Was ist der Prototyp und seine Funktion? Wie viele Möglichkeiten gibt es, einen Prototypen zu erstellen?

Prototypen ist ein wesentlicher Bestandteil des Produktentwicklung prozesses; es war jedoch oft ein Hindernis. Rapid Prototypen ist ein Verfahren zur Herstellung von Gegenständen aus Kunststoff, Metall oder Keramik. Im Englischen auch unter dem Namen „Additiv Technologie oder abtragenden Technology“ bekannt, da beim 3D-Druck-Herstellung verfahren Material Schicht für Schicht hinzugefügt wird. Und die CNC-Bearbeitung (Drehen und Fräsen) ist eine Schicht für Schicht der subtraktiven Technologie.

Produkt designer und Ingenieure erstellten mit einfachen Werkzeugen provisorische Proof-of-Concept-Modelle, aber die Erstellung von funktionalen Prototypen und die Erstellung hochwertiger Teile erforderten oft die gleichen Prozesse wie die Endprodukte. Herkömmliche Herstellungsverfahren wie Spritzguss erfordern teure Werkzeuge und Einrichtung, was für kundenspezifische Prototypen in kleinen Stückzahlen unerschwinglich ist.

In einigen Fällen mit physikalischen Eigenschaften, die denen ähneln, die mit herkömmlichen Verfahren wie Spritzgießen und Extrusion oder Blasformen hergestellt würden. Auf diese Weise wird vermieden, teure Formen herzustellen, um einen Prototyp herzustellen, der seine Form ändern könnte. Ursprünglich wurde Rapid Prototyping nur für das Prototyping verwendet.

Rapid Prototyping hilft Unternehmen, ihre Ideen in realistische Machbarkeitsstudien zu verwandeln. diese Konzepte in High-Fidelity-Prototypen umwandeln, die das gleiche Aussehen und Gefühl wie die Endprodukte haben, und die Produkte durch eine Reihe von Validierung stufen bis zur Kettenproduktion führen.

Mit Rapid Prototyping können Designer und Ingenieure schneller als je zuvor direkt aus CAD-Daten (Computer-Aided Design) Prototypen erstellen und ihre Designs basierend auf tatsächlichen Tests und Feedback schnell und häufig überprüfen.

In diesem Leitfaden erfahren Sie, wie Rapid Prototyping in den Produktentwicklung prozess integriert werden kann, welche Anwendungen es gibt und welche Rapid Prototyping-Tools den Produktentwicklung teams derzeit zur Verfügung stehen.

Was ist Rapid Prototypen?

Rapid Prototypen ist eine Reihe von Techniken, die verwendet werden, um schnell ein maßstabsgetreues Modell eines Teils oder einen physischen Satz von Teilen aus dreidimensionalen CAD-Daten (Computer Aided Design) herzustellen. Da diese Teile oder Baugruppen in der Regel mit additiven Fertigungs techniken und nicht mit traditionellen subtraktiven Methoden hergestellt werden, ist das Konzept eng mit der additiven Fertigung und dem 3D-Druck verbunden.

Die additive Fertigung ist perfekt für das Rapid Prototyping. Es bietet nahezu unbegrenzte Formfreiheit, erfordert keine Werkzeuge und kann Teile mit mechanischen Eigenschaften herstellen, die denen verschiedener Materialien mit traditionellen Herstellung verfahren sehr ähnlich sind. 3D-Druck technologien gibt es seit den 1980er Jahren, aber in den meisten Fällen beschränkten ihre hohen Kosten und ihre Komplexität ihren Einsatz auf große Unternehmen oder zwangen kleinere Unternehmen, die Produktion an spezialisierte Dienste auszulagern und zwischen den einzelnen Iterationen wochenlang zu warten.


Das Aufkommen des Desktop- und Arbeits-3D-Drucks hat diese Situation verändert und eine zunehmende Akzeptanz dieser Technologie gefördert, die keine Anzeichen für ein Aufhören zeigt. Mit dem 3D-Druck vor Ort können Ingenieure und Designer schnell zwischen digitalen Designs und physischen Prototypen wechseln. Es ist jetzt möglich, an einem Tag Prototypen zu erstellen und mehrere Design-, Größen-, Form- oder Montage iterationen basierend auf tatsächlichen Test- und Analyseergebnissen durchzuführen. Letztendlich hilft der Rapid Prototyping-Prozess Unternehmen dabei, bessere Produkte schneller als die Konkurrenz auf den Markt zu bringen.

Vorteile des Rapid Prototyping

Konzepte schneller erstellen und erforschen

Rapid Prototyping macht aus ersten Ideen risikoarme Konzept explorationen mit realen Produkten im Handumdrehen. Es ermöglicht Designern, über die virtuelle Visualisierung hinauszugehen und macht es einfacher zu verstehen, wie ein Design aussieht und wie es sich anfühlt, sowie Konzepte zu vergleichen.

Kommunizieren Sie Ihre Ideen effektiv

Physische Modelle geben Designern die Möglichkeit, ihre Konzepte mit Kollegen, Kunden und Mitarbeitern zu teilen, um Ideen auf eine Weise zu vermitteln, die durch einfaches Betrachten von Designs auf einem Bildschirm nicht möglich ist. Rapid Prototyping ermöglicht es, klare und nützliche Informationen vom Benutzer zu erhalten, die für Entwickler unerlässlich sind, um die Benutzer bedürfnisse zu verstehen und ihre Designs zu verfeinern und zu verbessern.

Iterativ entwerfen und Änderungen sofort einarbeiten
Design ist immer ein iterativer Prozess, der mehrere Zyklen des Testens, der Bewertung und der Verfeinerung erfordert, bevor ein Endprodukt erreicht wird. Rapid Prototyping mit 3D-Druck bietet die Flexibilität, realistische Prototypen schneller zu erstellen und Änderungen sofort umzusetzen, wodurch dieser entscheidende Trial-and-Error-Prozess verbessert wird.

Ein gutes Modell ist ein 24-Stunden-Designzyklus: Entwerfen Sie während der Geschäftszeiten, lassen Sie die Prototypen teile über Nacht in 3D drucken und führen Sie am nächsten Tag die Proben durch, ändern Sie das Design und beginnen Sie von vorne.

Sparen Sie Zeit und Geld
Beim 3D-Druck müssen Sie nicht in teure Werkzeuge und Installationen investieren. Mit der gleichen Ausrüstung können unterschiedliche Geometrien hergestellt werden. Durch das schnelle Prototyping vor Ort entfallen die hohen Kosten und Vorlaufzeiten, die mit dem Outsourcing verbunden sind.

Führen Sie umfangreiche Tests durch und minimieren Sie Konstruktion fehler
In der Produktentwicklung und -fertigung kann das frühzeitige Auffinden und Beheben von Konstruktion fehlern Unternehmen dabei helfen, kostspielige Konstruktion prüfungen und Werkzeugänderungen während des gesamten Prozesses zu vermeiden.

Rapid Prototyping ermöglicht es Ingenieuren, Teile, die genauso aussehen und funktionieren wie die Endprodukte, gründlich zu testen, um das Risiko von Problemen mit der Benutzerfreundlichkeit oder Herstellbarkeit zu reduzieren, bevor sie in die Produktion gehen.

Rapid Prototyping-Anwendungen
Dank der verschiedenen verfügbaren Technologien und Materialien unterstützt Rapid Prototyping Designer und Ingenieure während der gesamten Produktentwicklung, von den ersten Konzept modellen über das Engineering, die Validierung prüfung und die Produktion.

Proof of Concept Prototypen und Konzept modelle
Konzept- oder Proof-of-Concept-Modell prototypen helfen Produkt designern, Ideen und Annahmen zu validieren und die Machbarkeit eines Produkts zu testen. Physische konzeptionelle Modelle dienen dazu, Aktionären eine Idee zu präsentieren, Diskussionen anzuregen und die Annahme oder Ablehnung der Idee durch risikoarme Konzeptuntersuchungen zu beeinflussen.

Das Proof-of-Concept-Prototyping erfolgt früh im Produktentwicklung prozess, und diese Prototypen bieten die minimale Funktionalität, die erforderlich ist, um Annahmen zu validieren, bevor das Produkt in die nächsten Entwicklungsstufen überführt wird.

Der Schlüssel zu einer erfolgreichen konzeptionellen Modellierung ist Geschwindigkeit. Designer müssen eine große Anzahl von Ideen generieren, bevor sie physikalische Modelle erstellen und ausarbeiten können. In dieser Phase sind Benutzerfreundlichkeit und Qualität weniger wichtig und die Teams verwenden so oft wie möglich kommerzielle Teile.

3D-Drucker sind ideale Werkzeuge, um konzeptionelle Modelle zu erstellen. Die Vorlaufzeit für die Konvertierung einer Computerdatei in einen physischen Prototyp ist unschlagbar, sodass Designer mehr Konzepte schneller testen können.
Anders als die meisten Werkstatt und Fertigungswerkzeuge, Desktop 3D-Drucker sind für Büros zugeschnitten, wodurch die Notwendigkeit für einen dedizierten Büroflächen zu beseitigen.

	MODELADO POR DEPOSICIÓN FUNDIDA (FDM)	STEREOLITHOGRAPHIE (SLA)	Selektives Lasersintern (SLS)	CNC-WERKZEUGE
Druckvolumen	Bis zu 300 × 300 × 600 mm (Desktop- und Arbeits-3D-Drucker)	Bis zu 300 × 335 × 200 mm (Desktop- und Arbeits-3D-Drucker)	Bis zu 165 × 165 × 300 mm (industriell arbeitende 3D-Drucker)	Hängt vom Werkzeug ab
Materialien	Standard-Thermoplaste wie ABS, PLA und deren verschiedene Mischungen.	Sorten von Harz (Duroplaste). Technische Standard kunststoffe (ähnlich ABS, Polypropylen und Silikon; flexibel, temperaturbeständig, steif), für Guss-, Dental- und Medizin anwendungen (biokompatibel).	Technische Thermoplaste, typischerweise Nylon und seine Verbindungen (Nylon 12 Powder ist biokompatibel und sterilisierbar).	Kunststoffe, Weichmetalle, Hartmetalle (Industriemaschinen), Holz, Acryl, Stein, Glas, Verbundwerkstoffe.
Anwendungen	Einfache Proof-of-Concept-Modelle, kostengünstiges Prototyping für einfache Teile.	Schnelle Prototypen, hochpräzise ästhetische Prototypen und funktionale Prototypen, die enge Toleranzen und glatte Oberflächen erfordern.	Komplexe Geometrien, Funktionsprototypen und technische Prototypen.	Einfache Konstruktionen, Strukturteile und Metall komponenten.
Preisklasse	Die günstigsten Drucker und 3D-Druckgeräte beginnen bei einigen hundert Dollar. Desktop-Drucker höherer Qualität und mittlerer Preisklasse beginnen bei 2.000 US-Dollar und Industrie systeme beginnen bei 15.000 US-Dollar.	Professionelle Drucker beginnen bei 3.500 US-Dollar und großformatige Auftragsdrucker bei 11.000 US-Dollar, während industrielle Großmaschinen bei 80.000 US-Dollar beginnen.	Industrielle Arbeitssysteme können ab 18.500 US-Dollar erworben werden und traditionelle Industriedrucker sind ab 100.000 US-Dollar erhältlich.	Kleine CNC-Maschinen beginnen bei etwa 2.000 US-Dollar, aber professionelle Werkzeuge gehen weit darüber hinaus. Einfache Graviermaschinen sind für weniger als 500 US-Dollar erhältlich, während Laserschneider der mittleren Preisklasse bei 3.500 US-Dollar beginnen. Wasserstrahlschneider können ab rund 20.000 US-Dollar erworben werden.

Funktionale Prototypen

Parallel zum industriellen Designprozess arbeiten Ingenieurteams an einer weiteren Reihe von Prototypen, um die mechanischen, elektrischen und thermischen Systeme, aus denen das Produkt besteht, zu testen, zu iterieren und zu verfeinern. Diese Funktion prototypen mögen anders aussehen als das Endprodukt, verfügen jedoch über die grundlegenden Technologien und Funktionen, die entwickelt und getestet werden müssen.

Oft werden diese Grundfunktionen in separaten Untereinheiten entwickelt und getestet, bevor sie in einen einzigen Produkt prototyp integriert werden. Dieser Subsystem-Ansatz isoliert Variablen, was es den Teams erleichtert, Verantwortlichkeiten aufzuteilen und die Zuverlässigkeit auf einer detaillierteren Ebene sicherzustellen, bevor alle Elemente gebündelt werden.

Engineering-Prototypen
Beim Konstruktions prototyp kommen Design und Konstruktion zusammen, um eine minimal praktikable Version des endgültigen kommerziellen Produkts zu erstellen, das ein fertigungs orientiertes Design hat. Diese Prototypen werden verwendet, um Benutzerversuche im Labor mit einer ausgewählten Gruppe von Pilotanwendern durchzuführen, um den Werkzeug spezialisten in späteren Phasen die Produktionsabsicht zu vermitteln und als Demonstration in frühen Verkaufsgesprächen zu dienen.

In dieser Phase werden die Details immer wichtiger. Der 3D-Druck ermöglicht es Ingenieuren, High-Fidelity-Prototypen zu erstellen, die das Endprodukt genau darstellen. Dies macht es einfach, Design, Passform, Funktion und Herstellbarkeit des Produkts zu überprüfen, bevor in teure Werkzeuge investiert und in die Produktionsphase übergegangen wird, in der der Zeit- und Kostenaufwand für Änderungen immer unerschwinglicher wird.

Fortschrittliche 3D-Druck materialien sind in der Lage, das Aussehen, die Haptik und die Materialeigenschaften von Teilen zu reproduzieren, die mit traditionellen Herstellungsverfahren wie Spritzguss hergestellt wurden. Verschiedene Materialien können Teile mit präzisen Details und Texturen, glatten, reibungsarmen, weichen Oberflächen, steifen und robusten Gehäusen und transparenten Komponenten simulieren. 3D-gedruckte Teile können mit Sekundärprozessen wie Schleifen, Polieren, Lackieren oder Galvanisieren veredelt werden, um alle visuellen Merkmale eines endgültigen Teils zu reproduzieren. Sie können auch zu mehrteiligen und stofflichen Baugruppen kombiniert werden.

Technische Prototypen erfordern umfangreiche Usability- und Funktionstests, um zu sehen, wie sich ein Teil oder eine Baugruppe unter den Härten und Bedingungen des tatsächlichen Einsatzes verhält. Der 3D-Druck bietet technische Kunststoffe, mit denen leistungsstarke Prototypen hergestellt werden, die thermischen, chemischen und mechanischen Belastungen standhalten.

Validierungs- und Fertigungs tests
Rapid Prototyping ermöglicht es Ingenieuren, kleine Chargen, kundenspezifische Punktlösungen und Unterbaugruppen für Design-, Engineering- und Produkt validierung test projekte zu erstellen, die die Herstellbarkeit von Prototypen testen.

Der 3D-Druck macht es einfach, Toleranzen unter Berücksichtigung des aktuellen Herstellungsprozesses zu testen und umfangreiche Tests sowohl im eigenen Haus als auch im Einsatzumfeld durchzuführen, bevor es in die Serienfertigung geht.
Rapid 3D-gedruckte Werkzeuge können auch mit traditionellen Herstellungsverfahren wie Spritzgießen, Thermoformen oder Silikonformen kombiniert werden, um Produktionsprozesse durch Verbesserung ihrer Flexibilität, Agilität, Skalierbarkeit und Kosteneffizienz zu verbessern. Die Technologie bietet auch eine effiziente Lösung für die Erstellung von Testadaptern und -adaptern, da sie Funktionstests und Zertifizierung durch das Sammeln nützlicher Daten vereinfachen.

Beim 3D-Druck muss das Design nicht mit Produktion beginn enden. Rapid-Prototyping-Tools ermöglichen es Designern und Ingenieuren, ihre Produkte kontinuierlich zu verbessern und schnell und effizient zu handeln, um Probleme in der Kette mit Spann- und Vorrichtung anordnungen zu lösen, die Montage- oder Qualitäts kontrollprozesse verbessern.

CNC-Bearbeitung

Computerized Numerical Control (CNC) Werkzeuge sind subtraktive Fertigungsprozesse, im Gegensatz zu FDM, SLA oder SLS. Diese Prozesse beginnen mit Blöcken, Stäben oder Stäben aus massivem Kunststoff, Metall oder anderem Material, die durch Entfernen von Material durch Schneiden, Bohren, Bohren und Schleifen geformt werden.

Zu den CNC-Werkzeugen gehört die CNC-Bearbeitung, bei der Material auf zwei Arten vom Teil entfernt wird: mit einem rotierenden Werkzeug und dem feststehenden Teil (Fräsen) oder durch Drehen des Teils mit einem feststehenden Werkzeug (Drehen). Laserschneider verwenden einen Laser, um eine Vielzahl von Materialien mit hoher Präzision zu gravieren oder zu schneiden. Wasserstrahlschneider verwenden Wasser gemischt mit abrasiven Materialien und hohen Druck, um durch fast jedes Material zu schneiden. CNC-Drehmaschinen und -Fräsmaschinen können über mehrere Achsen verfügen, sodass sie komplexere Konstruktionen bearbeiten können. Für flache Teile eignen sich am besten Laser- und Wasserstrahlschneider.

CNC-Werkzeuge können Teile aus Kunststoffen, Weichmetallen, Hartmetallen (Industriemaschinen), Holz, Acryl, Stein, Glas, Verbundwerkstoffen formen. CNC-Werkzeuge sind komplizierter einzurichten und zu handhaben als Werkzeuge für die additive Fertigung, während einige Materialien und Konstruktionen möglicherweise spezielle Werkzeuge, Handhabung, Positionierung und Verarbeitung erfordern, was sie für Punktteile im Vergleich zu additiven Verfahren kostspielig macht.

Im Rapid Prototyping sind einfache Konstruktionen, Strukturteile, Metall komponenten und andere Teile ideal, die mit additiven Werkzeugen nicht realisierbar oder kostengünstig herstellbar sind.