Konzeptmodelle: Der wesentliche erste Schritt von der Idee zum Prototyp

Was ist ein Konzeptmodell?

Das Konzeptmodell ist ein wertvolles Vehikel, um Ideen an Nutzer zu vermitteln. Ein durch Rapid Prototyping erzeugter physischer Konzeptprototyp liefert effektive Informationen zur Design-Fertigbarkeit und kann an spezifische Kundenanforderungen angepasst werden – konzeptuelles Modeling reduziert so Produktionszeit in frühen Designphasen. Die beteiligten Produkte können Termine einhalten, schneller entwickeln und schneller in Nutzung gehen.

Da alle Prototypen durch Rapid-Prototyping-Technologien gefertigt werden, entfällt die Entwicklung teurer Werkzeuge für Prototypen-Design. Dies senkt Produktionskosten erheblich und ermöglicht schnelle, einfache Designintegration. Es bietet einen sehr risikoarmen Weg, Designfehler zu entdecken und zu modifizieren, sowie präzise Modelle für Produktionswerkzeuge bereitzustellen.

Konzeptmodelle spielen eine wichtige Rolle im gesamten Systementwicklungslebenszyklus. Abbildung 1–1 zeigt die Rolle des Konzeptmodells in einem typischen Systementwicklungsszenario. Offensichtlich: Ist das Konzeptmodell nicht vollständig entwickelt, werden zugrundeliegende Systemattribute möglicherweise nicht korrekt implementiert – Probleme für die Zukunft, die in der Industrie auftreten. Die Wichtigkeit von Konzeptmodellen wird deutlich, wenn solche systemischen Ausfälle durch Systementwicklung und bewährte Entwicklungstechniken gemildert werden.

Wie setzt man ein Konzeptmodell um?

(1) SLA (Stereolithografie)

SLA basiert auf Photopolymerisation von flüssigem fotosensiblem Harz. Das Flüssigmaterial polymerisiert unter UV-Licht bestimmter Wellenlänge und Intensität rasant – Molekulargewicht steigt stark, Material wechselt von flüssig zu fest.

Abbildung 2-1 zeigt das SLA-Funktionsprinzip. Der Flüssigkeitstank ist mit flüssigem Photopolymerharz gefüllt. Unter Ablenkspiegelwirkung scannt der Laserstrahl die Flüssigkeitsoberfläche. Scanverlauf und Lichtein/Aus werden computergesteuert. Wo der Lichtstrahl trifft, härtet das Flüssigmaterial aus. Zu Formbeginn ist die Arbeitsplattform in bestimmter Tiefe unter Flüssigkeitsspiegel. Der fokussierte Strahl scannt punktweise per Computeranweisung die Flüssigkeitsoberfläche – punktweise Aushärtung. Nach Abschluss einer Schicht ist der unbestrahlte Bereich noch flüssiges Harz. Dann fährt die Hebeplattform die Plattform um eine Schichthöhe ab – die geformte Schicht wird mit einer Harzschicht überzogen. Der Abstreifer glättet die flüssige Harzoberfläche mit höherer Viskosität, dann Scan der nächsten Schicht – die neu ausgehärtete Schicht haftet fest an der vorherigen. Wiederholung bis zum vollständigen Teil – ein dreidimensionales Festkörpermodell entsteht.

2-1                                                                        2-2

(2) SLS (Selektives Lasersintern)

SLS wurde 1989 von C.R. Dechard an der University of Texas at Austin entwickelt. Der SLS-Prozess formt aus Pulvermaterial. Das Materialpulver wird flach auf der Oberseite des geformten Teils verteilt. Ein hochfester CO₂-Laser scannt den Querschnitt des Teils auf der frisch aufgelegten Schicht – das Materialpulver sintert unter hochintensiver Laserstrahlung zusammen. Der Querschnitt des neuen gesinterten Teils verbindet sich mit dem darunterliegenden geformten Teil. Nach Sintern eines Querschnitts wird neue Pulverschicht aufgebracht, nächste Schicht wird selektiv gesintert (Abb. 2-2). Nach Sintern: überschüssiges Pulver entfernen, polieren, trocknen u. a.

SLS-Verfahren zeichnet sich durch breites Materialspektrum aus – nicht nur Kunststoffteile, sondern auch Keramik, Wachs u. a., besonders für Metallteile. SLS benötigt keine Stützstrukturen, da ungesintertes Pulver als Stütze dient.

(3) CNC-Bearbeitung

CNC steht für Computer Numerical Control – seit frühen 1970er Jahren. Zuvor NC (Numerical Control) genannt. Obwohl die meisten Menschen diesen Begriff nie gehört haben: In der Fertigungsbranche hat man langfristig mit CNC zu tun.

Wie Sie vermuten: Alle Operationen, die ein Bediener an konventionellen Maschinen ausführt, lassen sich mit CNC programmieren. Einmal CNC-Code eingerichtet und laufend, ist die Maschine einfach am Laufen zu halten. Viele CNC-Maschinen laufen unbeaufsichtigt durch den gesamten Bearbeitungszyklus – Bediener kann andere Aufgaben erledigen. Vorteile: geringere Bedienerermüdung, weniger menschliche Fehler, konsistente und vorhersagbare Bearbeitungszeiten pro Werkstück.

Da die Maschine unter Programmsteuerung läuft, ist das erforderliche Qualifikationsniveau von CNC-Bedienern (bezogen auf grundlegende Bearbeitungspraxis) geringer als bei Mechanikern, die konventionelle Werkzeugmaschinen nutzen. Gleichzeitig sind CNC-Maschinen flexibel: Unterschiedliche Artefakte zu fertigen ist fast so einfach wie Laden eines anderen Programms. Einmal verifiziert und in Produktion ausgeführt, lässt sich der nächste Lauf leicht aufrufen – großer Vorteil für schnelle Umrüstungen.

CNC-Technologie übertrifft SLA und SLS in puncto Genauigkeit. Heutige CNC-Maschinen haben fast unglaubliche Genauigkeits- und Wiederholbarkeitsspezifikationen. Bedeutet: Nach Programmvalidierung lassen sich zwei, zehn oder tausend identische Artefakte einfach und präzise erzeugen.

Zweck von Konzeptmodellen

Nutzen Sie das Konzeptmodell als ersten Schritt zur Erstellung eines physischen Produkts. Es sind frühe Designphasen-Forschungsmodelle für Montagevollständigkeit, Designverbesserung, Musterpräsentation, Funktionsumsetzung. WayKen-Ingenieure bauen Konzeptmodelle mit verschiedenen Materialien, Technologien und Oberflächen für realistische Finishes – damit Sie sicher sehen, wie das Endprodukt aussieht. Farben und Texturen lassen sich durch Eloxieren, Beschichten, Sandstrahlen u. v. m. erweitern. Einige Produktkonzeptmodelle nutzen CNC-Bearbeitung, Rapid Prototyping u. a. für funktionale Montageanforderungen. Unsere Ingenieure arbeiten gut mit Ihnen zusammen, um Ihre frühen CAD-Dateien in Konzeptmodelle zu verwandeln, die Ihre Designabsicht elegant an Ihr Publikum vermitteln.