Die schnelle Prototyperstellung verwendet häufig den 3D-Druck, um mit geringem Zeitaufwand maßstabsgerechte Modelle oder Baugruppen auf der Grundlage digitaler Entwürfe zu erstellen. Diese werden meistens als 3D-CAD-Dateien gespeichert. Durch die Möglichkeit, physische Prototypen schnell zu erstellen und zu verfeinern, können Konstrukteure schnell und kostengünstig umsetzbares Feedback von den Projektbeteiligten einholen. Industriedesigner (Englisch) und Partner können mithilfe der schnellen Prototyperstellung die Ästhetik und Ergonomie für Benutzertests bewerten, und Konstrukteure könnten Inputs zu den Materialeigenschaften und zum Verhalten eines Prototyps beisteuern. Andere Mitarbeiter können die schnell erstellten Prototypen im Vorfeld der Produktion im Hinblick auf die Realisierbarkeit der Fertigung und ihre Gebrauchstauglichkeit validieren.
Die schnelle Prototyperstellung ist in der Produktentwicklung mittlerweile unverzichtbar, da sie die reibungslose Umwandlung digitaler Konzepte in physische Modelle ermöglicht. Diese schnelle Realisierung ermöglicht unmittelbares Feedback und hilft dabei, potenzielle Konstruktionsmängel zu erkennen. So läuft der Übergang vom Konzept zur Produktion glatter ab.
Die additive Fertigung (3D-Druck) hat die schnelle Prototyperstellung von Grund auf verändert, denn sie bietet eine kostengünstige, effiziente Möglichkeit zum Erstellen komplexer Entwürfe. Der benutzerfreundliche Ansatz beschleunigt die Prototyperstellung, ermöglicht Produktentwicklern schnellere Iterationen und bietet eine zügige Lösung von Problemen in der Konstruktion.
Die CNC-Bearbeitung ergänzt die schnelle Prototyperstellung durch die präzise, spezifikationsgemäße Bearbeitung der Oberflächen. Das ist insbesondere bei Komponenten interessant, für die enge Toleranzen gelten oder wenn spezifische Werkstoffe verwendet werden müssen. Durch ein gutes Gleichgewicht zwischen Geschwindigkeit und Präzision entstehen funktionsfähige, ausgereifte Prototypen.
Autodesk Fusion ist eine integrierte Lösung, die die CAD-Konstruktion mit 3D-Druck- und CNC-Bearbeitungsfunktionen verbindet. Sie vereint Werkzeuge, die den gesamten Prozess von der Produktentwicklung bis zur Produktion vereinfachen. Damit ist sie eine optimale Wahl für alle, die das volle Potenzial der schnellen Prototyperstellung in der Fertigung nutzen wollen.
Mit innerbetrieblichen 3D-Druckern kann die schnelle Prototyperstellung im Rahmen eines 24-Stunden-Zyklus realisiert werden, bei dem die Konstrukteure tagsüber an einem 3D-Modell in CAD arbeiten, die Bauteile des Prototyps über Nacht in 3D drucken und die Konstruktion dann am nächsten Tag testen und optimieren. Bei einem so effizient gestalteten Prozess können die Konstruktionsteams direkt umsetzbares Feedback von Kunden und Kollegen integrieren und sich so mit jeder Iteration der endgültigen Form des Produkts weiter annähern.
Dieser Feedbackzyklus hilft Entwicklern, Probleme im Produktdesign zu erkennen und zu beheben, bevor die Prototypen in Produktion gehen. Durch die Möglichkeit, beliebig viele Produktiterationen zu testen, können Konstrukteure darüber hinaus ohne größere Risiken die unterschiedlichsten Designkonzepte untersuchen.
Die schnelle Prototypentwicklung kann in mehreren Phasen ablaufen, bei denen die Komplexität und die Zahl der physikalischen Eigenschaften schrittweise zunehmen. In den ersten Phasen der Produktentwicklung helfen Prototypen für Machbarkeitsstudien (Proof of Concept, PoC), Konzepte zu validieren und die Realisierbarkeit eines Produkts zu veranschaulichen. Äußerlich ähnliche Prototypen können die Ergonomie und Benutzererfahrung eines potenziellen endgültigen Produkts zeigen, ohne die vollständige Funktionalität des Endprodukts zu besitzen. Funktionsähnliche Prototypen sehen nicht nur ähnlich aus wie das endgültige Produkt, sondern besitzen auch die gleiche Funktionalität und die gleichen mechanischen, elektrischen und thermischen Eigenschaften wie das Endprodukt. Technische Prototypen verbinden schließlich das Aussehen und die Funktionalität zu einem finalen produktionsfähigen Prototyp, der für die Fertigung erstellt (DfM) und mindestens für Labortests geeignet ist.
Die Automobilindustrie hat auf dem Gebiet der schnellen Prototyperstellung Pionierarbeit geleistet. Auch heute setzt sie noch intensiv auf dieses Verfahren zur Entwicklung von Bauteilen und Fahrzeugkonzepten.
Für die Herstellung von Medizinprodukten ist die schnelle Prototyperstellung unerlässlich, etwa bei chirurgischen Instrumenten, Prothesen, Implantaten und vielen anderen Produkten.
In der anspruchsvollen Luft- und Raumfahrtindustrie trägt die schnelle Prototyperstellung zum Erstellen von Komponenten, Strukturen und Konzeptentwürfen für Flugzeuge und Raumfahrzeuge bei.
Auch die Werkzeuge zum Anfertigen von Prototypen lassen sich mit der schnellen Prototyperstellung herstellen. Wenn industrielle Prozesse maßgeschneiderte Werkzeuge oder individuelle Bauteile (z. B. Spritzgussformen) erfordern, kann die schnelle Prototyperstellung (bzw. das „rapid Tooling“) hilfreich sein.
Die schnelle Prototyperstellung wird meistens mit additiven Fertigungsverfahren (3D-Druck) assoziiert. Es gibt zwar auch andere Technologien für die Prototyperstellung, aber die meisten sind viel zu kostspielig und liegen damit für die schnelle Prototyperstellung außer Reichweite. Beispielsweise machen die umfangreichen Anforderungen des Spritzgussverfahrens an Werkzeuge und Einrichtung dieses Verfahren unpraktisch und teuer für die schnelle Prototyperstellung.
Die CNC-Bearbeitung (subtraktive Fertigung) kann gelegentlich für die schnelle Prototyperstellung von Bauteilen sinnvoll sein, die sich nicht so gut für die additive Fertigung eignen. Einrichtung, Betrieb und Werkzeugbestückung von CNC-Maschinen sind gegenüber 3D-Druckern jedoch generell aufwendiger. Daher werden diese nicht so oft für die schnelle Prototyperstellung verwendet.
Folglich sind viele Varianten der additiven Fertigung gleichbedeutend mit schneller Prototyperstellung. Die drei gängigsten additiven Technologien sind die Schmelzschichtung (FFF) (Englisch), die auch mit dem Markennamen Fused Deposition Modeling (FDM) bezeichnet wird; die Stereolithografie (Englisch) (SLA) und das selektive Lasersintern (SLS).
FFF/FDM ist die beliebteste Form des 3D-Drucks, da sie am einfachsten durchzuführen und am kostengünstigsten ist. Außerdem geht dieses Verfahren recht schnell, wodurch es für die schnelle Prototyperstellung geeignet ist. Bei dieser Technologie werden geschmolzene Thermoplaste in Schichten übereinander abgelegt. Dieses Verfahren ist jedoch anfällig für Oberflächenfehler. Zudem bietet es die niedrigste Auflösung und geringste Genauigkeit unter allen 3D-Drucktechnologien. Somit eignet es sich am besten für einfache Bauteile und Prototypen in der Anfangsphase.
Die 3D-Druckverfahren SLA und SLS sind beide teurer als FFF, erzeugen aber auch stärkere, funktionalere und präzisere Bauteile als FFF. Bei SLA wird eine vielseitige Auswahl von Harzen mit Lasern in Hartkunststoffteile mit hoher Auflösung und engen Toleranzen gehärtet. Dies ist ein schnelles Verfahren zum Erstellen von erscheinungsähnlichen und funktionsähnlichen Prototypen. SLS ist ein beliebtes Verfahren für die schnelle Erstellung von funktionsähnlichen und technischen Prototypen für Funktions- und Praxistests. Bei diesem Verfahren sintern Hochleistungslaser Teilchen aus vielen Arten von Pulvern zusammen, einschließlich aus Metallpulver. SLS kann außergewöhnlich starke Bauteile hervorbringen, sogar mit komplexen Geometrien und ungewöhnlichen Merkmalen.
Andere 3D-Druckverfahren für die schnelle Prototyperstellung sind das selektive Laserschmelzen (SLM), das Laminated Object Manufacturing (LOM), das Digital Light Processing (DLP) und das Binder Jetting, auch bezeichnet als Freistrahl-Bindemittelauftrag. SLM, auch als pulverbettbasiertes Schmelzen bezeichnet, ist ein weiteres additives Metallfertigungsverfahren (Englisch) zum Erstellen von Prototypen oder Produktionsbauteilen durch Schichten von Titan-, Aluminium-, Edelstahl- und anderen Metallpulvern. Die DLP-Technologie ist ähnlich wie die SLA-Technologie, ist aber schneller und billiger. Allerdings können bei dieser Technologie während des Druckens und anschließenden Härtens Tragwerke erforderlich sein. Die additive LOM-Technologie klebt Schichten aus maschinengeschnittenem Papier, Kunststoff oder anderen Materialien zusammen, um Bauteile herzustellen. Das Binder Jetting ist ein schnelles 3D-Druckverfahren, das sich für viele verschiedene Materialpulver eignet. Bei dem Verfahren werden Pulverschichten verbunden, indem diese mit winzigen Flüssigkeitstropfen besprüht werden. Die Schichten werden zusammengepresst, und die Objekte werden zum Schluss im Ofen gehärtet oder gesintert.
Im Vergleich zu anderen Verfahren spart die schnelle Prototyperstellung mit 3D-Druck Zeit und Kosten, weil keine umständliche Maschineneinrichtung und Werkzeugbestückung notwendig ist.
Die Kosten und Risiken bei der schnellen Prototyperstellungen sind gering. Daher können Produktentwickler ihre Konzepte in Form von physischen Objekten ausprobieren, die aussehen und sich anfühlen wie fertige Produkte.
Dank der kurzen Durchlaufzeiten beim 3D-Druck lassen sich im Vergleich zu herkömmlichen Verfahren mehr Feedbackzyklen durchführen, um schnell erstellte Prototypen zu konstruieren und zu testen, ohne dass sich der Zeitaufwand für die Produktentwicklung erhöht.
Physische Prototypen können den Kunden und Teammitgliedern Ideen und Konstruktions-absichten besser vermitteln. Diese gewinnen dadurch eine bessere Vorstellung davon und können umsetzbares Feedback für die nächste Konstruktionsiteration geben.
Dank der schnellen Prototypentwicklung können Produktentwickler und Konstrukteure Versionen bewerten und testen, die aussehen und funktionieren wie Endprodukte. Dies kann schon am Anfang der Produktentwicklung geschehen. Dadurch sinkt das Risiko Konstruktionsmängel erst kurz vor oder während der Produktion zu entdecken.
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TREXO ROBOTICS
Trexo Robotics wandte die schnelle Prototyperstellung bei der Entwicklung eines tragbaren Roboters an, der Kindern mit Zerebralparese das Gehen erleichtert.
Bild mit freundlicher Genehmigung von Trexo Robotics
MISUMI
Ein japanischer Maschinenteilhersteller optimierte seinen „meviy“-Service mit KI und bietet seitdem die schnelle Prototyperstellung und einen erstaunlichen Teilekatalog an.
Bild mit freundlicher Genehmigung von MISUMI
WNDR ALPINE
Dieses Start-up erforschte Biomaterialien auf der Basis von Mikroalgen und wandte die schnelle Prototyperstellung an, um eine Alternative zu Skiern auf Erdölbasis zu entwickeln.
Bild mit freundlicher Genehmigung von WNDR Alpine
Erfahren Sie, wie sich die schnelle Prototyperstellung von anderen Methoden für die Prototyperstellung unterscheidet und wie die Software Autodesk fusion Sie dabei unterstützen kann.
Entdecken Sie die verschiedenen Methoden der Prototyperstellung im Industriedesign (Englisch) und die Vorteile der schnellen Prototyperstellung.
Ob Ingenieur oder Hobbyanwender: Der 3D-Druck zu Hause mithilfe einer Software für die schnelle Prototyperstellung wie Autodesk fusion ist heute einfacher denn je.
Ein gutes Beispiel für die schnelle Prototyperstellung könnte ein 24-Stunden-Zyklus sein, in dem die Konstrukteure tagsüber an einem 3D-Modell in CAD arbeiten, die Bauteile des Prototyps über Nacht in 3D drucken und ihn am nächsten Tag testen und optimieren. Die Produktentwickler können das CAD-Modell bei Bedarf anpassen und den Zyklus wiederholen.
Bei der schnellen Prototypentwicklung kann es vorkommen, dass ein Produkt zahllose Iterationen dieses Entwicklungszyklus durchläuft.
Die schnelle Prototyperstellung ist nicht dasselbe wie 3D-Druck, doch die verschiedenen Arten von 3D-Druck gelten als die praktischsten und beliebtesten Verfahren für die schnelle Prototyperstellung.
Im Vergleich zu anderen Arten der Prototyperstellung ist die schnelle Prototyperstellung eine Praxis, bei der viele Prototypen schnell hintereinander erstellt werden, um ein Produktdesign zu iterieren. Gelegentlich werden die CNC-Bearbeitung und das Spritzgussverfahren (Englisch) in der schnellen Prototyperstellung angewandt. Doch in der Regel sind diese Verfahren zu kostspielig und zu zeitaufwendig und eignen sich daher nicht so gut für die schnelle Prototyperstellung.
Da die additive Fertigung Prototypen schnell und kostengünstig hervorbringen kann, ist 3D-Druck heute oft gleichbedeutend mit schneller Prototyperstellung.
Im Vergleich zu anderen Verfahren der Prototyperstellung bietet die schnelle Prototyperstellung die Möglichkeit, Produkte schneller zur Marktreife zu bringen, die Kosten zu senken und die Zusammenarbeit zwischen den Projektbeteiligten zu verbessern. Die Innovationskraft wird gestärkt und die Qualität wird verbessert, da Produkte bereits frühzeitig im Entwicklungsprozess getestet und verbessert werden können.
Bei der Prototyperstellung gibt es gewisse Einschränkungen: Nicht alle Werkstoffe sind dafür verfügbar, die Prototypen sind nicht immer präzise, die Testmöglichkeiten sind begrenzt, wenn die Prototypen nicht voll funktionsfähig sind, und die Anfangsinvestition ist erheblich, wenn man eine Ausrüstung für die additive Fertigung anschaffen muss, um die schnelle Prototyperstellung im eigenen Haus durchzuführen.
Die wichtigsten Arten der schnellen Prototyperstellung sind 3D-Drucktechnologien. Zu den beliebtesten Verfahren gehören die Schmelzschichtung (Fused Filament Fabrication, FFF) – bzw. Fused Deposition Modeling (FDM) (Englisch) –, ein schnelles, kostengünstiges Verfahren, das jedoch Teile von geringerer Auflösung und Stärke erzeugt als andere beliebte Verfahren, etwa die Stereolithografie (SLA) und das selektive Lasersintern (SLS).
Andere additive Fertigungsverfahren, die sich für die schnelle Prototyperstellung eignen, sind das selektive Laserschmelzen (SLM), das Digital Light Processing (DLP), das Binder Jetting und das Laminated Object Manufacturing (LOM).
Bei den vielen Verfahren der additiven Fertigung, die für die schnelle Prototyperstellung geeignet sind, kann eine Vielzahl von Materialien eingesetzt werden. Nicht jedes 3D-Druckverfahren eignet sich für alle diese Materialien, doch die gängigsten Materialien dafür sind:
