Überlegene Metallprototypen bauen: Bewährte Methoden & Best Practices

Metallprototypen sind für Unternehmen in vielen Branchen wichtig – von Luft- und Raumfahrt bis Elektronik –, weil ein effektiver Metallprototyp zu einem besseren Endprodukt führen kann.

Dieser Artikel diskutiert die Bedeutung von Metallprototypen und betrachtet Situationen, in denen Metallprototyping gegenüber Kunststoffprototyping vorzuziehen ist.

Er behandelt auch verschiedene effektive Methoden zur Erstellung von Metallprototypen: CNC-Bearbeitung, 3D-Druck (additive Fertigung), Blechumformung, Gießen und Extrusion. 3ERP verfügt über die Fähigkeit, mehrere Prozesse zu kombinieren und die beste Lösung für Ihre Metallprototypenbedürfnisse anzubieten.

Was ist ein Metallprototyp?

In der Fertigungswelt ist ein Prototyp ein Mock-up oder Entwurf eines Teils. Prototypen werden lange vor Beginn der Fertigung erstellt, um Designern das Testen und Entwickeln des Teils zu ermöglichen.

Je nach verwendetem Fertigungsprozess können Prototypen aus verschiedenen Materialien hergestellt werden.

Metallprototypen sind Prototypen, die mit einer Metallfertigungstechnik wie CNC-Bearbeitung, Gießen oder Blechumformung erstellt werden. Sie können aus Aluminium, Stahl oder jedem anderen vom Engineering-Team gewählten Material bestehen.

Obwohl Metall oft für Vorproduktionsprototypen verwendet wird – fortgeschrittene Prototypen, die das finale Teil eng imitieren –, kann es auch für Frühphasenprototypen eingesetzt werden.

Metall kann aus funktionalen oder ästhetischen Gründen vorzuziehen sein – oder beides.

Warum einen Metallprototyp statt eines Kunststoffprototyps erstellen?

In manchen Situationen erstellen Ingenieure Kunststoffprototypen für Teile, die schließlich in Metall gefertigt werden sollen.

Das kann viele Gründe haben. Zum einen haben viele Prototypen keine funktionale oder mechanische Rolle, sodass es keine Rolle spielt, ob sie bestimmte Eigenschaften wie Festigkeit, Duktilität und Leitfähigkeit besitzen.

Und wenn die Materialeigenschaften eines Prototyps unwichtig sind, ist es sinnvoll, den Prototyp mit einem günstigen, leicht verfügbaren Material herzustellen. In vielen Fällen ist Kunststoff die günstigste Option.

Aber manche Prototypen haben besondere Funktionen.

Funktionale Prototypen, Hybridprototypen und Vorproduktionsprototypen müssen alle irgendeine Rolle erfüllen, was bestimmte Materialeigenschaften erfordern kann. Metall ist oft der beste Lieferant dieser Eigenschaften.

Und sogar nicht-funktionale Prototypen können von Metall profitieren. Looks-like-Prototypen, die ein Konzept demonstrieren, sehen oft besser aus, wenn sie aus Metall gefertigt sind – besonders wenn das Teil später in Serie in Metall gefertigt wird.

Metallprototyping kann daher die Chancen auf frühe Investitionen und kommerziellen Erfolg erhöhen.

Der Bau eines Metallprototyps hat auch wichtige langfristige Kostenvorteile.

Wenn das Teil schließlich in Metall in Serie gefertigt wird, ist es relativ einfach, einen Metallprototyp in ein metallisches Fertigprodukt zu überführen. Ein 3D-gedruckter Kunststoffprototyp lässt sich dagegen nicht einfach in ein metallisches Serienteil umwandeln.

Vorteile von Metallprototypen:

• Bessere mechanische/funktionale Leistung
• Genauere Tests
• Bessere Ästhetik
• Höhere Chance auf Investoreninteresse
• Einfacherer Übergang zur Serienproduktion

Welche Methode ist die beste für Ihre Metallprototypen?

Aufgrund ihrer Geometrie, Toleranz oder Stückzahl eignen sich manche Metallprototypen nur für einen Fertigungsprozess, wie CNC-Bearbeitung oder 3D-Druck.

Die meisten Teile können jedoch mit einer Reihe verschiedener Methoden hergestellt werden.

In diesem Fall müssen wir herausfinden, welche Methode die beste ist – in Bezug auf das beste mechanische Ergebnis sowie minimalen Kosten und Fertigungszeit. Hier sind kurze Einführungen in einige gängige Techniken zur Herstellung von Metallprototypen:

Metallbearbeitungsprototypen (CNC)

CNC-Bearbeitung ist ein ziemlich erschwinglicher Weg, Metallprototypen zu erstellen.

Eine CNC-Maschine nutzt Computerinstruktionen, um ein Metallschneidwerkzeug zu führen, das präzise Materialabschnitte aus einem Metallblock entfernt.

Bearbeitung ist ein nützliches Prototyping-Werkzeug, da digitale CAD-Designs zwischen Prototypen leicht geändert werden können, was einen effizienten Workflow ergibt. Es ist auch einfach, Duplikate zu erstellen oder das Design an andere Parteien zu verteilen.

Der Prozess ist auch mit einer Reihe von Metallen kompatibel – wobei bestimmte Aluminiumlegierungen oft die beste Kombination aus Wert und Zerspanbarkeit bieten.

CNC-gefertigte Prototypen sind ziemlich erschwinglich, da sie kein Werkzeug erfordern und somit keine Mindestbestellmenge haben. Allerdings gibt es aufgrund der subtraktiven Natur des Prozesses etwas Materialverschnitt.

In Bezug auf Designfreiheit bieten 4-Achs- und 5-Achs-CNC-Maschinen außergewöhnliche Flexibilität für die Erstellung komplexer Teile mit detaillierten Merkmalen.

Vorteile:

Geringe Kosten, Designfreiheit, Materialauswahl

Nachteile:

Etwas Materialverschnitt

Hier sind einige Beispiele für Metallbearbeitungsprototypen, die von 3ERP erstellt wurden. Dies dient nur als grobe Vorstellung der für CNC-Bearbeitung geeigneten Teilarten.

 

Metall-3D-Druck-Prototypen

3D-Druck ist ein weiterer ziemlich erschwinglicher Weg, Metallprototypen zu erstellen, obwohl Metall-Additive-Fertigungsmaschinen deutlich teurer sind als FDM-3D-Drucker, die nur Kunststoffe drucken.

3D-gedruckte Metallprototypen können mit AM-Technologien wie Selektives Laserschmelzen (SLM) und Direktes Metall-Lasersintern (DMLS) hergestellt werden.

Wie bei der CNC-Bearbeitung nutzt 3D-Druck digitale Designs als Input, was schnelle Designänderungen ermöglicht.

Einer der größten Vorteile des Metall-3D-Drucks ist geometrische Flexibilität. 3D-gedruckte Metallprototypen können sehr komplexe Merkmale haben, einschließlich komplexer interner Bereiche, da sie Schicht für Schicht aufgebaut werden, nicht aus einem massiven Block herausgeschnitten.

Metallprototypen können eine weniger beeindruckende Oberflächenqualität als andere Formen von Metallprototypen haben, obwohl gute Oberflächenveredelungsbehandlungen dieses Problem mildern können.

Mehrere Metalle sind in AM-Pulverform verfügbar, aber die Optionen sind weniger vielfältig als bei anderen Prozessen.

Vorteile:

Geringe Kosten, Designfreiheit

Nachteile:

Teilfestigkeit, Materialauswahl

Aufgrund von Unterschnitten und inneren Kanälen sind dies typische Teile, für die Sie keine bessere Option als 3D-Druck haben.

Blechprototypen

Blechbearbeitung ist eine Gruppe von Prozessen, die sich mit Schneiden, Umformen und Montieren von Metallblechen befasst. Sie wird verwendet, um funktionale Artikel wie Halterungen, Gehäuse und Industrieteile herzustellen.

Für Blechprojekte kann es sinnvoll sein, einen funktionalen Metallprototyp mit denselben Blechtechniken zu erstellen, die während der Produktion verwendet werden.

Blechumformprozesse umfassen Laserschneiden, Stanzen, Biegen, Spinnen und Schweißen.

Blechprototypen sind garantiert stark und von hoher Qualität. Sie können jedoch teurer sein als Alternativen, wenn mehrere Umformprozesse erforderlich sind.

Ein Prototyp eines rechtwinkligen Winkels mit Löchern erfordert beispielsweise möglicherweise drei separate Maschinen: Laserschneider, Abkantpresse und Stanzmaschine, während ein ähnlicher Prototyp mit nur einer CNC-Maschine oder einem 3D-Drucker hergestellt werden könnte.

Blechbearbeitung kann besonders nützlich sein, wenn mehrere Exemplare des Prototyps benötigt werden.

Vorteile:

Serienqualität, Vielfalt an Fertigungsprozessen

Nachteile:

Zeitaufwand, Begrenzte Designfreiheit

Metallguss-Prototypen

Gießen ist der Prozess, flüssiges Metall in eine Form zu gießen, um ein Teil zu formen.

Metallguss wird normalerweise nicht als Prototyping-Prozess betrachtet, da er Spezialausrüstung erfordert und die Formenherstellung arbeitsintensiv und teuer ist. Es ist daher nicht wirtschaftlich, eine Form für nur ein oder zwei Prototypen zu erstellen.

Es gibt jedoch spezielle Wege, Metallprototypen per Guss herzustellen.

Beim Feinguss können wir beispielsweise einen 3D-Drucker nutzen, um ein Wachsmodell zu erstellen, das dann für eine erschwingliche Gussform verwendet werden kann.

Beim Druckguss können wir die Werkzeugkosten auf verschiedene Weise senken. Eine Methode ist, eine einfache Form zu erstellen und feine Details nach dem Guss per CNC-Maschine hinzuzufügen. (Diese Methode funktioniert nur in kleinen Mengen; die Nachbearbeitung von tausenden Teilen würde zu lange dauern.)

Gegossene Metallprototypen sind relativ teuer, aber das Werkzeug kann für die Brückenproduktion beibehalten werden, was langfristig Geld sparen kann.

Vorteile:

Extrem starke Teile, Serienqualität

Nachteile:

Erfordert teures Werkzeug, Spezialausrüstung nötig

Metall-Extrusionsprototypen

Metall-Extrusion ist eine weitere Metallbearbeitungstechnik, die normalerweise nicht als Prototyping-Prozess betrachtet wird.

Beim Extrusionsprozess wird Material durch eine geformte Öffnung in einer Matrize gepresst, wodurch ein langgestrecktes Teil mit gleichmäßigem Querschnitt entsteht.

Die meisten Extrusionsunternehmen befassen sich nur mit Großserienaufträgen, und Einzelprototypen lohnen sich für sie nicht.

Es kann jedoch manchmal sinnvoll sein, Metall-Extrusion für Metallprototypen zu nutzen, und 3ERP ist einer der wenigen Anbieter solcher Dienstleistungen.

Extrusion wird fast ausschließlich an Aluminiumlegierungen durchgeführt und eignet sich für einfache Teile wie Metallstäbe, Halterungen und Verbinder.

Der Prozess eignet sich für Test- und Vorproduktionsprototypen, bei denen der Extrusions-Metallprototyp das finale Teil eng imitiert. Er wird nicht für Teile empfohlen, die mit einer anderen Technik produziert werden sollen.

Vorteile:

Serienqualität

Nachteile:

Begrenztes Materialspektrum

3ERP hat eine starke Lieferkette für die meisten Fertigungsprozesse aufgebaut und verfügt auch über die Fähigkeit, mehrere Prozesse zu kombinieren. Wir können daher die beste Lösung für Ihre Metallprototypen bieten. Kontaktieren Sie 3ERP noch heute für ein kostenloses Angebot.