Den richtigen Rapid Prototyping Prozess für Neuprodukt-Erfolg wählen

Der Erfolg oder Misserfolg eines Prototyps hängt von der Auswahl des Rapid-Prototyping-Prozesses für die Neuproduktentwicklung ab. Es gibt diverse Wege, Engineering-Produktdesign-Prototypen zu fertigen – von einfachen Papp-Modellen bis zu voll bearbeiteten Metall-Unterbaugruppen.

Prototyping ist entscheidend für jedes Engineering-Produktdesign, besonders bei NPD. Es ist der Prozess, grobe Modelle des Produkts zu erstellen – z. B. zur Prüfung von Funktionalität, Form, Größe. Mehr zu Prototyp-Typen und ihrer Wichtigkeit hier.

Dieser Artikel behandelt teilbasierte Prototypen – wie Einzelteile für System-Prototypen gefertigt werden können.

5 Schlüsselfaktoren bei der Rapid-Prototyping-Prozessauswahl

Prototypen variieren stark, da jedes Projekt, Produkt und Designelement anders ist. Da der Prototypenerfolg von den Auswahlkriterien abhängt, sollten diese 5 Faktoren zu Beginn jeder Rapid-Prototyping-Auswahl berücksichtigt werden.

Zweck (Purpose)
Qualität (Quality)
Stückzahl (Quantity)
Komplexität (Complexity)
Budget/Kosten (Budget/Cost)

Lassen Sie uns diese Faktoren genauer betrachten, um zu verstehen, warum sie für die Wahl des nächsten Prototyping-Prozesses essenziell sind.

1. Zweck

Innerhalb eines Engineering-Produktdesign-Projekts werden Prototypen laut Ulrich & Eppinger (2008) für vier Zwecke erstellt: Lernen, Kommunikation, Integration und Meilensteine. Diese Zwecke variieren je nach 4 NPD-Phasen. Jede NPD-Phase hat eigene Funktions- und Merkmalsanforderungen zur Risikominimierung, was die erforderliche Fidelität (Qualität) des Prototyps definiert.

Erstens hängen die geplanten Tests oder Risikominderungsmaßnahmen ab – Testarten, Kundenfeedback etc. Bei rigorosen Tests, Außeneinsatz und Produktverifikation spielt Materialauswahl eine Schlüsselrolle bei der Prozesswahl.

Zweitens müssen funktionale Aspekte berücksichtigt werden: Funktionstests geplant? Bewegliche Teile? Das diktiert Auswahl und Montage.

Drittens: Änderungen und Modifikationen. Prototypen gelingen selten ohne Anpassungen. Wie leicht oder schwer lassen sie sich modifizieren?

NPD-Phase

Produktplanung & Aufgabenklärung
- Sehr frühe Proof-of-Concept Mock-ups, Demonstratoren, Industriedesign-Prototypen
- Prototyping-Techniken:
  - CNC-geschäumte Modelle
  - Papp-Modelle
  - 3D-gedruckte Teile & Baugruppen (FDM, SLA, SLS etc.)

Konzeptdesign
- Skalierte Teile/Baugruppen mit Benutzeroberfläche und begrenztem Funktionsumfang
- FDM-Teile gut für Form- und Größengefühl. Höhere Genauigkeit: SLA, SLS, PolyJet. Bei Metallteilen: CNC. Gegebenenfalls Blechfertigung.
Ausführungsdesign (Embodiment Design)
- Entwicklungsphase: voll funktionsfähige (Form, Passung, Funktion) Prototypen nötig – Details wichtig. Meist Arbeitsbaugruppen mit vielen Teilen.
- Mehrere Einheiten für Tests nötig; Endfertigungstechniken simulieren.
- Vakuumguss & hochauflösender 3D-Druck (SLS, SLA) für Kunststoffteile
- SLM/DMLS ideal für Simulieren von Gussteilen (Sand-, Fein-, Druckguss)

Detaildesign
- Prototypen in dieser Phase meist für Funktionstests und Pre-Production Pilotläufe
- Spritzgussteile prototypisch via Vakuumguss; zerspante Kunststoffteile via 3D-Druck

2. Qualität

Wie besprochen diktiert die Fidelität / Genauigkeit des Produkts den Prozess und die Nachbearbeitung. Die Prototypqualität im Vergleich zum Endprodukt/Teil muss bedacht werden. Da High-Fidelity-Prototypen teurer sind, sollten sie im Hinblick auf ROI betrachtet werden.

Beispiel: Gewindefunktion an einem Teil – SLA besser als FDM, aber teurer.

Lebensdauer des Prototyps ist entscheidend für Technologiewahl. Werden Befestigungen häufig genutzt, sind zerspannte oder Metalleinsätze besser als 3D-gedruckte Gewinde oder Selbstschneidgewinde.

Materialauswahl spielt zentrale Rolle für Prototypqualität. Sind funktionale Elemente an spezielle Materialeigenschaften geknüpft (Oberflächenbeschaffenheit, Haltbarkeit), sind additiv gefertigte Teile möglicherweise nicht die beste Wahl. Allgemeine Materialoptionen pro Verfahren:

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	N/A

Besteht der Prototyp aus mehreren Teilen, müssen Toleranzen der prototypisierten Teile für einfache Integration berücksichtigt werden.

3. Stückzahl

Die Anzahl benötigter Prototypenteile ist essenziell für die Prozessentscheidung, da einige Technologien nur für kleine Stückzahlen kosteneffizient sind. Bei additiver Fertigung beeinflusst Volumen die Kosten stark – größere Teile brauchen mehr Druckzeit. Als Faustregel:

Kunststoffteile

Prototyp-Prozesse
Kunststoffteile		Stückzahl
Kunststoffteile		Gering (1er)	Mittel (10er)
Größe	Klein	3D-Druck	CNC-Zerspanung (einfach) 3D-Druck (komplex)
Größe	Groß	3D-Druck	Vakuumguss CNC-Zerspanung

Metallteile

Prototyp-Prozesse
Metallteile		Stückzahl
Metallteile		Gering (1er)	Mittel (10er)
Größe	Klein	CNC-Zerspanung 3D-Druck	CNC-Zerspanung Feinguss
Größe	Groß	CNC-Zerspanung	CNC-Zerspanung

4. Komplexität

Teilkomplexität und Feature-Detaillierung diktieren die Rapid-Prototype-Prozesswahl. Additive Fertigung eignet sich für hochkomplexe Kleinteile, aber Vorsicht: Komplexität bedeutet teure Serienfertigung.

Prozess	Toleranz (mm)	Min. Wandstärke (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
Binder Jetting	±0,20	1,5 – 2,0
CNC *	±0,012	0,5
Vakuumguss	±0,1	0,9 – 1,0

Hinweis: Toleranzen und Mindestwandstärken sind typische Werte und variieren stark je nach Materialwahl und Feature-Design.

Teile, die letztlich durch Spritzguss oder Gussverfahren gefertigt werden, können via 3D-Druck prototypisiert werden; zerspante Teile via 3D-Druck oder konventionelle formenbildende/abtragende Verfahren.

5. Kosten

Schließlich die verfügbaren Ressourcen; der Prototypenzweck geht Hand in Hand mit dem Budget. Zeit, Geld und Arbeitsstunden für Fertigung und Inbetriebnahme müssen bei der Technologiewahl bedacht werden.

Zu bedenken:

Meist ist Nachbearbeitungszeit bei Low-Quality-Prototypen höher als bei High-Quality-Prototypen
Manche Prozesse (3D-Druck) brauchen Nachbearbeitung, sind aber relativ schnell/günstig; Vakuumguss liefert spritzgussähnliche Teile ohne Nachbearbeitung, aber teurer durch Werkzeugkosten
CNC-Kosten proportional zur Teilekomplexität; AM-Kosten proportional zu Volumen/Größe
Gesamtkosten stark stückzahlabhängig, besonders bei CNC wegen hoher Rüstkosten

Zusammenfassung

Neue Engineering-Produktentwicklung erfordert fast immer Prototypen zum Testen von Ideen, Funktionalitäten etc. Die Testqualität und nachfolgende Entscheidungsfindung hängen stark davon ab, wie gut der Prototyp das Endprodukt simuliert. Daher ist die richtige Prozesswahl entscheidungskritisch für den Engineering-Erfolg.

Mit klarem Verständnis der 5 Schlüsselfaktoren können Sie den Prozesstyp festlegen. Es gibt unzählige Prototyping-Wege, jeder mit Vor- und Limitationen. Die korrekte Wahl ist vital für Ihren Prototyping-Erfolg.

Rapid-Prototyping-Auswahlschritte: