Auswahl des Rapid-Prototyping-Prozesses

Der Erfolg oder Misserfolg eines Prototypen hängt von Ihrer Auswahl an Rapid-Prototyping-Verfahren für die Neuproduktentwicklung ab. Es gibt verschiedene Möglichkeiten, wie Prototypen für das technische Produktdesign hergestellt werden können, von einfachen Pappmodellen bis hin zu vollständig bearbeiteten Metallbaugruppen.

Das Prototyping ist für jedes technische Produktdesign von entscheidender Bedeutung, insbesondere für die Entwicklung neuer Produkte. Dabei werden beispielsweise grobe Modelle des Produkts hergestellt, um seine Funktionalität, Form, Größe usw. zu testen. Lesen Sie hier mehr über die verschiedenen Arten von Prototypen und ihre Bedeutung.

In diesem Artikel geht es um teilebasierte Prototypen, d. h. wie einzelne Teile hergestellt werden können, um Produktprototypen auf Systemebene zu erstellen.

5 Schlüsselfaktoren, die bei der Auswahl eines Rapid-Prototyping-Prozesses zu berücksichtigen sind

Prototypen variieren in vielerlei Hinsicht, da jedes Projekt, Produkt und Produktdesignelement anders ist. Da der Erfolg jedes Prototyps von den Auswahlkriterien des Prototyping-Prozesses abhängt, sollten diese 5 Schlüsselfaktoren zu Beginn jeder Auswahl des Rapid-Prototyping-Prozesses berücksichtigt werden.

1. Zweck
2. Qualität
3. Menge
4. Komplexität
5. Budget/Kosten

Lassen Sie uns auf diese Schlüsselfaktoren eingehen, um zu verstehen, warum sie bei der Auswahl Ihres nächsten Prototyping-Prozesses von entscheidender Bedeutung sind.

1. Zweck

Laut Ulrich und Eppinger (2008) werden im Rahmen eines Konstruktions- und Entwicklungsprojekts für technische Produkte Prototypen für vier Zwecke erstellt. Sie lernen , Kommunikation , Integration und Meilensteine . Diese Zwecke des Prototypings hängen davon ab, in welcher der 4 Phasen der Entwicklung neuer Produkte (NPD) Sie sich befinden sind in. Jede Stufe der NPD wird ihre Anforderungen an Merkmale und Funktionen haben, um Risiken zu eliminieren. Dadurch wird dann der erforderliche Wiedergabetreuetyp des Prototyps definiert, d. h. die später besprochene Qualität des Prototyps.

Erstens würde es von den geplanten Tests oder Maßnahmen zur Risikominderung abhängen B. Testtypen, Kundeninteraktionsfeedback usw. Wenn das Produkt strenge Tests, externe Bereitstellung und Produktverifizierung durchlaufen würde, würde die Materialauswahl eine Schlüsselrolle bei der Auswahl von Prototyping-Techniken spielen.

Zweitens jeder funktionale Aspekt Sie möchten an Ihrem Prototypen berücksichtigt werden. Planen Sie Funktionstests oder haben Sie bewegliche Teile? Dies bestimmt die Auswahl und den Zusammenbau.

Drittens Änderungen und Modifikationen . Es ist höchst unwahrscheinlich, dass Ihr Prototyp ohne ein paar Optimierungen ein Erfolg wird. Überlegen Sie also, wie einfach oder schwierig es wäre, Änderungen vorzunehmen, um die Prototypen zum Laufen zu bringen.

NPD-Stadium

• Aufgabe zur Produktplanung und -klärung

  • Diese Phase erfordert im Allgemeinen sehr frühe Proof-of-Concept-Modelle, Demonstrationseinheiten und Industriedesign-Prototypen
  • Prototyping-Techniken
    • CNC-gefräste Schaumstoffmodelle
    • Kartonmodelle
    • 3D-gedruckte Teile und Baugruppen (FDM, SLA, SLS usw.)

• Konzeptionelles Design

  • Zu diesem Zeitpunkt benötigen Sie wahrscheinlich skalierte Teile oder Baugruppen des Designs zusammen mit einer Benutzeroberfläche und eingeschränkter Funktionalität
  • Auch hier sind FDM-Teile großartig, um ein Gefühl für Form und Größe zu bekommen. Wenn Sie mehr Genauigkeit benötigen, können Sie in die nächste Stufe des 3D-Drucks einsteigen, d. H. SLA-, SLS- und Polyjet-Teile. Wenn die Teile aus Metall sind, ist CNC in diesem Stadium die beste Wahl. In manchen Fällen ist auch eine Blechfertigung eine Überlegung wert

• Verkörperungsdesign

  • Dies ist die Entwicklungsphase, in der Sie voll funktionsfähige (Form, Passform und Funktion) Prototypen untersuchen müssen, daher sind Details wichtig. In diesem Stadium ist es mehr als wahrscheinlich, dass die Prototypen funktionierende Baugruppen mit vielen Teilen sein werden
  • Zu diesem Zeitpunkt würden Sie auch mehr als eine Einheit zu Testzwecken benötigen, und es lohnt sich auch, die endgültigen Herstellungstechniken in Betracht zu ziehen, damit sie simuliert werden können
  • Erwägen Sie Vakuumguss und hochauflösenden 3D-Druck wie SLS und SLA für Kunststoffteile
  • SLM/DMLS-Teile sind ideal für die Simulation von Gussteilen (Sand-, Fein- und Druckguss)

• Detailliertes Design

  • Jeder während dieser Phase erstellte Prototyp wird höchstwahrscheinlich für Funktionstests und auch für Pilotläufe vor der Produktion verwendet.
  • Spritzgussteile können im Vakuumguss als Prototypen hergestellt werden, während maschinell bearbeitete Kunststoffteile 3D-gedruckt werden können

2. Qualität

Wie bereits erwähnt, die Wiedergabetreue oder Genauigkeit des Produkts erforderlich bestimmt, welche Art von Prozess und Nachbearbeitung Sie benötigen. Die Qualität des Prototyps im Vergleich zu Ihrem Endprodukt oder Ihrer Teilkomponente muss ebenfalls berücksichtigt werden. Da High-Fidelity-Prototypen mehr kosten, sollten sie im Hinblick auf die Kapitalrendite berücksichtigt werden.

Wenn Sie beispielsweise ein Gewindemerkmal auf einem Teil haben, ist SLA besser als FDM, würde aber mehr kosten.

Das Leben des Prototyps ist auch entscheidend bei der Entscheidung für die Technologie. Wenn die Teile beispielsweise Befestigungselemente haben, die häufig verwendet werden, sind maschinell bearbeitete oder Metalleinsätze eine bessere Option als 3D-gedruckte Gewinde- oder selbstschneidende Löcher.

Materialauswahl spielt auch für die Qualität des Prototyps eine entscheidende Rolle. Wenn die Funktionselemente mit besonderen Materialeigenschaften wie Oberflächenbeschaffenheit und Haltbarkeit verbunden sind, ist die Wahl additiv gefertigter Teile möglicherweise nicht die beste Wahl. Die allgemeine Materialauswahl für die verschiedenen Herstellungsverfahren ist wie folgt:

3D-Druck	CNC	Vakuumguss
Nylon, PLA, ABS, ULTEM, ASA, TPU	ABS, Nylon, Polycarbonat, PEEK	ABS, Nylon Nylon HT
Aluminium, Edelstahl, Titan, Inconel	Aluminium, Edelstahl, Titan, Messing	Nicht zutreffend

Wenn der Prototyp aus mehr als einem Teil besteht, müssen die Toleranzen der Prototypteile berücksichtigt werden, um die Integration zu erleichtern.

3. Menge

Die Anzahl der benötigten Prototypenteile ist entscheidend für die Prozessentscheidung, da einige Prototyping-Technologien nur bei kleineren Stückzahlen wirtschaftlich sind. Bei der additiven Fertigung spielt das Teilevolumen auch eine entscheidende Rolle bei den Kosten, da größere Teile im Vergleich zu kleineren Teilen mehr Zeit zum Drucken benötigen. Als Faustregel gelten die folgenden Regeln.

Kunststoffteile

Prototypprozesse
Kunststoffteile		Menge
		Niedrig (1er)	Mittel (10er)
Größe	Klein	3D-Druck	CNC-Bearbeitung (einfach) 3D-Druck (kompliziert)
	Groß	3D-Druck	Vakuumguss CNC-Bearbeitung

Metallteile

Prototypprozesse
Metallteile		Menge
		Niedrig (1er)	Mittel (10er)
Größe	Klein	CNC-Bearbeitung 3D-Druck	CNC-Bearbeitung Feinguss
	Groß	CNC-Bearbeitung	CNC-Bearbeitung

4. Komplexität

Die Komplexität des Teils und die Kompliziertheit der Merkmale bestimmen auch die Auswahl des Rapid-Prototyp-Prozesses. Die additive Fertigung eignet sich gut für die Herstellung sehr komplizierter kleiner Teile, aber man sollte beim endgültigen Design vorsichtig sein, da komplizierte Mittel eine sehr teure Massenproduktion bedeuten.

Prozess	Toleranz (mm)	Mindestwandstärke (mm)
FDM	±0,20 – ±0,50	0,8 -1,0
SLS/SLA	±0,20 – ±0,30	0,7 – 1,0
SLM/DMLS	±0,10	0,4 – 0,5
Bindemitteldüsen	±0,20	1,5 mm – 2,0 mm
CNC *	±0,012	0,5
Vakuumguss	±0,1	0,9 – 1,0

Bitte beachten Sie, dass diese Toleranzen und Mindestwandstärken typische Werte sind und je nach Materialwahl und Ausstattung stark variieren.

Teile, die schließlich durch Spritzguss hergestellt werden, verschiedene Formen von Gussteilen können mithilfe des 3D-Drucks als Prototypen erstellt werden, während maschinell bearbeitete Teile 3D-gedruckt oder mithilfe herkömmlicher Umform- oder subtraktiver Fertigungsverfahren hergestellt werden können.

5. Kosten

Schließlich die verfügbaren Ressourcen; Das Ziel des Prototyps würde mit den verfügbaren Ressourcen einhergehen. Zeit, Geld und Arbeitsstunden, die erforderlich sind, um die Prototypen herzustellen und zum Laufen zu bringen, müssen bei der Auswahl der Rapid-Prototyping-Technologie berücksichtigt werden.

Dinge zum Nachdenken:

• Meistens ist der Zeitaufwand für die Nachbearbeitung oder die Inbetriebnahme des Teils bei minderwertigen Prototypen höher als bei hochwertigen Prototypen
• Einige Prozesse wie der 3D-Druck benötigen möglicherweise etwas Nachbearbeitungszeit, sind jedoch relativ schneller und billiger, während ein Vakuumguss Teile ergeben würde, die fast identisch mit denen des Spritzgusses sind und ohne Nachbearbeitung verwendet werden können. Dies wird jedoch mit den Werkzeugkosten teurer
• Die CNC-Kosten sind proportional zur Komplexität des Teils, während die AM-Kosten direkt proportional zum Volumen und zur Größe sind
• Die Gesamtkosten wären aufgrund der höheren Einrichtungskosten für einen Prozess wie CNC auch enger mit den Stückzahlen verknüpft

Zusammenfassung

Die Entwicklung neuer technischer Produkte beinhaltet fast immer die Herstellung von Prototypen, um Ideen, Funktionalitäten usw. zu testen. Die Qualität Ihrer Tests und der anschließenden Entscheidungsfindung hängt jedoch stark davon ab, wie gut Ihr Prototyp das Endprodukt simuliert. Daher ist die Auswahl des richtigen Prozesses zur Herstellung des Prototyps entscheidend für den Erfolg eines jeden technischen Produkts.

Sobald Sie die oben genannten 5 Schlüsselfaktoren klar verstanden haben, können Sie sich für die Art des zu untersuchenden Prozesses entscheiden. Es gibt so viele Möglichkeiten, wie Prototypen hergestellt werden können, und jeder Prototyping-Prozess hat seine Vor- und Nachteile. Daher ist die Auswahl des richtigen Produkts entscheidend für Ihren Prototyping-Erfolg.

Schritte des Rapid Prototyping-Auswahlverfahrens

• Den Zweck des Prototyps definieren
• Bestimmen Sie den Grad der Annäherung (Qualität und Komplexität)
• Beschreiben Sie die Bewertungsmethode und planen Sie die Mengenermittlung
• Stellen Sie sicher, dass Ihre Kosten innerhalb Ihres Budgets für Prototypen bleiben