Kritische Überlegungen zur Auswahl einer Prototyping-Methode

Michael Paloian | 15. Februar 2021

Im vorherigen Artikel zu diesem Thema habe ich darauf hingewiesen, wie wichtig Prototyping während des Produktdesigns und der Produktentwicklung ist, um Ihr Design zu überprüfen. Ich habe mir die vielen Kunststoff-Prototyping-Optionen angesehen, die uns zur Verfügung stehen, darunter die drei beliebtesten Rapid-Prototyping-Technologien. In Teil 1 wurde die erste Hälfte der 12 Überlegungen besprochen, die vor der Auswahl des besten Prozesses berücksichtigt werden sollten. In diesem zweiten Teil werden die anderen sechs Überlegungen zu denselben Prototyping-Technologien besprochen, um Ihnen bei der Entscheidung zu helfen, welche Methode für Ihre Anforderungen am besten geeignet ist.

Nachfolgend finden Sie eine Liste der derzeit verfügbaren Kunststoff-Prototyping-Methoden:

Die verbleibenden sechs Überlegungen zur Auswahl der besten Prototyping-Methode sind nachstehend aufgeführt:

Ich werde jede dieser Überlegungen in diesem Artikel besprechen.

Alle zuvor aufgeführten Prozesse können für Prototyping-Teile spezifiziert werden, um das Gesamterscheinungsbild, Kollisionsprüfungen, Ergonomie und das Gesamtkonzept zu überprüfen. Allerdings ist die Überprüfung des Teiledesigns auf der Grundlage spezifischer Materialeigenschaften viel schwieriger durchzuführen. Das Spritzgießen von Prototypen ist die einzige Prototyping-Option, mit der Teile hergestellt werden können, die nahezu identisch mit den Serienteilen sind. Der Grund, warum ich es als nahezu identisch beschrieben habe, liegt darin, dass Werkzeugdesign, Qualität, Konstruktion und Materialien sowie Verarbeitungsbedingungen zu einigen Unterschieden zwischen einem Prototyp-Spritzgussteil und einem Produktionsteil führen können.

Die beiden zweitplatzierten Prototyping-Optionen sind CNC-Bearbeitung und FDM. Durch CNC-gefräste Teile, die aus einer einzigen Platte eines bestimmten Kunststoffmaterials geschnitten werden, erhalten Sie Teile, die den Produktionsstücken möglichst genau entsprechen. Es ist zu beachten, dass Plattenmaterial in dicken Querschnitten entweder extrudiert oder spritzgegossen wird. Exakte Übereinstimmungen mit Produktionsmaterialien werden selten erreicht. Stattdessen sind allgemeine Übereinstimmungen mit einem bestimmten Material sehr wahrscheinlich. Beispiele hierfür sind Materialien wie GP-Polystyrol, Polyethylen, Polycarbonat, Acetal, ABS usw. Es ist wichtig, sich darüber im Klaren zu sein, dass bearbeitetes Brammenmaterial auf Vorgänge beschränkt ist, die auf einer CNC-Maschine ausgeführt werden können, und auf die Verfügbarkeit von Lagermaterialgrößen. Außerdem sollten bearbeitete Teile geglüht werden, um maschinell erzeugte Spannungen abzubauen. Man sollte auch wissen, dass sich die Molekularstruktur von extrudiertem oder spritzgegossenem Blockmaterial von der eines spritzgegossenen Teils unterscheidet. Dies gilt insbesondere für glasfaserverstärkte Materialien.

Im Gegensatz zur CNC-Bearbeitung können FDM-Prototypen aus praktisch jedem thermoplastischen Material hergestellt werden. Mit Mini-Extrudern können Sie die meisten Thermoplaste zu Filamenten für Ihren FDM-Drucker extrudieren. Das gedruckte Teil ist bis auf Toleranzen geometrisch identisch mit Ihrer 3D-CAD-Datei. Der Nachteil von FDM ist das anisotrope Verhalten des gedruckten Teils. Materialeigenschaften in der XY-Ebene können sich erheblich von denen in der Z-Achse unterscheiden. Der Grad der Differenz hängt vom Material und vor allem vom Drucker ab. Einige Drucker behaupten, dass die Materialstärke der Z-Achse 90 % derjenigen der XY-Ebene beträgt. Die meisten Drucker erreichen jedoch bei weitem nicht dieses Korrelationsniveau. Einer der bedeutendsten Eigenschaftsunterschiede liegt in der Biegefestigkeit des Materials. Eine einfache Lösung besteht darin, Funktionen wie Schnappverschlüsse als separate Teile zu drucken, wobei die Strukturstruktur in Richtung der Biegung verläuft. Der Schnappverschluss kann später mit Lösungsmitteln oder Klebstoffen mit dem Hauptteil verbunden werden.

Handgefertigte Prototypen, die aus mehreren kleineren Teilen bestehen, die zu einem einzigen Stück zusammengefügt werden, sind auf im Handel erhältliche Lagermaterialien wie CNC-bearbeitete Teile beschränkt. Handgefertigte Prototypen können verfahrensbedingt eher einem Spritzgussteil ähneln; Allerdings sind fertige Prototypen viel empfindlicher als ein CNC-bearbeitetes Teil, da das Hauptteil typischerweise durch das Zusammenkleben mehrerer kleinerer Teile mit Lösungsmitteln oder Klebstoffen hergestellt wird. Handgefertigte Prototypen können daher nicht zuverlässig einem Fall- oder Schlagtest unterzogen werden.

Gusspolyurethane, SLS und SLA sind alle auf eine kleine Familie von Harzen beschränkt: Gusspolyurethane sind auf Polyurethan beschränkt, SLS ist auf Nylon beschränkt und SLA ist auf Epoxid- oder Acrylharze beschränkt.

Wenn ein Produkt aggressiven Chemikalien, Kriechtests oder Schlagtests ausgesetzt werden soll, wird empfohlen, die tatsächliche Materialprobe unter den voraussichtlichen Verwendungsbedingungen zu testen. Das Testen eines Prototyps kann zu teuer oder unpraktisch sein.

Manchmal müssen Sie mehr als einen Prototyp erstellen. Mehrere Prototypen sind erforderlich, wenn Sie destruktive Tests durchführen oder mehrere Prototypen an Benutzer zur Rückmeldung oder an mehrere Standorte zur Evaluierung und zum Testen verteilen. Die Auswahl der idealen Prototyping-Option ist nicht so einfach, wie Sie denken. Sie müssen Kosten, Investitionen, Vorlaufzeit, Qualität und das, was Sie bewerten, berücksichtigen. Die folgende Tabelle vergleicht die verschiedenen Prototyping-Optionen basierend auf diesen Überlegungen. Es wurde als Leitfaden erstellt. Es gibt Überschneidungen zwischen den Optionen und Ihre Erfahrungen können je nach Anbieter, mit dem Sie zusammenarbeiten, bis zu einem gewissen Grad variieren.

Bewertung: 1 = niedrig, langsam; 5 = hoch, schnell

Produktdesigner und Ingenieure müssen ein Gleichgewicht zwischen Kreativität, Innovation und der Gewissheit aufrechterhalten, dass ihre vorgeschlagenen Designs nach Abschluss des Projekts wie beabsichtigt funktionieren. Prototyping und Tests während des gesamten Entwicklungsprozesses ermöglichen es Entwicklern, ihre Ideen effizient zu überprüfen, lange bevor der Produktdesignzyklus abgeschlossen ist. Diese Methodik verringert das Risiko, Hunderte oder Tausende von Arbeitsstunden in einen Entwurf zu investieren, der letztendlich möglicherweise eine vollständige Neukonstruktion erfordert. Designer müssen immer die Kompromisse zwischen Kosten und Zeit der Prototypenerstellung und der Gültigkeit der aus Tests abgeleiteten Ergebnisse analysieren.

Nachfolgend finden Sie einige Beispiele für Tests und Evaluierungen aus der Praxis. Wir hoffen, dass diese Beispiele Ihnen helfen können, den Prozess zu verstehen, der für eine bestimmte Situation am besten geeignet ist.

Ästhetische Modelle können sehr einfach oder recht kompliziert sein. In allen Fällen ist die Produktfunktion nicht wichtig, es sei denn, die Funktion steht in direktem Zusammenhang mit dem Erscheinungsbild. Beispielsweise beeinflussen Türen, Knöpfe und Griffe – die funktional sind – das Erscheinungsbild. Dies erfordert einen Detaillierungsgrad, der die Designabsicht klar kommuniziert. Innenräume können freigelegt werden, sodass sie den allgemeinen Erscheinungsbildstandards entsprechen müssen. Daher sind alle Prototyping-Optionen geeignet, mit Ausnahme des Prototypen-Spritzgusses. Ein großes, komplexes elektronisches Gerät mit Hunderten von internen Komponenten kann klar durch eine massive oder hohle Hülle mit feinen Details für alle für den Betrachter sichtbaren externen Teile dargestellt werden. Die Kosten für diese Prototypen werden in die Kunstfertigkeit und das handwerkliche Können des Modellbauers investiert – das Mischen von Farben, das Abdecken, Malen, Schleifen, Polieren und die sorgfältige Lösung feiner Details sind aufwändig und kostspielig.

Prototypen sind unerlässlich, wenn Sie versuchen, die Überlegungen zu menschlichen Faktoren zu optimieren. Parameter wie Gewicht, Balance, Fingerfreiheit, Komfort, Griffdesign usw. erfordern umfassende Untersuchungen und Bewertungen, lange bevor das Design endgültig ist. Ergonomische Prototypen müssen nicht zu 100 % funktionsfähig sein. Der Grad ihrer Funktionalität wird durch ihre Auswirkung auf ergonomische Gesichtspunkte bestimmt. Soll der Prototyp beispielsweise auf seinen akzeptablen Tragekomfort in der Hand hin beurteilt werden, müssen die Griffkonturen genau definiert werden. Wenn der Prototyp hinsichtlich der taktilen Rückmeldung von Auslösern, Knöpfen oder Riegeln evaluiert wird, sollte das Kraftprofil für diese Funktionen genau dargestellt werden. Andere Merkmale wie Positionen für Griffe, Freiräume für Beine, Sichtbarkeit von Displays usw. müssen alle im Prototyp genau dargestellt werden. In den meisten Fällen kann für diese Studien ein vereinfachtes nichtfunktionales Modell verwendet werden. Die Modelle müssen möglicherweise nicht nachbearbeitet oder lackiert werden. Für die meisten ergonomischen Studien reicht möglicherweise ein einfaches monochromatisches Rohmodell aus. Allerdings können fertige Prototypen erforderlich sein, wenn Farbe, Oberflächenstruktur oder Materialhärte entscheidend sind.

Abhängig von der Art der ergonomischen Studie sind handgefertigte Prototypen äußerst effektiv, kostengünstig und schnell. Sie können aus einer Vielzahl von Materialien hergestellt werden, von Ton, Gips oder Holz bis hin zu Kunststoff und Metall. Wenn genauere Modelle benötigt werden, sind alle anderen Verfahren außer Prototypenspritzguss geeignet. Die bestimmenden Faktoren beschränken sich auf Kosten, Verfügbarkeit und endgültige Anforderungen.

Die Teilegröße ist ein wichtiger Faktor bei der Entscheidung für die beste Prototyping-Option. Die Größe der Teile kann von mikroskopisch bis klavierähnlich reichen. Kleine Mengen mikroskopischer Teile eignen sich ideal für das Rapid Prototyping. Es gibt einige Unternehmen, die spezielle 3D-Drucker anbieten, die speziell für den Druck von Teilen mit einer Größe von nur wenigen Mikrometern ausgelegt sind. Die Materialauswahl für diesen Prozess ist natürlich begrenzt. Obwohl die meisten spritzgegossenen Kunststoffteile innerhalb des standardmäßigen 12-Zoll-Formats passen. Würfelvolumen, größere Teile können auf größeren Maschinen am Stück gedruckt werden. FDM-Maschinen haben derzeit ein Volumen von über 1000 x 1000 x 1000 mm. Diese sehr großen Maschinen sind im Handel erhältlich, aber die meisten 3D-Druckhersteller verfügen nicht über sie und drucken große Teile in kleineren Abschnitten, die später zu einem größeren Stück zusammengefügt werden. Da bei allen Prozessen große Teile (mehr als 2 x 2 Fuß) entstehen können, müssen bei der Entscheidung für einen Prozess die Teilegeometrie, die Komplexität und die Toleranzen berücksichtigt werden. Das Spritzgießen von Prototypen ist sicherlich keine kostengünstige Option. Gusspolyurethan, Vakuumformen und Verbundwerkstoffe eignen sich jedoch ideal für mittlere bis große Teile. Tatsächlich können vakuumgeformte und zusammengesetzte Prototypen mit Produktionsteilen identisch sein, wenn die Materialien und Verarbeitungsparameter ähnlich sind.

Bei der Auswahl einer Prototyping-Option spielen immer die Kosten eine wichtige Rolle. Einige Prozesse erfordern eine erhebliche Vorabinvestition, während andere überhaupt keine Investitionen erfordern. Einige Prozesse sind arbeitsintensiv und verursachen hohe Stückkosten, während andere effizienter und wesentlich kosteneffektiver sind. Die folgende Tabelle vergleicht Prozesse basierend auf Investitions- und Stückkosten.

Bewertung: 1 = niedrig; 5 = hoch

Die Stückkosten für alle oben aufgeführten Prototyping-Prozesse mit Ausnahme des Spritzgusses können je nach äußerer Oberfläche erheblich variieren. Funktionale Prototypen, die nur wenig bis gar keine Nacharbeit erfordern, sind viel kostengünstiger als Prototypen, die mit einer Lackierung der Klasse 1, Grafiken und anderen Details versehen sind, die viele Arbeitsstunden von Hand erfordern. Die Kosten für ein FDM-Teil können sich je nach erforderlicher Endbearbeitungsqualität verdoppeln oder verdreifachen. Typischerweise erfordern FDM-Teile mehr Handarbeit und Nachbearbeitungszeit als SLA-Teile, die eine viel höhere Auflösung haben. CNC-bearbeitete Teile sind am kostengünstigsten für funktionale Prototypen, die unter Belastungen oder anderen Umgebungsbedingungen funktionieren müssen.

Prototypen erfordern oft klare Teile. Mit allen in diesem Artikel besprochenen Prototyping-Verfahren können transparente Teile hergestellt werden, mit Ausnahme von SLS, das hauptsächlich auf Nylon und Verbundwerkstoffe beschränkt ist, die mit Glas- oder Kohlefasern verstärkt sind. Wenn wir jedoch die Anforderung der optischen Klarheit hinzufügen, werden die Optionen enger.

FDM kann aus PET- und Acrylmaterialien klare Teile herstellen, die Teile sind jedoch nicht optisch klar. Licht dringt durch, aber die Sicht wird aufgrund der Schichtung beeinträchtigt. Handgefertigte und CNC-bearbeitete Teile aus Acryl können auf optische Klarheit poliert werden. Polyurethane können in farbigen oder klaren Materialien gegossen werden und so optisch klare Teile bilden. Typischerweise müssen Gussteile nur minimal poliert werden, um eine klare Oberfläche zu erzielen. Man sollte sich auch darüber im Klaren sein, dass Gussteile bei unsachgemäßer Verarbeitung manchmal Luftblasen einschließen können. Vakuumgeformte Teile können aus klarem Polycarbonat oder Acrylglas geformt werden. Natürlich können beim Spritzgießen optisch klare Teile aus praktisch jedem Thermoplast hergestellt werden, wenn die Formen hochglanzpoliert sind. Die beste Rapid-Prototyping-Methode zur Herstellung transparenter Teile ist SLA. Die Prototypenerstellung von Linsen oder Teilen in optischer Qualität ist viel komplizierter als die Prototypenerstellung eines klaren Fensters. Ein klares Fenster erfordert nicht das gleiche Maß an Perfektion wie ein Fenster mit optischer Qualität, das Licht nahezu verzerrungsfrei durchlassen muss. Optische Linsen erfordern nicht nur eine verzerrungsfreie Geometrie, sondern auch der Brechungsindex des Materials muss mit dem der Produktionsteile übereinstimmen.

Für produktionsähnliche Prototypen ist häufig eine individuelle Farbabstimmung erforderlich. Durch FDM, Gießen, CNC-Bearbeitung, Vakuumformen und Spritzgießen können Teile mit eingegossener Farbe hergestellt werden. Es ist jedoch nicht praktikabel, einen Prototyp eines Teils mit einer eingegossenen Sonderfarbe zu erstellen. Die Bestellung maßgeschneiderter pigmentierter Harze für FDM-Filamente, spritzgegossene Pellets oder vakuumgeformte Platten ist äußerst unpraktisch, kostspielig und zeitaufwändig. SLA- und SLS-Teile sind in der Regel auf natürliche Materialfarben beschränkt – Weiß, durchscheinendes Beige oder wasserklar für SLA und Weiß für SLS. Maßgeschneidertes farblich abgestimmtes Polyurethan wird niemals mit dem eines spritzgegossenen Thermoplasts identisch sein. Daher werden praktisch alle Prototypen mit genau abgestimmten Pigmenten lackiert, um strengen Farbstandards zu entsprechen. Beim Auftragen von Farben auf Prototypen müssen Sie darauf achten, eng anliegende Merkmale zu definieren, die von der Farbe abgedeckt werden müssen. Die Farbdicke kann manchmal mehr als ein Fünftausendstel Zoll betragen, was zu Störungen führt.

Prototypen sind äußerst hilfreich, um Ihr Design zu testen und zu verifizieren, lange bevor es fertiggestellt oder für die Produktion freigegeben wurde. Nachfolgend sind einige der häufigsten Tests und Bewertungen aufgeführt, die an Prototypen durchgeführt werden:

Die ersten drei hängen ausschließlich von den Materialien und der Herstellungsweise ab. Wie bereits erwähnt, sollte die materialbasierte Prüfung und Bewertung idealerweise am gleichen Material erfolgen. In den meisten Situationen ist dies jedoch weder praktikabel noch kosteneffizient, und Sie müssen alternative Methoden zur Durchführung dieser Tests finden. Eine praktikable Alternative wäre, die Eigenschaft, die Sie testen möchten, zu isolieren und das Material durch einen geeigneten Ersatz zu ersetzen. Ein Beispiel könnte das Testen der Haptik eines Schnappverschlusses sein. Wenn Ihr Produktionsteil beispielsweise aus Polycarbonat gefertigt wurde und Sie einen SLA-Prototyp für feine Details benötigen, können Sie das Polycarbonat durch ein Epoxidharz mit dem gleichen Modul wie Polycarbonat ersetzen.

Die Bewertung der Montagefreundlichkeit, insbesondere bei kompakten elektronischen Produkten mit zahlreichen Anschlüssen, kleinen Schrauben und Schnappverbindungen, ist ein entscheidender Schritt im Designprozess. Der ideale Prozess für diese Art der Bewertung ist SLA, mit dem sich sehr feine Details präzise und kostengünstig reproduzieren lassen. Größere Montagestudien können je nach Entwicklungsstand mittels FDM oder auch handgefertigten Modellen ausgewertet werden.

Die Bewertung der Produktsicherheit ist für die meisten Produkte, die von Generation zu Generation immer komplexer und anspruchsvoller werden, von entscheidender Bedeutung. Alle in diesem Artikel besprochenen Prozesse können zur Prüfung der Produktsicherheit spezifiziert werden. Wenn die sichere Verwendung direkt mit den Materialeigenschaften verknüpft ist, sind die Optionen, wie bereits erläutert, begrenzt. Wenn Sie jedoch daran interessiert sind, die ideale Position eines Notrufknopfs oder -schilds zu ermitteln, kann manchmal ein handgefertigtes Schaumstoffmodell ausreichen. Der ideale Prozess hängt stark vom Detaillierungsgrad ab, der zur Darstellung des zu bewertenden Merkmals erforderlich ist.

Für handgeführte Produkte wie Elektrowerkzeuge, Sportartikel, medizinische Geräte usw. ist es wichtig, dass sie bei der Verwendung gut ausbalanciert und komfortabel sind. Die Haptik eines Produkts kann einen großen Einfluss auf seine Akzeptanz oder Ablehnung auf dem Markt haben. Daher ist es für Sie als Designer oder Ingenieur unerlässlich, diese Parameter frühzeitig im Designprozess zu validieren. Diese Parameter sind eine Funktion der Massenverteilung innerhalb einer Baugruppe sowie der für die äußere Struktur angegebenen Materialien. Rutschfeste, umspritzte Elastomere bieten häufig ein Maß an zusätzlichem taktilen Komfort, den eine Person für eine ordnungsgemäße Beurteilung spüren muss. Ein einfaches handgefertigtes Holz- oder Kartonmodell kann zur Beurteilung der Ausgewogenheit in den frühen Phasen eines Entwurfs ausreichend sein. Allerdings kann ein verfeinertes, gedrucktes FDM-Modell in der Mitte eines Projekts besser geeignet sein, gefolgt von einem sehr verfeinerten, fertigen SLA-Modell gegen Ende. Die wichtigsten Faktoren, die den optimalen Prozess bestimmen, sind Kosten, Personal, Fähigkeiten und Ausrüstung.

Hoffentlich haben Ihnen diese beiden Artikel genügend Informationen geliefert, die Ihnen bei der Entscheidung helfen, welche Prototyping-Optionen Ihren Anforderungen am besten gerecht werden. Die Grenzen zwischen ihnen können etwas verschwimmen, aber es gibt eindeutige Vor- und Nachteile für alle. Wenn Sie Kommentare oder Fragen haben, kontaktieren Sie mich bitte unter [email protected] und wir können uns unterhalten. Viel Glück bei Ihrem nächsten Projekt.

Über den Autor

Michael Paloian ist Präsident von Integrated Design Systems Inc. (IDS) mit Sitz in Oyster Bay, New York. Er hat einen Bachelor-Abschluss in Kunststofftechnik von der UMass Lowell und einen Master-Abschluss in Industriedesign von der Rhode Island School of Design. Paloian verfügt über umfassende Kenntnisse in der Konstruktion von Teilen in zahlreichen Prozessen und Materialien, darunter Kunststoffe, Metalle und Verbundwerkstoffe. Paloian hält mehr als 40 Patente und war ehemaliger Vorsitzender von SPE RMD und PD3. Er spricht häufig auf SPE-, SPI-, ARM-, MD&M- und IDSA-Konferenzen. Er hat außerdem Hunderte designbezogene Artikel für zahlreiche Publikationen geschrieben. Er ist telefonisch unter 516/482-2181 oder per E-Mail unter [email protected] erreichbar.

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