Um die optimale Prototyping-Methode zu finden, stellen Sie die richtigen Fragen

Michael Paloian | 07. Februar 2021

Eine kritische Phase während des Produktdesigns und der Produktentwicklung ist die Überprüfung Ihres Designs. Die Designverifizierung kann entweder durch Simulation oder Prototyping erreicht werden. Aufgrund seiner Kosteneffizienz, Genauigkeit und Bequemlichkeit ist die Prototypenerstellung in der Regel die bevorzugte Methode zur Designüberprüfung kleinerer Kunststoffteile.

Vor nicht allzu langer Zeit standen Designern und Ingenieuren nur zwei Prototyping-Optionen zur Verfügung: maschinell bearbeitete/handgefertigte Prototypen oder prototypische Spritzgussteile. Heutzutage stehen viele weitere Optionen zur Verfügung, die beliebteste davon ist das 3D-Rapid-Prototyping. Allerdings hat jede Prototyping-Methode sowohl ihre Vorteile als auch ihre Grenzen. In diesem Artikel werden die verschiedenen Kunststoff-Prototyping-Optionen anhand ihrer Vor- und Nachteile untersucht, 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 Auswahl der besten Option sollte auf Ihren Anforderungen basieren. Eine empfohlene Liste wichtiger Überlegungen umfasst:

Vor nicht allzu langer Zeit gab es nur sehr wenige Möglichkeiten, Kunststoffprototypen zu erstellen. Vor etwa 25 Jahren wurden alle Kunststoffprototypen entweder maschinell bearbeitet, von Hand gefertigt, gegossen oder, in sehr begrenztem Umfang, mit temporären Werkzeugen spritzgegossen. Es gab keine anderen Möglichkeiten.

Die Herstellung eines Kunststoffprototyps war äußerst teuer, zeitaufwändig und äußerst ungenau. Nur eine sehr begrenzte Anzahl von Werkstätten bot Prototypen-Spritzguss an, was sehr teuer und mit langen Vorlaufzeiten verbunden war. Von dieser Möglichkeit wurde selten Gebrauch gemacht. Die meisten Kunststoffprototypen wurden daher von Hand gefertigt oder in einigen Fällen CNC-bearbeitet.

Wir dürfen auch nicht vergessen, dass die Konstruktionsdetails vorwiegend in traditioneller 2D-Technik erstellt wurden, da 3D-CAD noch in den Kinderschuhen steckte. Damals bestand 3D-CAD hauptsächlich aus Drahtmodellen oder sehr primitiver Volumenmodellierung. Technische „produktionsähnliche“ Prototypen wurden auf der Grundlage einer manuellen Interpretation von 2D-Zeichnungen von Hand gefertigt. Dies führte aufgrund von Interpretationen oder Fehlern des Modellbauers und den Einschränkungen der Werkzeuge häufig zu erheblichen Abweichungen von den Drucken. Die Designer warteten geduldig wochen- und oft monatelang auf den Prototyp, was im Designprozess immer einen Engpass darstellte. Es war eine spannende Erfahrung, da man nie wusste, wie das Design ausgehen würde. Darüber hinaus stellte man immer die Genauigkeit des Modells in Frage und wusste nie, ob der Modellbauer das Design manipuliert hatte, um Fehler zu verbergen, bis die Teile geformt waren.

Heutzutage haben 3D-CAD-Modellierung, Computersimulation und viele Prototyping-Optionen den Designprozess exponentiell beschleunigt. Projekte, deren Entwicklung früher ein Jahr dauerte, können jetzt in ein oder zwei Monaten und manchmal sogar in Wochen abgeschlossen werden! 3D-CAD-Modelle können jetzt mit allen subtilen Details, einschließlich Schräge, Radien, geprägten Logos und Dutzenden anderer wichtiger Merkmale, ohne menschliche Interpretation oder Fehler genau reproduziert werden. Natürlich ist dieser Paradigmenwechsel ein Ergebnis von 3D-CAD, 3D-Druck und CNC-Bearbeitung. Wenn jedoch eine dieser Prototyping-Optionen falsch angewendet wird, können die Ergebnisse zu falschen Schlussfolgerungen führen. Designer sollten eine Prototyping-Methode wählen, die ihren Anforderungen am besten entspricht. Ich werde diese Prototyping-Optionen auf der Grundlage der 12 zuvor genannten Überlegungen prüfen.

Bevor Sie sich für eine Prototyping-Methode entscheiden, sollten Sie sich zunächst fragen: Was ist der Zweck des Prototyps? Prototypen werden aus vielen verschiedenen Gründen eingesetzt. Beispielsweise benötigen Sie möglicherweise ein realistisch aussehendes, nicht funktionsfähiges Modell, das Sie dem Marketing oder Vertrieb präsentieren möchten. Dieses Modell muss über die richtige Oberflächenbeschaffenheit, Farben, Grafiken und Materialien verfügen, um das endgültige Produktionsdesign genau wiederzugeben, damit der Betrachter das Erscheinungsbild beurteilen kann. In anderen Situationen wird Ihr Prototyp aggressiven Chemikalien oder Schlagtests unterzogen. Möglicherweise benötigen Sie einen Prototyp, um menschliche Faktoren wie die Kraft zum Lösen einer Plastikhülle oder eines Flaschenverschlusses zu bewerten. Möglicherweise möchten Sie die einfache Montage und Wartungsfreundlichkeit bewerten. Schließlich möchten Sie vielleicht einfach nur schnell und mit minimalen Kosten ein Konzept bewerten. All diese Situationen führen Sie zu einer anderen Prototyping-Option.

Ein Erscheinungsbildmodell erfordert nicht unbedingt interne Merkmale oder einzelne Teile. Wenn das Teil klein ist – weniger als 10 Zoll. Würfel – es eignet sich möglicherweise ideal für den FDM-Druck in ABS. Wenn das Teil jedoch so groß ist wie ein Kühlschrank, eignet es sich möglicherweise ideal für die Handfertigung aus REN-Form oder Holz. Wenn das kühlschrankgroße Produkt über Flügeltüren und einen fertigen Innenraum verfügt, eignet es sich möglicherweise am besten für eine Kombination von Methoden wie FDM, Vakuumformen und Holz. Für Sie als Designer ist es wichtig zu verstehen, wie der Prototyp hergestellt wird, da Sie dem Modellbauer möglicherweise die CAD-Dateien für jeden Teil des Gesamtmodells zur Verfügung stellen müssen. Diese Teile werden sich stark von den tatsächlichen Produktionsteilen unterscheiden.

Modelle sollten von Prototypen aufgrund ihres alleinigen Zwecks unterschieden werden, das Erscheinungsbild und die Ästhetik eines Designkonzepts gegenüber der Funktion des Produkts zu vermitteln. Auch wenn es den Modellen möglicherweise an internen Details mangelt, ist die Komplexität und das Können, die für die Entwicklung eines qualitativ hochwertigen ästhetischen Modells erforderlich sind, eine große Herausforderung. Sowohl die Planung als auch das Können des Designers und des Modellbauers sind gleichermaßen anspruchsvoll. Designer müssen Teile speziell für ein nicht funktionsfähiges Modell und nicht für eine Reihe von Produktionsteilen entwerfen. Beispielsweise würde ein nicht funktionsfähiges Modell eines Produkts wie das unten gezeigte die folgenden Teile erfordern:

Die 3D-gedruckten Teile eignen sich am besten für ein Feinbau-FDM oder SLA. Der Elastomerbesatz könnte mithilfe der SLA-Technologie in ein Elastomer gedruckt werden, da FDM eine zu raue Oberfläche ergeben würde. Umgekehrt könnte das medizinische Gerät mithilfe einer Kombination aus CNC-gefräster REN-Form, FDM und handgefertigter Folie hergestellt werden.

Vorlaufzeit und Durchlaufzeit für die Herstellung eines oder mehrerer Prototypen sind oft ein entscheidender Faktor im Entwicklungsprozess. Manchmal besteht die schnellste Methode zum Prototypenbau einfach darin, ein Werkzeug in die Hand zu nehmen, ein Stück Kunststoff in eine Form zu schneiden, die das Teil darstellt, und es zu testen. Obwohl dies nicht gerade die genaueste Methode zur Herstellung eines Prototyps ist, ist sie die kostengünstigste, schnellste und bequemste. Mittlere bis große Teile lassen sich oft viel schneller herstellen als drucken, insbesondere wenn sie als große ebene Flächen konzipiert sind. Die zweitschnellste Methode ist je nach Ausstattung der firmeninterne 3D-FDM-Druck oder die CNC-Bearbeitung. Heutzutage verfügen die meisten Unternehmen und Designfirmen über hauseigene 3D-Drucker, die bei Bedarf Teile mittlerer bis hoher Qualität drucken können. Unabhängige Prototyping-Einrichtungen wandeln 3D-CAD-Dateien in der Regel auf der Grundlage der folgenden allgemeinen Bearbeitungszeiten in Teile um:

Es ist zu beachten, dass es sich bei den in der Tabelle aufgeführten Bearbeitungszeiten um realistische allgemeine Zeitspannen handelt. Einige Anbieter können je nach Arbeitsbelastung, Komplexität des Projekts und Anzahl der Teile möglicherweise viel schneller oder langsamer reagieren.

Obwohl Spritzgießen das beliebteste Kunststoffformverfahren ist, stehen für die Herstellung von Kunststoffprodukten zahlreiche andere Verfahren zur Verfügung. Der Großteil des 3D-Rapid-Prototypings ist für Spritzgussteile optimiert, da der Werkzeugaufwand und die Teilekomplexität bei diesem Prozess am höchsten sind. Für die Verarbeitung von Kunststoffteilen sind auch andere Verfahren wie Blasformen, Vakuumformen, Rotationsformen und Extrudieren vorgeschrieben. Jeder Prozess hat seine eigenen einzigartigen Designkriterien, die Materialauswahl und die Art der Teilegeometrie.

Blasgeformte Flaschen werden beispielsweise typischerweise aus Polyethylen (PE), Polyethylenterephthalat (PET) oder Polypropylen (PP) hergestellt. Die Prototypenerstellung einer blasgeformten PE-Flasche mit einer Wandstärke von 1 mm mithilfe einer der Rapid-Prototyping-Methoden ist heute nicht möglich. Allerdings kann ein Prototyp einer blasgeformten PE-Flasche erstellt werden, indem eine SLS- oder FDM-Blasform erstellt und einige Muster geformt werden. Es gibt mehrere Anbieter, die diese Art von Service anbieten. Das Gleiche gilt für andere Kunststoffformverfahren, bei denen die Form entweder 3D-gedruckt oder CNC-bearbeitet ist und eine kleine Menge von Teilen aus dem tatsächlichen Material geformt wird. Durch die Prototypenerstellung von Kunststoffteilen auf der Grundlage des tatsächlichen Materials und Formverfahrens erhalten Sie die genaueste Darstellung des endgültigen Produktionsteils. Spritzgegossene Prototypenteile aus dem Originalmaterial sind nahezu identisch mit den Produktionsteilen. Sie können auf der Grundlage der Leistung des angegebenen Harzes, der eingegossenen Spannungen sowie der Teiletoleranzen getestet und bewertet werden. Große Formteile aus Strukturschaum eignen sich am besten für die CNC-Fertigung oder FDM mit einer Teiledichte von 70 % bis 80 %. Da Formteile aus Strukturschaum in der Regel groß sind, müssen Sie sie möglicherweise in kleinere Teile aufteilen, die gedruckt und zu einem größeren Teil zusammengefügt werden.

Kunststoffteile müssen oft sehr enge Toleranzen einhalten. Toleranzen sind besonders wichtig für Merkmale wie Schnappverbindungen, Pressverbindungen, verschiebbare Teile oder optische Baugruppen. Die Kontrolle von Toleranzen und Oberflächenbeschaffenheit bei Prototypen hängt stark vom Material, der Ausrüstung, dem Prototyping-Prozess, der Teilegröße und der Baugeschwindigkeit ab. FDM liefert typischerweise Teile mit Toleranzen im Bereich von +/- 0,008 bis +/- 0,02 Zoll. SLA-Toleranzen sind viel enger als FDM-Teile und ergeben Teile mit Toleranzen im Bereich von +/- 0,004 bis +/- 0,007 Zoll. SLS-Teile sind es wie die von SLA. CNC-Teile können mit einer Genauigkeit von +/- 0,0005 Zoll bei geriebenen Löchern und +/- 0,002 Zoll nicht kumulativ bearbeitet werden. Dies ist die genaueste Prototyping-Option.

Die Toleranzen für Gusspolyurethan oder Epoxidharz sind aufgrund der Vielzahl der mit dem Prozess verbundenen Variablen sehr ungenau. Die Toleranzstapel beginnen beim Modell, der Silikonform, der Schrumpfung des Harzes und schließlich bei den sekundären Bearbeitungsvorgängen. Die Toleranzen für gegossene Polyurethane können abhängig von allen zuvor genannten Variablen zwischen +/- 0,01 und sogar +/- 0,06 Zoll liegen.

Eine der großen Herausforderungen jeder Prototyping-Methode ist die genaue Wiedergabe feiner Designdetails. Die Beibehaltung der Teilemerkmale hängt in hohem Maße von denselben zuvor genannten Parametern ab, die unten aufgeführt sind:

Nachfolgend finden Sie für jede Prototyping-Option einen kurzen Überblick über die Auflösung und die genaue Nachbildung von Designmerkmalen.

Die Wiedergabe von Details handgefertigter Prototypen ist offensichtlich vom Handwerker abhängig. Ein hochqualifizierter Handwerker kann die Auflösung der meisten Rapid-Prototyping-Maschinen übertreffen; Allerdings sind die meisten handgefertigten Prototypen grob und sehr einfach. Die Gründe liegen offensichtlich in der Effizienz, den Kosten und dem Qualifikationsniveau. Diese Option steht daher für die genaue Nachbildung von Designmerkmalen ganz unten auf der Liste.

Bei der Reproduktion feiner Designdetails eines Spritzgussteils steht die CNC-Bearbeitung ganz unten auf der Liste. Es gibt zwei Hauptgründe für dieses Ranking. Erstens können die meisten Merkmale eines Spritzgussteils nicht aus einem einzigen Kunststoffblock bearbeitet werden. CNC-Maschinen sind durch den Fräserdurchmesser und die Reichweite eingeschränkt. Beispielsweise wäre es unmöglich, ein Paar Rippen mit einer Tiefe von 5 cm und einem Abstand von 0,09 Zoll aus einem einzigen Kunststoffblock zu bearbeiten, da es keine Fräser mit einem Durchmesser von 0,09 Zoll gibt, die lang genug sind. Daher werden CNC-Prototypen in viele kleinere Teile zerlegt und zusammengefügt, um das beabsichtigte Endteil zu bilden, oder Spritzgussteile müssen für den CNC-Bearbeitungsprozess neu entworfen werden.

Gegossenes Polyurethan wird häufig als kostengünstige Möglichkeit zur Reproduktion von fünf bis 100 Teilen angegeben. Die Reproduktion der Teilemerkmale ist so gut wie das Originalmuster, das zur Herstellung der Silikonkautschukform verwendet wurde. Man sollte sich darüber im Klaren sein, dass die Qualität von Gussteilen aus Polyurethan in hohem Maße vom Lieferanten, dem Personal und den eingesetzten Qualitätskontrollverfahren abhängt. Die Reproduktion feiner Details hängt in hohem Maße von der Gusstechnik, der Qualität der Form und allen mit dem Prozess verbundenen Sekundärvorgängen ab. Obwohl bei Gussteilen Details so fein wie ein Fingerabdruck nachgebildet werden können, führt der hohe Arbeitsaufwand, der diesem Prozess innewohnt, typischerweise zu einer sehr inkonsistenten Qualität.

Mit temporären Spritzgusswerkzeugen erhalten Sie Prototypen, die praktisch identisch mit den endgültigen Produktionsteilen sind. Es ist zu beachten, dass die Nachbildung von Konstruktionsdetails von der Werkzeugqualität und den Verarbeitungsbedingungen abhängt. Diese Option ist auch die teuerste und zeitaufwändigste.

Vakuumgeformte Teile und Verbundteile unterscheiden sich aufgrund des Prozesses, der Teilegeometrie, der Werkzeuge und der Materialien deutlich von Spritzgussteilen. Prototypen für einen dieser beiden Prozesse sind typischerweise große Teile – größer als 2 x 2 Fuß –, bei denen es sich im Wesentlichen um eine Oberfläche mit Befestigungselementen handelt, die nach dem Formen auf die Rückseite geklebt werden. Teile, die in diesen Verfahren geformt werden, weisen normalerweise keine feinen Details auf.

Der zweite Teil dieser nun erschienenen Zwei-Artikel-Reihe befasst sich mit den sechs verbleibenden Überlegungen.

Wenn Sie Fragen haben, können Sie mich gerne unter 516-482-2181 oder per E-Mail [email protected] kontaktieren.

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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