Was ist Rapid Prototyping und wie wählt man die ideale Prototyping-Methode aus?

Wenn Sie kürzlich ein Produktdesign entwickelt haben, haben Sie wahrscheinlich einige häufig gestellte Fragen beantwortet, die Ihr Hersteller an Sie haben könnte. Was sind zum Beispiel Ihre Materialauswahl, die Anforderungen an Abmessungen, Festigkeit und Toleranz und wie viele Einheiten möchten Sie produzieren?

Aber selbst nachdem Sie all diese Fragen beantwortet haben, können Sie die Möglichkeit eines Fehlers nicht ausschließen, wenn Sie mit der Massenproduktion Ihres Endprodukts beginnen. Eine Möglichkeit für erstklassige Produktdesigner, diese Risiken zu mindern, ist Rapid Prototyping. Dieser Artikel erklärt Rapid Prototyping und gibt hilfreiche Tipps, die Ihnen bei der Auswahl der idealen Methode helfen.

Was ist Rapid Prototyping?

Schnelles Prototyping umfasst die Herstellung von Musterteilen Ihres Produkts, um die Passgenauigkeit, Funktion, Herstellbarkeit, das Aussehen und die Festigkeit der Komponenten zu testen. Es ermöglicht Ihnen, Konstruktionsfehler früh während der Produktentwicklung zu erkennen, damit Sie Maßnahmen ergreifen können, um sie zu korrigieren. Aufgrund der verschiedenen Rapid-Prototyping-Technologien, die heute verfügbar sind, könnten Sie jedoch verwirrt sein, wenn es darum geht, die ideale Rapid-Prototyping-Technologie und -Methode für Ihr Projekt auszuwählen.

Auswahl der idealen Rapid-Prototyping-Methode

Drei häufig verwendete Methoden für das Rapid Prototyping sind:

1. 3D-Druck
2. Spritzguss
3. CNC-Bearbeitung

#1 3D-Druck

3D-Druck ist ein additives Herstellungsverfahren ㅡ, was bedeutet, dass Materialportionen in Schichten hinzugefügt werden, um den gewünschten Prototyp zu bilden. Es ist aufgrund seiner hohen Genauigkeit, Materialkompatibilität und geringen Kosten (insbesondere bei einem geringen Teilevolumen) die gebräuchlichste Methode für das Rapid Prototyping.

Abbildung 1:Der 3D-Druckprozess

Es gibt jedoch verschiedene Arten von 3D-Drucktechnologien, von denen jede ihre Fähigkeiten und Eignung für unterschiedliche Prototyping-Anforderungen hat. Zu den drei häufig verwendeten 3D-Drucktechnologien gehören beispielsweise:

• Fused Deposition Modeling (FDM)
• Stereolithographie
• Selektives Lasersintern (SLS)

Fused Deposition Modeling

Fused Deposition Modeling (FDM) ist das beliebteste 3D-Druckverfahren für Rapid Prototyping. FDM-3D-Drucker arbeiten, indem sie thermoplastische Filamente (wie PLA und ABS) Schicht für Schicht durch eine beheizte Düse extrudieren. Es hat typischerweise eine maximale Baugröße von 320 x 132 x 154 mm und eignet sich für die Erstellung von Prototypen, die Sie einer Formschlussprüfung unterziehen.

Abbildung 2 zeigt beispielsweise den Prototyp eines Raspberry-Pi-Gehäuses, das mit einem FDM-3D-Drucker erstellt wurde, um einer Formschlussprüfung unterzogen zu werden.

Abbildung 2:FDM-gedrucktes Gehäuse des Raspberry Pi

Die Größe der Extrusionsdüse bestimmt jedoch die Auflösung eines FDM-gedruckten Teils. Daher ist FDM möglicherweise keine ideale Methode, um Prototypteile zu erstellen, die komplizierte Details erfordern.

Stereolithographie (SLA)

Ein Stereolithographie-3D-Drucker erstellt Prototypen mit einem hochpräzisen Laser. Dieser Laser härtet flüssiges Harz aus und eliminiert damit die beim FDM-3D-Druck übliche Herausforderung bei niedriger Auflösung. Infolgedessen können SLA-3D-Drucker eine höhere Genauigkeit und feinere Details erzielen als FDM-3D-Drucker.

Sie sollten sich für den SLA-3D-Druck entscheiden, wenn Sie detaillierte visuelle Prototypen erstellen möchten, die enge Toleranzen, höchste Präzision, Genauigkeit und eine glatte Oberflächenbeschaffenheit erfordern. Beachten Sie jedoch, dass der SLA-3D-Druck normalerweise eine maximale Baugröße von 145 x 145 x 175 mm hat.

Abbildung 3:Mit einem SLA-3D-Drucker erstellter Prototyp

Selektives Lasersintern (SLS)

Beim selektiven Lasersintern (SLS) werden Laser verwendet, um pulverförmiges Material (normalerweise Polyamid oder Nylon) in Schichten zu sintern, um den gewünschten Prototyp zu erstellen. Der SLS-3D-Druck eignet sich hervorragend für die Erstellung voll funktionsfähiger Prototypen, die gute mechanische Eigenschaften erfordern. Es bietet eine größere Baugröße (300 x 300 x 300 mm) als der SLA-3D-Druck, produziert aber Teile mit einer raueren Oberflächenbeschaffenheit.

Abbildung 4:Mit einem SLS-3D-Drucker erstellter Prototyp

#2 Spritzguss

Spritzgießen ist ein Herstellungsverfahren, bei dem Formen zur Herstellung von Prototypen verwendet werden. Um Prototypen mit einer Spritzgussmaschine zu erstellen, erstellt Ihr Hersteller zunächst eine Form in der Form Ihres gewünschten Produkts. Als nächstes erhitzt der Hersteller ein thermoplastisches Polymer und verwandelt es in eine geschmolzene Flüssigkeit. Diese Flüssigkeit wird dann durch ein Angusssystem in den Formhohlraum eingespritzt, um die gewünschte Form zu bilden.

Abbildung 5:Spritzgussverfahren

Spritzguss ist mit vielen Materialien kompatibel (Thermoplaste, Metalle und Flüssigsilikonkautschuk) und kann komplexe Produktdesigns erstellen. Es ist jedoch normalerweise ideal, um mehrere Kopien eines Prototyps herzustellen, insbesondere wenn Sie eine Reihe von Tests an diesen Prototypen durchführen müssen.

Betrachten Sie zum Beispiel Abbildung 6, die den Prototyp einer Computermaus (aus Silikonkautschuk) ohne elektrisches System zeigt.

Abbildung 6:Computermaus-Prototyp

In diesem Szenario können Sie mehrere Einheiten dieses Prototyps erstellen, um die Ergonomie zu testen ㅡ, was bedeutet, dass Sie testen möchten, wie sich diese Computermaus auf die Fähigkeit der Benutzer auswirkt, bequem und effektiv zu arbeiten. Sie können beispielsweise bestimmen, wie dieses Mausdesign zur Hand Ihres Benutzers passt oder wie es die Armbewegung oder die Blutzirkulation einschränkt.

Die Ergebnisse, die Sie aus diesem Test erhalten, können Ihnen dabei helfen, Produktdesignmaßnahmen zu ergreifen, um die Risiken des Mausarmsyndroms und des Karpaltunnels zu verringern.

#3 CNC-Bearbeitung

Die CNC-Bearbeitung ist eine subtraktive Fertigungsmethode ㅡ, was bedeutet, dass der gewünschte Prototyp erstellt wird, indem Teile des Materials mit Schneidwerkzeugen von einem Werkstück entfernt werden. Die CNC-Technologie (Computer Numerical Control) automatisiert den Bewegungsablauf des Schneidwerkzeugs und des Werkstücks, um Ihre Prototypen zu erstellen.

Abbildung 7:Der CNC-Bearbeitungsprozess

Die CNC-Bearbeitung ist im Allgemeinen die beste Rapid-Prototyping-Methode für Metallteile, insbesondere wenn Sie hochpräzise funktionale Prototypenprodukte (wie Vorrichtungen und Komponenten für Endanwendungen) erstellen müssen. Beispielsweise können CNC-Maschinen Toleranzen von nur 0,004 mm und eine mechanische Festigkeit von bis zu 136 MPa erreichen. Die subtraktive Natur der CNC-Bearbeitung bedeutet jedoch, dass einige Merkmale möglicherweise schwierig herzustellen sind (z. B. Hinterschnitte).

Erfahren Sie mehr:Verstehen Sie, wie man für die CNC-Bearbeitung konstruiert.

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