Gewinnbringenden Prototyp bauen: Schritt-für-Schritt-Anleitung für schnelle Produktentwicklung

Bei der Produktentwicklung hilft ein physischer Prototyp bei Forschung, Tests, Finanzierung und vielem mehr. Dank Rapid-Prototyping-Dienstleistern wie 3ERP lässt sich ein erschwinglicher Prototyp in kurzer Zeit erstellen.

Doch manche Unternehmen zögern mit dem Prototyping, weil sie nicht wissen, wo sie anfangen sollen: welche Technologien oder Materialien zu nutzen, oder welchen Prototyping-Partner sie wählen sollen.

Glücklicherweise ist die Prototypenerstellung mit einem Partner wie 3ERP unkompliziert und schmerzlos. Dieser Leitfaden behandelt die Grundlagen der Prototypenerstellung und analysiert zwei breite Prototypenkategorien: Konzeptionsmodelle und funktionale Prototypen. Er gibt auch einen Überblick, wie der Rapid-Prototyping-Prozess in einer Prototypen-Fertigungsstätte abläuft.

Was ist Rapid Prototyping?

Ein Prototyp ist ein Modell, Entwurf, Mockup oder frühe Version eines physischen Produkts, das vor der Produktion gebaut wird. Rapid Prototyping ist der Prozess der Prototypenentwicklung im kürzestmöglichen Zeitrahmen.

Es gibt verschiedene Gründe, warum Unternehmen Prototypen benötigen, und verschiedene Technologien zum Bau: Bei 3ERP fokussieren wir uns auf CNC-Bearbeitung, 3D-Druck, Formenbau, Gießen und Blechbearbeitung. Manche Prototypen erfordern eine Kombination von Prozessen, wenn sie mehrere Komponenten enthalten.

Rapid Prototyping hilft Unternehmen, ihr Produkt schneller auf den Markt zu bringen. Durch schnellen Prototypenbau beschleunigen sich Prozesse wie Marktforschung und mechanische Tests, in denen Prototypen allgemein erforderlich sind, und die finalen Phasen der Produktentwicklung werden eher erreicht.

Konzeptionsmodelle (Concept Models)

Fokus: Visuelle Ansprache, Kommunikation grundlegender Ideen, niedrigstmögliche Kosten

Typische Prozesse: 3D-Druck, CNC-Bearbeitung, Vakuumguss, Blechbearbeitung, andere

Viele Prototypen dienen visuellen oder ästhetischen Zwecken. Sie müssen nicht funktionieren, aber einen genauen visuellen Eindruck des Endprodukts vermitteln.

Ein für visuelle Zwecke gebauter Prototyp kann als Konzeptionsmodell, Display-Prototyp oder Looks-like-Prototyp bezeichnet werden. Er kann genutzt werden, um ein zukünftiges Produkt potenziellen Investoren zu demonstrieren, Marktforschung bei potenziellen Kunden durchzuführen oder Ideen an andere interne Abteilungen zu kommunizieren.

Da Konzeptionsmodelle nicht funktional sein müssen, können bestimmte Fertigungsverfahren genutzt werden, die für die Endteilproduktion ungeeignet wären. Der Fokus liegt rein auf einem gut aussehenden Prototyp zum niedrigstmöglichen Preis.

Daher wird 3D-Druck manchmal für Konzeptionsmodelle genutzt: Gedruckte Teile sind vielleicht nicht stark genug für Endverwendung, können aber schnell in hohem visuellen Standard gefertigt werden. Vakuumguss wird ebenfalls meist für niedrigfeste, optisch ansprechende Prototypen genutzt. CNC-Bearbeitung und Blechbearbeitung sind oft günstiger und/oder für bestimmte Projekte besser geeignet – große Flexibilität besteht.

Unternehmen nutzen für Konzeptionsmodelle auch günstigere Materialien, da das Material keine Kräfte aushalten oder mechanische Funktionen erfüllen muss. Um trotzdem einen beeindruckenden Look zu erzielen – z. B. günstigen Kunststoff metallisch wirken zu lassen – kann professionelle Oberflächenveredelung angewendet werden.

Ein Beispiel für ein Konzeptionsmodell

Funktionale Prototypen

Fokus: Validierung, mechanische Tests, Pre-Production

Typische Prozesse: CNC-Bearbeitung, Spritzguss, Blechbearbeitung, andere

Prototypen können auch funktional statt nur visuell sein. Funktionale Prototypen werden typischerweise gebaut, um physische Aspekte eines Produkts zu validieren – z. B. Materialauswahl – oder mechanische Tests durchzuführen. Sie können auch die Produktfunktion internen Mitarbeitern, Kunden, Investoren demonstrieren.

Wird ein funktionaler Prototyp für Tests genutzt, spielt Ästhetik oft eine untergeordnete Rolle. Er kann ungefärbt, unbearbeitet sein oder bestimmte Merkmale und Details fehlen. Späte oder Pre-Production-Prototypen können jedoch sowohl funktionale als auch ästhetische Merkmale enthalten, um dem Endprodukt so nah wie möglich zu kommen.

Funktionale Prototypen für mechanische Tests müssen generell aus Materialien und mit Prozessen gefertigt werden, die der Serienproduktion nahekommen, sonst sind die Tests nicht aussagekräftig.

Wenn auch kompositionelle Metalltests anstehen, ist die Wahl eines serienreifen Materials kritisch. Produktionsprozesse wie CNC-Bearbeitung und Spritzguss werden oft für funktionale Prototypen genutzt, da 3D-gedruckte Teile oft die nötige Festigkeit fehlt und die mechanische Performance des Serienteils nicht widerspiegeln.

Bei nicht-demonstrativen funktionalen Prototypen sind Oberflächenveredelungen nur nötig, wenn sie zur Funktion beitragen; Lackierung, Branding etc. können entfallen.

Ein Beispiel für einen funktionalen Prototyp

Der Rapid-Prototyping-Prozess

Bei 3ERP beginnt der Rapid-Prototyping-Prozess, sobald der Auftrag finalisiert und alle nötigen Informationen und digitalen Dateien vorliegen.

Der weitere Ablauf hängt vom gewählten Fertigungsverfahren ab, das wiederum vom Prototypentyp (Konzeptionsmodell vs. funktional), dem erforderlichen Material und der Stückzahl abhängt. Jeder Fall ist anders, und wir arbeiten mit dem Kunden zusammen, um den besten Ansatz für jeden Rapid-Prototyping-Auftrag zu bestimmen.

Unabhängig vom Prozess durchlaufen die Prototypen Qualitätskontrollen und erhalten nötige Nachbearbeitungsschritte wie Entfernen von Stützstrukturen und Anwenden gewünschter Oberflächenveredelungen (z. B. Eloxieren, Lackieren).

Prototypen werden so schnell wie möglich an den Kunden versendet, damit dieser die Produktentwicklung fortsetzen kann.

Nachfolgend ein Überblick der von uns für Rapid Prototyping genutzten Prozesse.

CNC-Bearbeitung

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

CNC-Bearbeitung eignet sich für Rapid Prototyping, da es ein Ein-Schritt-Prozess ist: Kein Werkzeugbau nötig; Rohmaterial rein, Prototyp raus. Das macht den Prozess sehr schnell und liefert Prototypen hoher Qualität mit hohem Detaillierungsgrad.

Zerspanung ist auch materialseitig vielseitig. Geeignet für Performance-Metalle und -Kunststoffe, und bearbeitete Teile können diverse Oberflächenveredelungen durchlaufen.

3D-Druck

3D-Druck, ein schichtweiser additiver Prozess, wird oft für Konzeptionsmodelle, selten für funktionale Prototypen genutzt.

Es gibt verschiedene 3D-Druck-Verfahren: FDM, SLS, SLA für Kunststoffteile; SLM, DMLS für Metallteile. Metall-AM-Prozesse können hochfeste Teile mit guter mechanischer Performance erzeugen und daher für funktionale Prototypen genutzt werden.

Vorteile: komplexe Geometrien, niedrige Kosten, schnelle Durchlaufzeiten. Am besten für Einzelprototypen statt Chargen geeignet.

Vakuumguss

Vakuumguss (auch Urethan-Guss) ist eine kostengünstige Alternative zum Spritzguss, die bei geringen Stückzahlen deutlich günstiger ist. Daher für Rapid Prototyping geeignet, trotz geringerer mechanischer Leistung der Teile.

Der Prozess wird meist für Konzeptionsmodelle genutzt, da er eine hochwertige Oberflächenqualität liefert, vergleichbar oder überlegen zum Spritzguss.

Spritzguss

Wenn Prototypen per Spritzguss gefertigt werden, muss zuerst eine Form gebaut werden. Das erfordert komplexes CAD-Design auf unserer Seite, wo wir eine invertierte Version des Prototyps mit nötigen Trennlinien, Angüssen etc. erstellen.

Nach Bau dieses Metallwerkszeugs per Rapid Tooling mit CNC-Bearbeitungszentrum können wir die Kunststoff-Spritzguss-Prototypen fertigen.

Wegen dieses zusätzlichen Fertigungsschritts ist Spritzguss nur wirklich kosteneffektiv, wenn große Prototypenmengen benötigt werden (siehe Skaleneffekte unten). Aber er bietet viele Vorteile: exzellente Oberflächenqualität, gute Festigkeit, Ähnlichkeit zu Serienteilen.

Blechbearbeitung

Blechprototypen können in verschiedenen Metallen mit kurzer Durchlaufzeit gefertigt werden. Diese Prototypen ähneln oft Endverbrauchsteilen und eignen sich für Tests.

Blechbearbeitung eignet sich für spezifische Produkte wie Halter, Gehäuse, Paneele und wird nicht typischerweise austauschbar mit anderen Metallfertigungsprozessen genutzt.

Skaleneffekte

Die Wahl eines Fertigungsverfahrens hängt oft von der benötigten Stückzahl ab. Manchmal muss kompromissbereit ein anderes Verfahren gewählt werden, wenn die Stückzahl wirtschaftlich keinen Sinn ergibt.

Obwohl es viele Ausnahmen gibt, gibt diese Tabelle eine grobe Orientierung für passende Stückzahlen pro Verfahren. (Blechbearbeitung ausgeschlossen, da Blechteile/Prototypen meist spezifisch für Blechprozesse designed sind.)

	Metall-Prototypen	Kunststoff-Prototypen
CNC-Bearbeitung	1–100	1–100
3D-Druck	1–10	1–10
Spritzguss	100+	100+
Vakuumguss	n/a	1–100
Metallguss	100+	n/a

Prototyp bauen – Schritt für Schritt

Konzeptualisieren

Der erste Schritt der Prototypenerstellung, vor dem Design, ist die Entscheidung, was benötigt wird. Dieser Schritt kann Marktforschung und Brainstorming potenzieller Anforderungen umfassen.

Designen

Sofern kein grober handgefertigter Mockup genügt, ist CAD-Software für das Prototypen-Design erforderlich. CAD ermöglicht exakte Wiederholung und einfache Modifikation, und Dateien können in maschinenlesbare Formate konvertiert werden für sofortige Produktion. Ohne Designerfahrung können professionelle Produktdesign-Services nötig sein.

Material, Technologie, Finish wählen

Material, Technologie und Oberflächenveredelung sollten von Anfang an berücksichtigt werden, da diese Faktoren das CAD-Design beeinflussen. Die finale Auswahl kann jedoch nach dem Design-Schritt erfolgen.

Bauen

Eine funktionierende CAD-Datei und eine Liste von Materialien, Technologien und Oberflächenveredelungen werden an den Prototyping-Spezialisten gesendet, der die Fertigung startet.

Erneut prototypen

Sobald der Prototyp seinen Zweck erfüllt hat, kann ein weiterer nötig sein, je nach aktueller Phase der Produktentwicklungs-Timeline. Ein validiertes Konzeptionsmodell kann z. B. von einem mechanischen Prototyp abgelöst werden.

3ERP ist Spezialist für Rapid Prototyping und hat mit vielfältigen Kunden aus vielen Branchen gearbeitet. Kontaktieren Sie uns für ein kostenloses Angebot.