Konzeptmodelle und Funktionsprototypen. Er gibt auch einen Überblick darüber, wie das Rapid Prototyping-Verfahren in einer Prototypen-Fertigungsanlage funktioniert.

Was ist Rapid Prototyping?

Ein Prototyp ist ein Modell, ein Entwurf, ein Mockup oder eine frühe Version eines physischen Produkts, das vor der Produktion gebaut wird, und Rapid Prototyping ist der Prozess der Entwicklung eines Prototyps in kürzester Zeit.

Es gibt verschiedene Gründe, warum Unternehmen einen Prototyp entwickeln müssen, und es können verschiedene Technologien zu seiner Herstellung eingesetzt werden: Bei DEK konzentrieren wir uns auf CNC-Bearbeitung, 3D-Druck, Gießen, Guss und Blechfertigung. Manche Prototypen erfordern eine Kombination von Verfahren, wenn sie mehrere Komponenten enthalten.

Rapid Prototyping hilft Unternehmen, ihr Produkt schneller auf den Markt zu bringen. Durch den schnellen Bau des Prototyps kann das Unternehmen Prozesse wie Marktforschung und mechanische Tests, für die in der Regel Prototypen erforderlich sind, beschleunigen und die Endphase der Produktentwicklung eher früher als später erreichen.

Konzept Modelle

  • Schwerpunkt: Visuelle Attraktivität, Vermittlung grundlegender Ideen, geringstmögliche Kosten
  • Typische Verfahren: 3D-Druck, CNC-Bearbeitung, Vakuumguss, Blechbearbeitung, andere

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

Ein Prototyp, der zu visuellen Zwecken gebaut wird, kann als Konzeptmodell, Display-Prototyp oder Prototyp, der aussieht wie ein Prototyp, bezeichnet werden. Er kann verwendet werden, um potenziellen Investoren ein zukünftiges Produkt zu demonstrieren oder um Marktforschung über potenzielle Kunden zu betreiben. Er kann auch verwendet werden, um Ideen an andere interne Abteilungen eines Unternehmens zu vermitteln.

Da Konzeptmodelle nicht funktionsfähig sein müssen, ist es möglich, bestimmte Herstellungsverfahren zu verwenden, die bei der Produktion der endgültigen Teile möglicherweise nicht eingesetzt werden. Der Schwerpunkt liegt einfach darauf, einen gut aussehenden Prototyp zu einem möglichst niedrigen Preis herzustellen.

Aus diesem Grund wird der 3D-Druck manchmal für Konzeptmodelle verwendet: Die gedruckten Teile sind vielleicht nicht stark genug für die Endanwendung, aber sie können schnell und mit einem hohen visuellen Standard hergestellt werden. Auch das Vakuumgießen wird meist für optisch ansprechende Prototypen mit geringer Festigkeit verwendet. Abgesehen davon können CNC-Bearbeitung und Blechverarbeitung oft billiger und/oder für bestimmte Projekte besser geeignet sein, und es gibt ein hohes Maß an Flexibilität.

Unternehmen können auch billigere Materialien für ihr Konzeptmodell verwenden, da das Material keinen Kräften standhalten oder eine mechanische Funktion erfüllen muss. Um jedoch ein beeindruckendes Aussehen zu erhalten – um z.B. einen preiswerten Kunststoff metallisch erscheinen zu lassen – kann eine professionelle Oberflächenbearbeitung vorgenommen werden.

Funktionale Prototypen

  • Schwerpunkt: Validierung, mechanische Tests, Pre-Produktion
  • Typische Prozesse: CNC-Bearbeitung, Spritzguss, Blechbearbeitung, andere

Prototypen können auch funktional und nicht nur visuell sein. Funktionale Prototypen werden in der Regel gebaut, um physische Aspekte eines Produkts zu validieren – z. B. die Materialauswahl – oder um mechanische Tests durchzuführen. Sie können auch verwendet werden, um die Funktion des Produkts für interne Mitarbeiter, Kunden, Investoren usw. zu demonstrieren.

Wenn ein Funktionsprototyp zum Testen verwendet wird, kann er wenig Rücksicht auf die Ästhetik nehmen. Funktionsprototypen können zum Beispiel ungefärbt und unfertig sein oder bestimmte Merkmale und Details vermissen lassen. Prototypen in der Spätphase oder vor der Produktion können jedoch sowohl funktionale als auch ästhetische Merkmale enthalten, um dem Endprodukt so nahe wie möglich zu kommen.

Funktionsprototypen, die mechanischen Tests unterzogen werden, müssen in der Regel aus Materialien und Prozessen hergestellt werden, die denen der Produktion nahe kommen, sonst sind die Tests nicht sinnvoll.

Wenn der Prototyp auch Tests der Metallzusammensetzung unterzogen werden muss, ist die Wahl eines Materials in Produktionsqualität entscheidend. Produktionsverfahren wie CNC-Bearbeitung und Spritzguss werden häufig für funktionale Prototypen verwendet, da 3D-gedruckte Teile oft nicht die nötige Festigkeit aufweisen und in Bezug auf die mechanische Leistung nicht dem Serienteil entsprechen.

Bei nicht-demonstrativen Funktionsprototypen müssen Oberflächenveredelungen nur dann angebracht werden, wenn sie zur Funktion des Produkts beitragen, und Lackierungen, Aufbringen von Branding usw. können entfallen.

Das Rapid Prototyping-Verfahren

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

Was als Nächstes geschieht, hängt letztlich vom gewählten Herstellungsverfahren ab, das von der Art des Prototyps (Konzeptmodell vs. Funktionsmodell), dem benötigten Material und der Anzahl der benötigten Einheiten abhängt. Jeder Fall ist anders, und wir können mit dem Kunden zusammenarbeiten, um den besten Ansatz für jeden Rapid-Prototyping-Auftrag zu bestimmen.

Unabhängig vom Verfahren werden die Prototypen einer Qualitätskontrolle unterzogen und erhalten anschließend alle notwendigen Nachbearbeitungsschritte, wie das Entfernen des Trägermaterials und die Anwendung der gewünschten Oberflächenbehandlungen, wie Eloxieren oder Lackieren.

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

Im Folgenden finden Sie eine Übersicht über die verschiedenen Verfahren, die wir für das Rapid Prototyping verwenden.

CNC Bearbeitung

Bei CNC frästen 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 gut für das Rapid Prototyping, da es sich um einen einstufigen Prozess handelt: Es sind keine Werkzeuge erforderlich; das Rohmaterial geht hinein und der Prototyp kommt heraus. Das macht den Prozess sehr schnell und ermöglicht zudem die Herstellung von Prototypen in hoher Qualität und mit einem hohen Detailgrad.

Die maschinelle Bearbeitung ist auch in materieller Hinsicht vielseitig. Das Verfahren ist für Hochleistungsmetalle und Kunststoffe geeignet, und die bearbeiteten Teile können verschiedenen Oberflächenbehandlungen unterzogen werden.

3D Druck

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

Es gibt jedoch verschiedene Formen des 3D-Drucks, die Sie berücksichtigen müssen: FDM, SLS und SLA für Kunststoffteile, SLM und DMLS für Metallteile. Metall-AM-Verfahren können hochfeste Teile mit guter mechanischer Leistung herstellen und können daher für funktionale Prototypen verwendet werden.

Zu den Vorteilen des 3D-Drucks gehören komplexe Geometrien, niedrige Kosten und schnelle Durchlaufzeiten. Er eignet sich am besten für einmalige Prototypen und nicht für Kleinserien.

Vakuumgießen

Das Vakuumgießen, auch Urethangießen genannt, ist eine kostengünstige Alternative zum Spritzgießen, die bei geringen Stückzahlen viel günstiger ist als das Spritzgießen. Es eignet sich daher für das Rapid Prototyping, trotz der geringen mechanischen Leistungsfähigkeit der Teile.

Das Verfahren wird meist für Konzeptmodelle verwendet, da es eine qualitativ hochwertige Oberfläche erzeugt, die mit der des Spritzgusses vergleichbar oder sogar besser ist.

Spritzgießen

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

Sobald wir diese Metallform mit einem CNC-Bearbeitungszentrum im Schnellverfahren hergestellt haben, können wir mit der Herstellung der Kunststoffprototypen beginnen.

Aufgrund dieses zusätzlichen Fertigungsschritts ist das Spritzgießen nur dann wirklich kosteneffizient, wenn eine große Menge an Prototypen benötigt wird (siehe Überlegungen zur Größenordnung unten). Es hat jedoch viele Vorteile: hervorragende Oberflächengüte, gute Festigkeit und Ähnlichkeit mit den endgültigen Teilen.

Herstellung von Blechen

Blechprototypen können in einer Vielzahl von Metallen mit kurzen Durchlaufzeiten hergestellt werden. Diese Prototypen ähneln oft den Teilen für den Endverbraucher und können zu Testzwecken verwendet werden.

Die Blechverarbeitung eignet sich für spezielle Produkte wie Halterungen, Gehäuse und Paneele und wird in der Regel nicht austauschbar mit anderen Metallherstellungsprozessen verwendet.

Überlegungen zur Skalenökonomie

Die Wahl eines Herstellungsverfahrens hängt oft von der Anzahl der benötigten Einheiten ab. Manchmal ist es notwendig, einen Kompromiss zu schließen und ein anderes Verfahren zu wählen, wenn die Stückzahl wirtschaftlich nicht sinnvoll ist.

Obwohl es viele Ausnahmen gibt, vermittelt diese Tabelle eine grobe Vorstellung von der Anzahl der für bestimmte Prozesse geeigneten Einheiten. (Die Blechbearbeitung ist ausgeschlossen, da Blechteile und Prototypen in der Regel speziell für die Blechbearbeitung entwickelt werden).

Wie man einen Prototyp erstellt, Schritt für Schritt

Konzeptualisieren Sie

Der erste Schritt bei der Erstellung eines Prototyps ist die Entscheidung, was benötigt wird, bevor Sie ihn entwerfen. Diese Phase kann Marktforschung und ein Brainstorming über mögliche Anforderungen beinhalten.

Entwurf

Wenn Sie nicht nur ein grobes, handgefertigtes Modell benötigen, benötigen Sie CAD-Software, um einen Prototyp zu entwerfen. CAD ermöglicht exakte Wiederholungen und einfache Änderungen, und die Dateien können für die sofortige Produktion in ein maschinenlesbares Format konvertiert werden. Wer keine Erfahrung im Bereich Design hat, kann professionelle Produktdesignservices in Anspruch nehmen.

Wählen Sie Material, Technologie und Verarbeitung

Material, Technologie und Oberflächenbehandlung sollten von Anfang an berücksichtigt werden, da diese Faktoren das CAD-Design beeinflussen. Die endgültige Auswahl kann jedoch erst nach der Entwurfsphase getroffen werden.

Bauen Sie

Eine brauchbare CAD-Datei und eine Liste der Materialien, Technologien und Oberflächenbehandlungen sollten an den Prototyping-Spezialisten geschickt werden, der dann mit der Herstellung des Prototyps beginnen kann.

Erneut Prototyp

Sobald der Prototyp seinen Zweck erfüllt hat, kann es notwendig sein, einen weiteren zu entwickeln, je nachdem, in welchem Stadium der Produktentwicklung Sie sich befinden. So kann zum Beispiel ein Konzeptmodell nach seiner Validierung von einem mechanischen Prototyp abgelöst werden.

DEK ist ein Spezialist für Rapid Prototyping und hat mit einer Vielzahl von Kunden aus vielen Branchen zusammengearbeitet. Nehmen Sie Kontakt auf für ein kostenloses Angebot.

Autor

Austin Peng - Experte für Fertigung

Spezialisiert auf CNC-Bearbeitung, 3D-Druck, Urethanguss, Rapid Tooling, Spritzguss, Metallguss, Blech und Strangpressen