Prototyping ist ein wesentlicher Bestandteil des Produktentwicklungsprozesses. Traditionell bedeutete dies lange Vorlaufzeiten und hohe Kosten oder das improvisierte Herstellen von Bauteilen mit geringer Genauigkeit und nur entferntem Bezug zum tatsächlichen Endprodukt.
Hier kommt das Rapid Prototyping ins Spiel.
Doch worin liegt der Unterschied zwischen Rapid Prototyping und „gewöhnlichem“ Prototyping?
Schon der Name verrät: Rapid Prototyping ist ein schneller Weg, Bauteile zu fertigen. Die Geschwindigkeit ist auch der Hauptunterschied zum herkömmlichen Prototyping.
Doch das erklärt nicht, warum die Fertigung so viel schneller geworden ist.
Die Herstellung von Kunststoffprototypen erforderte früher hohe Anfangsinvestitionen. Die Anfertigung einer Form für das Spritzgießen sowie die Produktion eines funktionalen, dem Endprodukt ähnlichen Teils waren sehr kostenintensiv.
Erst durch technologische Fortschritte konnte das „Rapid“ Einzug halten. Additive Fertigungsverfahren wie 3D-Druckservices haben den Zeit- und Kostenaufwand für die Produktion kleiner Stückzahlen oder einzelner Komponenten drastisch reduziert.
Auch Rapid Prototyping für Metallteile ist technologisch durch 3D-Druck möglich. Allerdings sind entsprechende Maschinen selten und die Kosten im Vergleich zur CNC-Bearbeitung deutlich höher.
Im Zusammenhang mit Rapid Prototyping ist auch oft von CNC-Bearbeitung die Rede. Hier geht es um verschiedene Möglichkeiten: Bereits seit einiger Zeit können CAD/CAM-Programme digitale Modelle in G-Code für die Fertigung umwandeln. Diese Entwicklung hat Kosten und Zeitaufwand enorm beeinflusst.
Hinzu kommt, dass immer mehr Anbieter CNC-Bearbeitungsservices online mit Sofortangebot für CAD-Modelle bereitstellen. Dadurch entfällt ein Großteil der administrativen Schritte und Kosten, die mit einer Bestellung verbunden sind, und der Weg vom Konzept zum ersten Testteil wird erheblich verkürzt.
Gleiches gilt für Blechbearbeitung, denn 3D-Modelle können sekundenschnell für Zuschnitt und Abkanten kalkuliert werden.
Während sich an den eigentlichen Fertigungsmethoden nichts ändert, wurde der gesamte Prozess für Prototypen wie auch für die Serienfertigung deutlich schlanker und schneller gestaltet.
Das Ziel industrieller Innovation ist die Maximierung des Umsatzes durch effizientere Fertigungsverfahren. Rapid Prototyping bietet dabei zahlreiche Vorteile: Es senkt die Kosten, beschleunigt Abläufe und verkürzt die Markteinführungszeit.
Sie benötigen die Bauteile innerhalb einer Woche? Kein Problem.
Kleine 3D-gedruckte Teile lassen sich oft innerhalb weniger Stunden fertigen. Das neue Verfahren hat die eigentliche Fertigungszeit massiv reduziert.
Auch bei CNC-Bearbeitung und Laserschneiden hat der Automatisierungsgrad die Geschwindigkeit und die Kosten maßgeblich beeinflusst. Die Fähigkeit, CAD-Dateien für automatische Preisermittlung, Maschinenrüstungen und Erstellung von Schneidprogrammen zu nutzen, treibt diesen Wandel voran.
Egal für welchen Service Sie sich entscheiden – eine Lieferzeit von weniger als einer Woche ist realistisch und kann den gesamten Produktentwicklungsprozess massiv beschleunigen.
Die Online-Verfügbarkeit dieser Dienstleistungen bedeutet, dass Sie keine Zeit mehr für die Eigenfertigung aufwenden müssen und gleichzeitig den Aufwand für die Fremdvergabe der Produktion minimieren.
Beim 3D-Druck lohnt sich aufgrund des technologischen Fortschritts und sinkender Gerätepreise oft sogar der Kauf eines eigenen Druckers.
Die automatisierte Prozessgestaltung senkt zudem die Betriebskosten der Maschinen.
Fairerweise hat bereits die Einführung von CAD-Software einen großen Fortschritt gegenüber technischen Zeichnungen gebracht. Mit wenigen Klicks lassen sich Entwürfe ändern, drehen, auf Zusammenbauprobleme prüfen und visualisieren. Doch das ersetzt nicht die reale Erfahrung.
Ein Produkt im Konzeptstadium physisch zu begreifen, kann Schwachstellen aufdecken und neue Ideen fördern. Auch andere Beteiligte können Ihre Vision so besser nachvollziehen.
Gerade bei der Präsentation vor Kunden oder Investoren kann eine greifbare Visualisierung entscheidend sein.
Das ist der Hauptzweck von Rapid Prototypes: In kurzer Zeit verschiedenste Lösungen prüfen, um die Produktentwicklung effizienter und das Endprodukt zuverlässiger zu machen.
Getestet werden dabei sowohl das Design als auch die Funktionalität. Ersteres ermöglicht ein besseres Verständnis der realen Abmessungen, letzteres erlaubt Proben unter realen Bedingungen.
Durch das Testen verschiedener Materialien für gleiche Geometrien können Sie die wirtschaftlichste Lösung für die Serienfertigung ermitteln.
Bevor Sie in die Serienproduktion gehen, sollten alle Schwachstellen beseitigt sein – Rapid Prototyping hilft dabei.
Technisch betrachtet stehen beim Rapid Prototyping meist 3D-Druck und CNC-Bearbeitung im Fokus. Obwohl es hier um Prototypen geht, sind diese Verfahren auch für die Serienfertigung geeignet.
Ein großer Vorteil ist die Flexibilität dieser Technologien. Sie ermöglichen die Fertigung höchst komplexer Bauteile, etwa aus generativen Designmethoden. Diese fortschrittliche CAD-Funktion erlaubt es Ingenieuren, Bauteile hinsichtlich Materialeinsatz und Kosten zu optimieren – besonders relevant für Branchen wie Automobil- oder Luftfahrtindustrie.
Wir beginnen mit den verschiedenen additiven Fertigungsverfahren und fahren dann mit traditionellen Methoden wie CNC-Bearbeitung und Laserschneiden fort, um zu zeigen, wie diese für Rapid Prototyping genutzt werden können.
Ein 3D-Druckverfahren, das Bauteile Schicht für Schicht mittels photochemischer Reaktionen herstellt.
Stereolithografie, auch Resin-Druck genannt, nutzt einen UV-Laser, der gezielt auf ein Bad aus Photopolymerharz trifft. Der 3D-Drucker erhält alle Informationen aus der CAD-Datei und steuert damit den Laser. Beim Kontakt härtet das Harz aus und bildet eine Schicht des Prototyps.
Das Teil wird erneut ins Harz getaucht und die nächste Schicht gedruckt. Nach Abschluss müssen die Teile vom flüssigen Harz gereinigt und eventuell Stützstrukturen entfernt werden.
Ähnlich wie SLA ist Digital Light Processing ein 3D-Druckverfahren, das Photopolymerharz durch Lichteinwirkung aushärtet.
Der Hauptunterschied liegt in der Geschwindigkeit: DLP härtet jeweils eine komplette Schicht auf einmal aus, während SLA dies punktuell macht. Allerdings können gekrümmte Oberflächen bei DLP eine rauere Struktur aufweisen.
Ebenfalls ein additives Fertigungsverfahren: SLS arbeitet mit Materialpulver und einem Hochleistungslaser, um das finale Teil zu erzeugen.
Der Laser verschmilzt Kunststoff-, Glas-, Keramik- oder Metallpartikel Schicht für Schicht zu einem festen Objekt. Nach jeder Schicht wird eine weitere Pulverschicht (ca. 0,1 mm) aufgetragen.
SLS nutzt gepulste Laser, da die Bauteildichte vom Spitzenleistungswert abhängt. Das Pulver befindet sich stets in einem geheizten Zustand knapp unterhalb des Schmelzpunktes.
Ein Vorteil des Lasersinterns ist, dass keine zusätzlichen Stützstrukturen nötig sind – das Teil wird durch das umliegende Pulver stabilisiert.
Im Prinzip SLS sehr ähnlich, doch das Hauptunterscheidungsmerkmal liegt im Material: SLM oder Direct Metal Laser Sintering (DMLS) ist für Metalle geeignet.
Außerdem benötigt SLS geringere Temperaturen, während SLM das Metall tatsächlich schmelzen muss, um stabile Bindungen und homogene Bauteile zu erzeugen.
Auch bekannt als Fused Filament Fabrication – das wohl bekannteste 3D-Druckverfahren. Viele Hobbyanwender nutzen diese Maschinen für Rapid Prototyping.
Dabei wird ein kontinuierlicher Thermoplast-Filamentstrang durch den Extruderkopf erhitzt und schichtweise aufgetragen.
CNC-gesteuerte Motoren bewegen den Druckkopf entsprechend der Vorgaben. Die Oberflächenqualität ist meist niedriger als bei anderen Verfahren, doch die hohe Verfügbarkeit und niedrigen Kosten machen FDM sehr beliebt.
Bei komplexen Geometrien mit Überhängen sind Stützstrukturen erforderlich, die nach dem Druck entfernt werden.
1 – Material; 2 – beheizte Walze; 3, 4 & 5 – Lasereinheit; 6 – gedruckte Schichten; 7 – beweglicher Tisch; 8 – Abfall
Laminated Object Manufacturing, kurz LOM, verwendet thermoplastische Klebstoffe, um Schichten aus Bogenmaterial übereinander zu stapeln.
Das Material muss zunächst auf eine bestimmte Temperatur gebracht werden, damit der Klebstoff aktiviert wird. Eine beheizte Walze sorgt dafür, dass die neue Schicht fest mit der vorherigen verbunden wird.
Sobald die Schicht platziert ist, schneidet ein Laser sie in die gewünschte Form.
Ein weiteres additives Rapid Prototyping-Verfahren.
Hier gibt ein Tintenstrahlkopf flüssiges Bindemittel auf die oberste Pulverschicht. Nach Abschluss wird eine neue Pulverschicht aufgetragen und mit dem Bindemittel fixiert. So entsteht Schicht für Schicht das Bauteil.
Ein Nachteil dieser Technologie ist der relativ hohe Materialverbrauch – ein Teil des überschüssigen Pulvers kann wiederverwendet werden, aber nicht unbegrenzt oft.
Einige Pulverreste müssen nach dem ersten Fertigungsdurchlauf entsorgt werden.
Nun zu den traditionellen Fertigungsmethoden: CNC-Bearbeitung eignet sich hervorragend, um Prototypen aus verschiedensten Materialien – von Metall bis Kunststoff – herzustellen.
Online-Plattformen ermöglichen das Hochladen von CAD-Dateien für eine sofortige Preisauskunft. Diese Preisangaben sind zwar aktuell noch nicht immer marktgenau, sparen aber viel Zeit durch schnellere Abwicklung.
Gerade für Einzelstücke ist Online-CNC-Bearbeitung attraktiv. Mit zunehmender Marktreife werden die Preise auch für Großserien immer präziser kalkulierbar.
Auch die Blechbearbeitung ist inzwischen digitalisiert. Während CNC-Bearbeitung für Einzelteile oft aufwändige Rüstzeiten erfordert, sind Laserschneiden und Abkanten von Blechen mit gleichmäßiger Dicke deutlich unkomplizierter.
Online-Anbieter nutzen Datensätze ihrer Fertigungspartner, um marktgerechte Preise zu kalkulieren.
Blechprototypen sind ideal, um Designideen zu validieren. Sie können komplexe Konturen aus dem gewünschten Material (z. B. S355 statt Karton) fertigen und die Bauteile im Zusammenbau auf ihre strukturellen Eigenschaften überprüfen.
Rapid Prototyping bietet zahlreiche Methoden, um Designideen Realität werden zu lassen. 3D-Drucker liefern schnell greifbare Ergebnisse – die Wahl der Methode hängt jedoch stark vom Zweck des Prototyps im Entwicklungsprozess ab.
Alle 3D-Druckverfahren bieten unterschiedliche Qualitätsstufen. Durch gezielte Nachbearbeitung lässt sich ein überzeugendes Resultat erzielen.
Für nicht-strukturelle Teile, etwa ein Brillengestell, reicht Kunststoff oft aus, um Funktion und Design zu überprüfen. Strukturelle Bauteile hingegen müssen Belastungen standhalten – hier ist Metall als Werkstoff unverzichtbar.
Obwohl auch der 3D-Druck von Metall möglich ist, sind solche Services noch selten und teuer, da die entsprechenden Maschinen kaum verfügbar sind.
Bis die Preise sinken, bleibt CNC-Bearbeitung und andere Online-Metallfertigungsservices die wirtschaftlichste Lösung, um Ideen für Metallbauteile im Produktentwicklungsprozess zu testen.
Es handelt sich um eine Methode, Bauteile schnell mithilfe modernster Technologien – CAD/CAM-Fertigung, neue Herstellungsverfahren, Online-Services mit verkürzten Bestellzeiten usw. – herzustellen.
Die meisten Rapid-Prototyping-Verfahren fügen Material Schicht für Schicht zum Endprodukt hinzu. Das Gegenteil ist die subtraktive Fertigung, etwa CNC-Bearbeitung, bei der das Bauteil durch Abtragen von Material entsteht.
3D-Druck ist nur eine Möglichkeit zur Herstellung von Rapid Prototypen. Rapid Prototyping umfasst jedoch auch viele weitere Verfahren – beide Begriffe sind also nicht gleichbedeutend.
Wenn möglich, kann das Testprodukt für eine wirtschaftlichere Herstellung vereinfacht werden. Beispielsweise lassen sich Gewindebohrungen durch einfache Durchgangsbohrungen ersetzen, da diese leichter zu fertigen sind, ohne die Funktionalität in manchen Fällen zu beeinträchtigen.
