Herstellungsverfahren für Prototypen

Wählen Sie das beste Verfahren für Ihr Projekt

Mit schnell verfügbaren Prototypenteilen zum Testen der Passform und Funktion von Bauteilen können Sie Ihr Produkt schneller als Ihre Wettbewerber auf den Markt bringen. Anhand der Ergebnisse Ihrer Tests und Analysen können Korrekturen hinsichtlich des Designs, der Werkstoffe, Größe, Formgebung, Montage, Farbe, Ausführbarkeit und Festigkeit vorgenommen werden.

Heute stehen Produktdesignteams zahlreiche Herstellungsverfahren für Prototypen zur Verfügung. Manche Prototyping-Verfahren setzen zur Herstellung von Prototypen herkömmliche Fertigungsmethoden ein. Andere Technologien entstanden und wurden innerhalb relativ kurzer Zeit verbessert. Für die Herstellung von Prototypen gibt es Dutzende verschiedene Möglichkeiten. Da sich die Prototyping-Verfahren ständig weiterentwickeln, müssen Produktdesigner immer wieder aufs Neue festlegen, welches Verfahren oder welche Technologie am besten für ihre spezielle Anwendung geeignet ist.

Diese Infobroschüre erläutert die Vor- und Nachteile der wichtigsten Prototyping-Verfahren, die Designern heute zur Verfügung stehen. Dieses Dokument enthält detaillierte Prozessbeschreibungen und behandelt die Materialeigenschaften von Teilen, die im jeweiligen Verfahren hergestellt wurden. Darüber hinaus zeigt ein hilfreicher Entscheidungsbaum die wichtigsten Fragen auf, die Designer bei der Auswahl eines Prototyping-Verfahrens beachten müssen. Letztendlich soll dieses Dokument Sie bei der Auswahl des besten Protoyping-Verfahrens für Ihren Produktentwicklungsprozess unterstützen.

Kurzübersicht: Prototyping-Verfahren

Verfahren		Beschreibung	Festigkeit	Oberflächen-Qualität	Werkstoff-Beispiele
SL	Stereolithographie	Lasergehärtetes Photopolymer	2.500 - 10.000 (psi) 17,2 - 68,9 (mpa)	Additivschichten 0,051 – 0,152 mm typisch	BS-ähnliche Werkstoffe, Polypropylen-ähnliche Werkstoffe
SLS	Selektives Lasersintern	Lasergesintertes Pulver	5.300 - 11.300 (psi) 36,5 - 77,9 (mpa)	Additivschichten 0,102 mm typisch	Nylon, Metalle
DMLS	Direktes Metall-Lasersintern	Lasergesintertes Metallpulver	37.700 - 190.000 (psi)	Additivschichten 0,020 – 0,030 mm typisch	Edelstahl, Titan, Chrom, Aluminium, Inconel
FDM	Fused Deposition Modeling	Schmelzextrusion	5,200 - 9,800 (psi) 35.9 - 67.6 (mpa)	Additivschichten 0,127 – 0,330 mm typisch	ABS, PC, PC/ABS, PPSU
3DP	Dreidimensionales Drucken	Per Tintenstrahl auf Pulver gedrucktes flüssiges Bindemittel	Gering	Additivschichten 0,89 – 0,203 mm typisch	Gipsbasiertes Pulver/ flüssiges Bindemittel
PJET	Poly-Jet	UV-gehärtetes aufgestrahltes Photopolymer	7.200 - 8.750 (psi) 49,6 - 60,3 (mpa)	Additivschichten 0,015 – 0,030 mm typisch	Acrylbasierte Photopolymere Elastomere Photopolymere
CNC	Computer Numerically Controlled (Computerisierte numerisch gesteuerte Zerspanung)	CNC-Bearbeitung	3.000 - 20.000 (psi) 20,7 - 137,9 (mpa)	Subtraktiv gefräst (glatt)	Technische Kunststoffe und Metalle
IM	Spritzguss	Spritzgießen mit Aluminiumwerkzeug	3.100 - 20.000 (psi) 21,4 - 137,9 (mpa)	Weich (oder mit ausgewählter Textur) geformt	Technische Kunststoffe und Flüssigsilikon

SL	Stereolithographie
	SL (Stereolithographie) ist ein additives Verfahren zur Herstellung von Teilen durch einen computergesteuerten Laser in einem Bad mit UV-härtendem photopolymeren Kunststoff. Der Laser dient zur Definition und Aushärtung eines Querschnitts des Teiledesigns an der Oberfläche des flüssigen Kunststoffs. Die erstarrte Schicht wird anschließend knapp unter die Oberfläche des flüssigen Kunststoffs abgesenkt und der Prozess wird wiederholt. Jede neu ausgehärtete Schicht haftet an der darunterliegenden Schicht. Dieser Vorgang wird so oft wiederholt, bis das Teil fertiggestellt ist. SL war die erste Technologie, die beim ‘Rapid Prototyping’ zum Einsatz kam. Vorteile Für Konzeptmodelle oder Muster, die als Vorlage für andere Prototyping-Verfahren verwendet werden sollen, kann SL, im Vergleich zu anderen additiven Verfahren, Teile mit komplexen Geometrien und ausgezeichneten Oberflächenqualitäten herstellen. Die Kosten sind sehr konkurrenzfähig und die Technologie wird von unterschiedlichen Quellen bereitgestellt. Nachteile Die Prototypenteile sind nicht so stark wie Teile aus technischen Kunststoffen, weshalb sich die SL-Teile in der Regel nicht für Funktionsprüfungen eignen. Aufgrund der UV-Härtbarkeit des Kunststoffs wird dieser außerdem durch die Einwirkung von Sonnenlicht weiter ausgehärtet und mit der Zeit brüchig.

Stereolithographie

SL (Stereolithographie) ist ein additives Verfahren zur Herstellung von Teilen durch einen computergesteuerten Laser in einem Bad mit UV-härtendem photopolymeren Kunststoff. Der Laser dient zur Definition und Aushärtung eines Querschnitts des Teiledesigns an der Oberfläche des flüssigen Kunststoffs. Die erstarrte Schicht wird anschließend knapp unter die Oberfläche des flüssigen Kunststoffs abgesenkt und der Prozess wird wiederholt. Jede neu ausgehärtete Schicht haftet an der darunterliegenden Schicht. Dieser Vorgang wird so oft wiederholt, bis das Teil fertiggestellt ist. SL war die erste Technologie, die beim ‘Rapid Prototyping’ zum Einsatz kam.

Vorteile

Für Konzeptmodelle oder Muster, die als Vorlage für andere Prototyping-Verfahren verwendet werden sollen, kann SL, im Vergleich zu anderen additiven Verfahren, Teile mit komplexen Geometrien und ausgezeichneten Oberflächenqualitäten herstellen. Die Kosten sind sehr konkurrenzfähig und die Technologie wird von unterschiedlichen Quellen bereitgestellt.

Nachteile

Die Prototypenteile sind nicht so stark wie Teile aus technischen Kunststoffen, weshalb sich die SL-Teile in der Regel nicht für Funktionsprüfungen eignen. Aufgrund der UV-Härtbarkeit des Kunststoffs wird dieser außerdem durch die Einwirkung von Sonnenlicht weiter ausgehärtet und mit der Zeit brüchig.

SLS	Selektives Lasersintern
	Das SLS-Verfahren (Selektives Lasersintern) verwendet zur Herstellung von Teilen einen Laser, mit dem Schicht für Schicht pulverförmiges Material von unten nach oben gesintert (aufgeschmolzen) wird. SLS-Teile können präziser und haltbarer als SL-Teile sein. Die Oberflächenbeschaffenheit ist jedoch relativ schlecht und besitzt eine körnige oder sandige Haptik. Die Bindung zwischen den verschmolzenen Partikeln ist weniger ausgeprägt, weshalb die Teile eher schwächer sind als CNC-bearbeitete Teile oder Formteile aus demselben Kunststoff. Nylonmaterialien sind derzeit die pulverförmigen Ausgangsstoffe für SLS. Vorteile SLS-Teile sind tendenziell präziser und robuster als SL-Teile. Das Verfahren ermöglicht die Herstellung von Teilen mit komplexen Geometrien. Nachteile Die Teile besitzen eine körnige oder sandige Textur und sind aufgrund ihrer mäßigen mechanischen Eigenschaften normalerweise nicht für Funktionsprüfungen geeignet.

SLS

Selektives Lasersintern

Das SLS-Verfahren (Selektives Lasersintern) verwendet zur Herstellung von Teilen einen Laser, mit dem Schicht für Schicht pulverförmiges Material von unten nach oben gesintert (aufgeschmolzen) wird. SLS-Teile können präziser und haltbarer als SL-Teile sein. Die Oberflächenbeschaffenheit ist jedoch relativ schlecht und besitzt eine körnige oder sandige Haptik. Die Bindung zwischen den verschmolzenen Partikeln ist weniger ausgeprägt, weshalb die Teile eher schwächer sind als CNC-bearbeitete Teile oder Formteile aus demselben Kunststoff. Nylonmaterialien sind derzeit die pulverförmigen Ausgangsstoffe für SLS.

Vorteile

SLS-Teile sind tendenziell präziser und robuster als SL-Teile. Das Verfahren ermöglicht die Herstellung von Teilen mit komplexen Geometrien.

Nachteile

Die Teile besitzen eine körnige oder sandige Textur und sind aufgrund ihrer mäßigen mechanischen Eigenschaften normalerweise nicht für Funktionsprüfungen geeignet.

DMLS	Direktes Metall-Lasersintern
	Direktes Metall-Lasersintern (DMLS) ist ein additives Verfahren, welches die Herstellung von Metall-Prototypen und einsatzfähigen Teilen ermöglicht. Zur Herstellung zeichnet ein Laser direkt auf eine Oberfläche aus pulverisiertem Metall. Dort wo der Laser auf die Oberfläche trifft, verschweißt dieser das Metall. Der Prozess wird Schicht für Schicht wiederholt indem eine neue Lage des Metallpulvers aufgetragen wird. Beim DMLS kommen die gängigsten Metalllegierungen zum Einsatz. Der Vorteil hieraus ist ein nahezu identischer und einsatzfähiger Prototyp aus dem Fertigmaterial. Je nach Machbarkeit können weitere Teile in die Produktion im Metal Metall-Spritzguss übernommen werden. Vorteile DMLS stellt belastbare Prototypen her (bis 97% vergleichbar)aus allen gängigen Metallen. Danke des Aufbaues (Schichtweise) können Funktionen eingeplant werden die sonst mit üblichen Verfahren nicht möglich sind. Nachteile Steigende Kosten in der Herstellung über DMLS bei steigender Produktionsmenge (Vergleich Stückkosten pro Teil). Raue Oberflächen über das gesamte Teil.

DMLS

Direktes Metall-Lasersintern

Direktes Metall-Lasersintern (DMLS) ist ein additives Verfahren, welches die Herstellung von Metall-Prototypen und einsatzfähigen Teilen ermöglicht. Zur Herstellung zeichnet ein Laser direkt auf eine Oberfläche aus pulverisiertem Metall. Dort wo der Laser auf die Oberfläche trifft, verschweißt dieser das Metall. Der Prozess wird Schicht für Schicht wiederholt indem eine neue Lage des Metallpulvers aufgetragen wird.

Beim DMLS kommen die gängigsten Metalllegierungen zum Einsatz. Der Vorteil hieraus ist ein nahezu identischer und einsatzfähiger Prototyp aus dem Fertigmaterial. Je nach Machbarkeit können weitere Teile in die Produktion im Metal Metall-Spritzguss übernommen werden.

Vorteile

DMLS stellt belastbare Prototypen her (bis 97% vergleichbar)aus allen gängigen Metallen. Danke des Aufbaues (Schichtweise) können Funktionen eingeplant werden die sonst mit üblichen Verfahren nicht möglich sind.

Nachteile

Steigende Kosten in der Herstellung über DMLS bei steigender Produktionsmenge (Vergleich Stückkosten pro Teil). Raue Oberflächen über das gesamte Teil.

FDM	Fused Deposition Modeling
	Das FDM-Verfahren baut mithilfe eines computergesteuerten Druckkopfes Teile schichtweise von unten nach oben auf. Das Ausgangsmaterial für den Prozess ist ein Filament aus extrudiertem Kunststoff, das die Maschine für jeden Querschnitt des gewünschten Teils selektiv aufschmelzt und auf der darunter liegenden Schicht aufbringt. Beim FDM-Verfahren werden die Teile aus ABS oder PC hergestellt und sind daher stabiler als Teile aus anderen additiven Verfahren. Dennoch sind die Teile manchmal porös und auf der Oberfläche erscheint, insbesondere an den Schichtübergängen, ein ausgeprägter Treppeneffekt oder eine geriffelte Textur. Außerdem lassen sich mit dem Verfahren enge Toleranzen unter Umständen nur schwer realisieren. Vorteile FDM-Teile sind relativ stabil und eignen sich gut für bestimmte Funktionsprüfungen. Das Verfahren ermöglicht die Herstellung von Teilen mit komplexen Geometrien. Nachteile Die Teile besitzen ein schlechtes Oberflächenfinish und eine deutliche Riffelung. Der Aufbau der Teile bei diesem additiven Verfahren dauert außerdem länger als beim SLoder SLS-Verfahren.

FDM

Fused Deposition Modeling

Das FDM-Verfahren baut mithilfe eines computergesteuerten Druckkopfes Teile schichtweise von unten nach oben auf. Das Ausgangsmaterial für den Prozess ist ein Filament aus extrudiertem Kunststoff, das die Maschine für jeden Querschnitt des gewünschten Teils selektiv aufschmelzt und auf der darunter liegenden Schicht aufbringt. Beim FDM-Verfahren werden die Teile aus ABS oder PC hergestellt und sind daher stabiler als Teile aus anderen additiven Verfahren. Dennoch sind die Teile manchmal porös und auf der Oberfläche erscheint, insbesondere an den Schichtübergängen, ein ausgeprägter Treppeneffekt oder eine geriffelte Textur. Außerdem lassen sich mit dem Verfahren enge Toleranzen unter Umständen nur schwer realisieren.

Vorteile

FDM-Teile sind relativ stabil und eignen sich gut für bestimmte Funktionsprüfungen. Das Verfahren ermöglicht die Herstellung von Teilen mit komplexen Geometrien.

Nachteile

Die Teile besitzen ein schlechtes Oberflächenfinish und eine deutliche Riffelung. Der Aufbau der Teile bei diesem additiven Verfahren dauert außerdem länger als beim SLoder SLS-Verfahren.

3DP	Dreidimensionales Drucken
	Dreidimensionales Drucken ist eines der einfachsten und grundlegendsten additiven Prototyping-Verfahren. Ein Druckkopf bewegt sich über einer dünnen Pulverschicht und trägt punktuell flüssiges Bindemittel auf. Der Vorgang wiederholt sich bis das gesamte Teil fertiggestellt ist. Nach Fertigstellung wird das ungebundene Pulver entfernt und zurück bleibt das erstellte Objekt. Vorteile 3DP bietet die schnellste Formgebungszeit aller additiven Verfahren und gehört außerdem zu den günstigsten Optionen für Prototypen. Farbige Modelle können informativer sein und besitzen ein ästhetisches Aussehen. Das Gipsmaterial ist ungiftig, kostengünstig und schnell verfügbar. Das Verfahren ermöglicht die Herstellung von Teilen mit komplexen Geometrien. Nachteile Die Teile sind rau und schwach und die Materialoptionen sind sehr beschränkt. 3DM ermöglicht zwar die Herstellung von Teilen mit komplexen Geometrien, das Verfahren gibt jedoch keinen Ausschluss über die eventuelle Ausführbarkeit des Designs.

3DP

Dreidimensionales Drucken

Dreidimensionales Drucken ist eines der einfachsten und grundlegendsten additiven Prototyping-Verfahren. Ein Druckkopf bewegt sich über einer dünnen Pulverschicht und trägt punktuell flüssiges Bindemittel auf. Der Vorgang wiederholt sich bis das gesamte Teil fertiggestellt ist. Nach Fertigstellung wird das ungebundene Pulver entfernt und zurück bleibt das erstellte Objekt.

Vorteile

3DP bietet die schnellste Formgebungszeit aller additiven Verfahren und gehört außerdem zu den günstigsten Optionen für Prototypen. Farbige Modelle können informativer sein und besitzen ein ästhetisches Aussehen. Das Gipsmaterial ist ungiftig, kostengünstig und schnell verfügbar. Das Verfahren ermöglicht die Herstellung von Teilen mit komplexen Geometrien.

Nachteile

Die Teile sind rau und schwach und die Materialoptionen sind sehr beschränkt. 3DM ermöglicht zwar die Herstellung von Teilen mit komplexen Geometrien, das Verfahren gibt jedoch keinen Ausschluss über die eventuelle Ausführbarkeit des Designs.

PJET	Poly-Jet
	PJET verwendet Druckköpfe zum Aufspritzen eines UV-härtbaren Materials in sehr dünnen Schichten bei hoher Auflösung. Die Materialien werden schichtweise in hauchdünnen Schichten auf eine Bauplattform aufgespritzt, bis das Teil fertig gestellt ist. Jede Photopolymer-Schicht wird sofort nach dem Druckvorgang mit UV-Licht vollständig ausgehärtet. Das gelartige Supportmaterial, das speziell für komplizierte Geometrien ausgelegt ist, lässt sich leicht per Hand oder mit einem Wasserstrahl entfernen. Vorteile Dieses Verfahren erzielt ein gutes Oberflächenfinish, eines der besten bei additiven Verfahren. Es ist eine gute additive Wahl für komplexe Teile mit Hinterschneidungen. Das Verfahren ermöglicht die Herstellung von Teilen mit komplexen Geometrien. Nachteile Die Festigkeit der PJET-Teile ist mangelhaft (vergleichbar mit SL). PJET ermöglicht zwar die Herstellung von Teilen mit komplexen Geometrien, das Verfahren gibt jedoch keinen Ausschluss über die eventuelle Ausführbarkeit des Designs.

PJET

Poly-Jet

PJET verwendet Druckköpfe zum Aufspritzen eines UV-härtbaren Materials in sehr dünnen Schichten bei hoher Auflösung. Die Materialien werden schichtweise in hauchdünnen Schichten auf eine Bauplattform aufgespritzt, bis das Teil fertig gestellt ist. Jede Photopolymer-Schicht wird sofort nach dem Druckvorgang mit UV-Licht vollständig ausgehärtet. Das gelartige Supportmaterial, das speziell für komplizierte Geometrien ausgelegt ist, lässt sich leicht per Hand oder mit einem Wasserstrahl entfernen.

Vorteile

Dieses Verfahren erzielt ein gutes Oberflächenfinish, eines der besten bei additiven Verfahren. Es ist eine gute additive Wahl für komplexe Teile mit Hinterschneidungen. Das Verfahren ermöglicht die Herstellung von Teilen mit komplexen Geometrien.

Nachteile

Die Festigkeit der PJET-Teile ist mangelhaft (vergleichbar mit SL). PJET ermöglicht zwar die Herstellung von Teilen mit komplexen Geometrien, das Verfahren gibt jedoch keinen Ausschluss über die eventuelle Ausführbarkeit des Designs.

CNC Machining	Computerized Numerical Control (Computerisierte numerisch gesteuerte Zerspanung)
	Ein massiver Kunststoff- oder Metallblock wird in eine CNC-Fräse geklemmt und im subtraktiven Verfahren zu einem Fertigteil geschnitten. Diese Methode erzeugt eine viel höhere Festigkeit und ein besseres Oberflächenfinish als jedes additive Verfahren. Sie besitzt außerdem die kompletten, homogenen Eigenschaften des Kunststoffs, da es im Gegensatz zu den additiven Verfahren, bei denen ‚kunststoffähnliche‘ Materialien schichtweise verarbeitet werden, massive Blöcke aus extrudiertem oder formgepresstem thermoplastischem Kunststoff verwendet. Dank der breiten Auswahl an Werkstoffen können Teile mit den gewünschten Materialeigenschaften hergestellt werden, wie z.B. Zugfestigkeit, Schlagzähigkeit, Wärmeform- und Chemikalienbeständigkeit und Biokompatibilität. Aufgrund des guten Toleranzbereichs eignen sich die Teile für Passform- und Funktionsprüfungen. Prototypen können wie bei additiven Verfahren innerhalb weniger Tage geliefert werden. Da bei dem Verfahren Material entfernt statt hinzugefügt wird, können sich Hinterschneidungen manchmal schwierig gestalten. Außerdem ist CNC-Bearbeitung unter Umständen etwas teurer als additive Verfahren. Vorteile CNC-bearbeitete Teile besitzen ein gutes Oberflächenfinish und sind sehr robust, da sie aus technischen Kunststoffen und hochwertigen Metallen gefertigt werden. Nachteile Die CNC-Bearbeitung unterliegt geometrischen Beschränkungen. Außerdem ist eine betriebsinterne Umsetzung aufgrund der Kosten für Programmierer und Mechaniker, die für die Erstellung von CNC-Werkzeugwegen und Aufspannvorrichtungen für diese Teile notwendig sind, deutlich teurer als bei additiven Verfahren.

CNC Machining

Computerized Numerical Control (Computerisierte numerisch gesteuerte Zerspanung)

Ein massiver Kunststoff- oder Metallblock wird in eine CNC-Fräse geklemmt und im subtraktiven Verfahren zu einem Fertigteil geschnitten. Diese Methode erzeugt eine viel höhere Festigkeit und ein besseres Oberflächenfinish als jedes additive Verfahren. Sie besitzt außerdem die kompletten, homogenen Eigenschaften des Kunststoffs, da es im Gegensatz zu den additiven Verfahren, bei denen ‚kunststoffähnliche‘ Materialien schichtweise verarbeitet werden, massive Blöcke aus extrudiertem oder formgepresstem thermoplastischem Kunststoff verwendet. Dank der breiten Auswahl an Werkstoffen können Teile mit den gewünschten Materialeigenschaften hergestellt werden, wie z.B. Zugfestigkeit, Schlagzähigkeit, Wärmeform- und Chemikalienbeständigkeit und Biokompatibilität. Aufgrund des guten Toleranzbereichs eignen sich die Teile für Passform- und Funktionsprüfungen. Prototypen können wie bei additiven Verfahren innerhalb weniger Tage geliefert werden.

Da bei dem Verfahren Material entfernt statt hinzugefügt wird, können sich Hinterschneidungen manchmal schwierig gestalten. Außerdem ist CNC-Bearbeitung unter Umständen etwas teurer als additive Verfahren.

Vorteile

CNC-bearbeitete Teile besitzen ein gutes Oberflächenfinish und sind sehr robust, da sie aus technischen Kunststoffen und hochwertigen Metallen gefertigt werden.

Nachteile

Die CNC-Bearbeitung unterliegt geometrischen Beschränkungen. Außerdem ist eine betriebsinterne Umsetzung aufgrund der Kosten für Programmierer und Mechaniker, die für die Erstellung von CNC-Werkzeugwegen und Aufspannvorrichtungen für diese Teile notwendig sind, deutlich teurer als bei additiven Verfahren.

IM	Schnellspritzguss
	Schnellspritzgießen ist ein Verfahren, bei dem, wie im traditionellen Spritzgussverfahren, thermoplastische Kunststoffe in ein Formwerkzeug eingespritzt werden. „Schnell“ macht dieses Verfahren die Technologie zur Herstellung des Formwerkzeugs. Es wird oft aus Aluminium statt dem bei Serienformen traditionell verwendeten Stahl gefertigt. Spritzgussteile sind robust und können mit ausgezeichneten Oberflächeneigenschaften hergestellt werden. Außerdem handelt es sich hierbei um das branchenübliche Fertigungsverfahren für Kunststoffteile, das unter Umständen die Vorteile des Prototyping in ein und demselben Verfahren vereint. Es können fast alle technischen Kunststoffe verwendet werden, sodass der Konstrukteur keine Materialeinschränkungen durch das Prototyping-Verfahren berücksichtigen muss. Schnellspritzgussteile aus Flüssigsilikon sind ebenfalls möglich. Weder beim 3D-Druck noch bei der CNC-Bearbeitung entstehen die mit dem Schnellspritzguss verbundenen anfänglichen Werkzeugkosten. In den meisten Fällen ist es daher sinnvoll, ein bis zwei Durchläufe an schnellen Prototypen durchzuführen (subtraktiv oder additiv), um die Passform und Funktion vor Beginn des Spritzgussverfahrens zu prüfen. Vorteile Formteile werden aus einer breiten Palette an technischen Kunststoffen gefertigt, besitzen ausgezeichnete Oberflächenfinishs und bieten eine ausgezeichnete Prognose über die Ausführbarkeit während der Produktionsphase. Nachteile Die Vorlaufkosten können aufgrund der Werkzeugkosten höher ausfallen.

Schnellspritzguss

Schnellspritzgießen ist ein Verfahren, bei dem, wie im traditionellen Spritzgussverfahren, thermoplastische Kunststoffe in ein Formwerkzeug eingespritzt werden. „Schnell“ macht dieses Verfahren die Technologie zur Herstellung des Formwerkzeugs. Es wird oft aus Aluminium statt dem bei Serienformen traditionell verwendeten Stahl gefertigt. Spritzgussteile sind robust und können mit ausgezeichneten Oberflächeneigenschaften hergestellt werden. Außerdem handelt es sich hierbei um das branchenübliche Fertigungsverfahren für Kunststoffteile, das unter Umständen die Vorteile des Prototyping in ein und demselben Verfahren vereint. Es können fast alle technischen Kunststoffe verwendet werden, sodass der Konstrukteur keine Materialeinschränkungen durch das Prototyping-Verfahren berücksichtigen muss. Schnellspritzgussteile aus Flüssigsilikon sind ebenfalls möglich.
Weder beim 3D-Druck noch bei der CNC-Bearbeitung entstehen die mit dem Schnellspritzguss verbundenen anfänglichen Werkzeugkosten. In den meisten Fällen ist es daher sinnvoll, ein bis zwei Durchläufe an schnellen Prototypen durchzuführen (subtraktiv oder additiv), um die Passform und Funktion vor Beginn des Spritzgussverfahrens zu prüfen.

Vorteile

Formteile werden aus einer breiten Palette an technischen Kunststoffen gefertigt, besitzen ausgezeichnete Oberflächenfinishs und bieten eine ausgezeichnete Prognose über die Ausführbarkeit während der Produktionsphase.

Nachteile

Die Vorlaufkosten können aufgrund der Werkzeugkosten höher ausfallen.

Ein Verfahren auswählen

Bestimmten Sie anhand der folgenden Entscheidungshilfen das Verfahren, das für Ihr Projekt am besten geeignet ist.

Schritt 1:
Grenzen Sie zunächst mithilfe des Entscheidungsbaums die Faktoren ein, die für Sie unter Berücksichtigung des derzeitigen Stadiums Ihres Prototyping-Prozesses am wichtigsten sind, und beachten Sie gegebenenfalls die Definitionen weiter unten.

Schritt 2:
Vergleichen Sie unter Einbezug der empfohlenen Aspekte für Ihren wichtigsten Faktor/Ihre wichtigsten Faktoren aus Schritt 1 die Verfahren anhand der Matrix auf Seite 8, um zu ermitteln, welches Verfahren für Ihr Projekt am besten geeignet ist.

Definitionen

Definitionen können in einzelnen Unternehmen unterschiedlich sein. Die nachstehenden Definitionen sind jedoch ein möglicher Ausgangspunkt.

Konzeptmodell – Grobes physisches Modell zur Veranschaulichung einer Idee. Konzeptmodelle können Personen aus unterschiedlichen Funktionsbereichen die Idee visuell zugänglich machen, sie zu Gedanken und Diskussionen anregen und den Akzeptierungs- oder Ablehnungsprozess beschleunigen.

Wichtige Aspekte beim Prototyping:
Geschwindigkeit – Durchlaufzeit, die für die Konvertierung einer Computerdatei in einen physischen Prototypen erforderlich ist
Aussehen – alle optischen Aspekte – Farbe, Textur, Größe, Form, etc.

Montage-/Passformprüfung – Herstellen einiger oder aller Teile einer Baugruppe, deren Zusammenbau und die Überprüfung der Passgenauigkeit. Die grobe Überprüfung dient der Ermittlung von Konstruktionsfehlern, wie beispielsweise die Anordnung zweier Nasen mit 4 cm Abstand, während die dazugehörigen Vertiefungen einen Abstand von nur 2 cm aufweisen. Bei der genauen Überprüfung geht es um kleinere Größenunterschiede und Toleranzen. Natürlich muss jede Prüfung von Toleranzen auf das tatsächliche Fertigungsverfahren oder ein Verfahren mit ähnlichen Toleranzen zurückgreifen.

Wichtige Aspekte beim Prototyping:
Form – die Form des Teils – Funktionen und Größe
Passform – Passgenauigkeit in Bezug auf andere Teile.

Funktionsprüfung – Überprüfen der Funktion eines Teils oder einer Baugruppe unter für die tatsächliche Anwendung typischen Belastungen.

Wichtige Aspekte beim Prototyping:
Medienbeständigkeit – Beständigkeit gegenüber Chemikalien einschließlich Säuren, Basen, Kohlenwasserstoffen, Kraftstoffen, etc.
Mechanische Eigenschaften – Festigkeit des Teils gemessen an der Zug-, Druck-, Biege-, Schlag-, Zerreißfestigkeit usw.
Elektrische Eigenschaften – Wechselwirkung zwischen elektrischen Feldern und dem Teil. Dazu können gehören: Dielektrizitätskonstante, Durchschlagsfestigkeit, dielektrischer Verlustfaktor, Oberflächen- und Volumenwiderstand, Ableitzeit usw.
Thermische Eigenschaften – Veränderungen der mechanischen Eigenschaften durch Temperaturänderungen. Dazu können gehören: Wärmeausdehnungskoeffizient, Wärmeformbeständigkeit, Vicat-Erweichungspunkt usw.
Optische Eigenschaften – Lichttransmission. Dazu können gehören: Brechzahl, Durchlässigkeit und Trübung.

Lebensdauerprüfung – Prüfung von Eigenschaften, die sich mit der Zeit ändern können und die für die Funktionstüchtigkeit eines Produkts im Verlauf seiner erwarteten Lebensdauer von Bedeutung sind. Bei Lebensdauerprüfungen wird das Produkt häufig extremen Bedingungen ausgesetzt (z.B. Temperatur, Feuchte, Spannung, UV-Strahlung usw.), um in kürzerer Zeit abzuschätzen, wie das Produkt über seine erwartete Lebensdauer hinweg reagieren wird.

Wichtige Aspekte beim Prototyping:
Mechanische Eigenschaften – Dauerfestigkeit – Fähigkeit, einer großen Anzahl an Lastzyklen bei unterschiedlichen Spannungsniveaus standzuhalten.
Alterungseigenschaften (UV, Kriechverhalten) – Fähigkeit, der Exposition gegenüber ultraviolettem Licht bei einem akzeptablem Maß an Zersetzung standzuhalten; Fähigkeit, ausgedehnten Kräfteeinwirkungen auf das Teil bei akzeptablen Ausmaßen an permanenter Verformung standzuhalten.

Konformitätsprüfung – von einer Aufsichtsbehörde oder Normungsorganisation vorgegebene Prüfung, um zu gewährleisten, dass Teile für einen bestimmten Verwendungszweck, wie z.B. in den Bereichen Medizin, Nahrungsmittel oder Verbraucher, geeignet sind. Dazu gehören beispielsweise die von den folgenden Stellen vorgeschriebenen Prüfungen: Underwriters Laboratory (UL), die Canadian Standards Association (CSA) die US-amerikanische Food and Drug Agency (FDA), die US-amerikanische Federal Communications Commission (FCC), die Internationale Organisation für Normung (ISO) und die Europäische Kommission.

Wichtige Aspekte beim Prototyping:
Entflammbarkeit – die Beständigkeit eines Kunststoffs oder Teils gegenüber der Entzündung durch eine Flamme
EMI/RFI-Eigenschaften – die Fähigkeit eines Kunststoffs, eines Teils oder einer Baugruppe, gegen Radiound elektromagnetische Wellen abzuschirmen oder diese zu blockieren
Lebensmitteltauglichkeit – Zulassung eines Kunststoffs oder Teils für den Einsatz in Anwendungen, bei denen der Kunststoff oder das Teil bei der Zubereitung, des Servierens oder dem Verzehr mit Lebensmitteln in Kontakt kommt.
Biokompatibilität – die Fähigkeit des Kunststoffs oder Teils, mit menschlichen oder tierischen Körpern außerhalb oder innerhalb des Körpers in Kontakt zu geraten, ohne schädliche Auswirkungen zu haben (z.B. Hautreizungen, Wechselwirkungen mit Blut, toxische Wirkung usw.). Die Biokompatibilität ist bei chirurgischen Instrumenten und vielen medizinischen Geräten wichtig.

Zusammenfassung

Prototypmodelle helfen Designteams dabei, anhand von wertvollen Informationen über die Leistung von und die Reaktion auf die Prototypen fundiertere Entscheidungen zu treffen. Je mehr Daten in diesem Stadium des Produktentwicklungszyklus gesammelt werden, umso eher lassen sich potenzielle Produktoder Fertigungsprobleme zu einem späteren Zeitpunkt vermeiden.

Die Verfolgung einer durchdachten Strategie beim Prototyping erhöht deutlich die Chance, dass das Produkt rechtzeitig auf den Markt gebracht und akzeptiert, sowie zuverlässig und profitabel wird.

Welche ist die beste Methode zur Herstellung eines Prototyps? Wie Sie hoffentlich aus dieser Broschüre entnommen haben, hängt die Antwort davon ab, in welchem Stadium Ihres Prozesses Sie sich gerade befinden sowie von Ihren Zielsetzungen. In der Anfangsphase des Entwicklungsprozesses, wenn die Ideen frei fließen, sind Konzeptmodelle sehr hilfreich. Im Verlauf des Entwicklungsprozesses gewinnt ein Prototyp mit der Größe, Oberfläche, Farbe, Form, Festigkeit, Haltbarkeit und den Materialeigenschaften des geplanten Endprodukts zunehmend an Bedeutung. Daher ist der Einsatz des richtigen Prototyping-Verfahrens besonders wichtig. Um Ihr Design am effektivsten zu validieren, sollten Sie ein besonderes Augenmerk auf die drei Schlüsselelemente Ihres Designs Funktionalität, Ausführbarkeit und Marktfähigkeit richten.

Wenn Ihr Prototyp die Eigenschaften des Endprodukts treu wiedergibt, ist er definitionsgemäß funktionsfähig. Zu diesen Anforderungen gehören häufig Aspekte wie Materialeigenschaften (z.B. Flammfestigkeit), Dimensionsgenauigkeit für eine perfekte Passform auf andere Teile sowie kosmetische Oberflächenfinishs für gutes Aussehen.

Wenn das Design Ihres Prototypen mehrmals und wirtschaftlich so hergestellt werden kann, dass dieser den Anforderungen des Endprodukts genügt, ist er definitionsgemäß ausführbar. Zu diesen Anforderungen gehört die Fähigkeit, die Funktionalität des Designs wie oben beschrieben aufrecht zu erhalten, die Stückkosten unter dem angegebenen Niveau zu halten und den Produktionsplan einzuhalten. Auch das genialste Design verläuft im Sand, wenn es nicht hergestellt werden kann. Achten Sie darauf, dass Ihr Prototyping-Verfahren dies berücksichtigt.

Letztendlich ist nicht gesagt, dass Verbraucher Ihr Produkt nutzen möchten, selbst wenn Ihr Prototypendesign funktionsfähig und ausführbar ist. Nur mit Prototypen lässt sich die Marktfähigkeit des Designs in diesem Sinne wirklich überprüfen. Wenn Ihr Design auch die mit Marktversuchen (z.B. Präsentationen auf Messen, Usability-Tests) und Konformitätsprüfungen (z.B. FDA-Prüfung von medizinischen Geräten) einhergehenden Herausforderungen meistert, sind Sie auf dem besten Weg zu einer erfolgreichen Produkteinführung.

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