Ein Prototyp ist das erste Exemplar eines herzustellenden Produkts und dient als Ausgangspunkt für die Durchführung der erforderlichen Änderungen, als Modell zum Nachbau oder als Matrize zur Herstellung einer Form.
Das Prototyping ist also ein experimenteller Prozess, mit dem Designteams ihre Ideen verwirklichen können. Das Prototyping ist in verschiedenen Bereichen ein sehr nützliches Verfahren, das es ermöglicht, Iterationen durchzuführen, bis das gewünschte Ergebnis erreicht ist.
Bild 1: 3D-gedruckter Helm-Prototyp mit Raise Pro2 Plus. Quelle: KIDO Sports.
Es gibt verschiedene Arten des Produktprototyping mit unterschiedlichen Funktionen:
- Low-Fidelity-Prototypen: Low-Fidelity-Prototypen können in kurzer Zeit und mit großer Unmittelbarkeit durchgeführt werden und dienen als Studienmodell, das es ermöglicht, verschiedene Aspekte zu analysieren, um die notwendigen Änderungen am Modell vorzunehmen, bevor das endgültige Produktdesign erreicht wird..
- Designprototypen: Designprototypen werden mit dem Ziel durchgeführt, das Produktdesign zu validieren.
- Geometrische Prototypen: Diese Art von Prototypen wird hergestellt, um die Geometrie des Produkts zu überprüfen und gegebenenfalls zu ändern.
- Funktionsprototypen: Diese Prototypen werden durchgeführt, um das Verhalten der verwendeten Materialien zu analysieren und die Funktionalität des Produkts zu testen.
- Technische Prototypen: In diesem Fall wird der Prototyp als globales Studienmodell verwendet, so dass alle seine Merkmale analysiert werden können.
- High-Fidelity-Prototypen: Hierbei handelt es sich um die Herstellung eines Prototyps, der mit dem Endprodukt identisch ist. Es ist sehr empfehlenswert, diese Art von Prototyping durchzuführen, bevor ein Produkt in Serie produziert wird.
Heutzutage gibt es verschiedene Verfahren für das Prototyping, wie z. B. CNC-Bearbeitung, Spritzguss oder 3D-Druck.
Schnelles Prototyping
Der 3D-Druck steht in direktem Zusammenhang mit dem Rapid Prototyping, da dieses Fertigungsverfahren aufgrund seiner Unmittelbarkeit und der verschiedenen Möglichkeiten, die es je nach verwendeter Technologie und den verwendeten Materialien bietet, ein weit verbreitetes Fertigungsverfahren für Low-Fidelity-Prototypen darstellt.
Video 1: Schnelles Prototyping von DLimit. Quelle: BCN3D.
Ziel des Rapid Prototyping mit Hilfe des 3D-Drucks ist die Herstellung von Modellen, mit denen ein oder mehrere Aspekte des Produkts getestet werden können, so dass es bei Bedarf schnell und unmittelbar geändert werden kann, bis der endgültige Entwurf vorliegt und sowohl die Form als auch die Funktionalität des Produkts gewährleistet sind.
Für die Herstellung von Prototypen mittels 3D-Druck ist zu berücksichtigen, welche Technologie am besten geeignet ist. Jede Technologie hat Vor- und Nachteile, so dass es notwendig ist, die Grundlagen ihrer Funktionsweise sowie ihre Grenzen zu kennen, um die für den jeweiligen Bedarf am besten geeignete Technologie zu finden.
Die am weitesten verbreiteten 3D-Drucktechnologien sind:
- Schmelzflüssige Materialabscheidung (FDM)
- Selektive Lichthärtung von Harzen (SLA)
- Selektives Laser-Sintern (SLS)
Eine Vergleichstabelle ist unten zu sehen:
| Merkmal | FDM | SLA | SLS |
|---|---|---|---|
| Verwendetes Material | Thermoplastische Kunststoffe | Lichthärtendes Harz | Thermoplastische Kunststoffe |
| Vielfalt der Materialien | Sehr hoch | Medien | Niedrig |
| Unmittelbarkeit | Sehr hoch | Medien | Niedrig |
| Genauigkeit | Niedrig | Medien | Hoch |
| Allgemeine Toleranz | ±0.5% (Untergrenze ±0.5 mm) | ±0.5% (Untergrenze ±0.15 mm) | ±0.3% (Untergrenze ±0.3 mm) |
| Unterstützt | >45º | Immer | Niemals |
Tabelle 1: Vergleich zwischen verschiedenen 3D-Drucktechnologien. Quelle: Filament2print.
Wenn Sie sich eingehender mit den Eigenschaften und Grenzen der einzelnen Technologien befassen möchten, empfehlen wir Ihnen die Lektüre des Artikels "Wie Sie die richtige Technologie auswählen: FDM, SLA und SLS".
Einige der Vorteile des 3D-Drucks von Prototypen sind:
Geschwindigkeit: Je nach verwendeter 3D-Drucktechnologie ist die Produktionsgeschwindigkeit höher oder niedriger, aber im Allgemeinen ist der 3D-Druck ein Herstellungsverfahren, das Unmittelbarkeit bietet.
Kosten- und Ressourceneinsparungen: Je nach Komplexität des Teils und der verwendeten Materialien kann der Einsatz des 3D-Drucks für das Prototyping von Teilen zu erheblichen Kosten- und Ressourceneinsparungen im Vergleich zu anderen traditionellen Fertigungsmethoden führen.
Nachhaltigkeit: Durch den Einsatz von 3D-Druckern in den unternehmenseigenen Produktionsstätten werden die Prototypen vor Ort hergestellt, was den CO2-Fußabdruck im Vergleich zu einer externen Fertigung verringert. Darüber hinaus ist es oft möglich, mit biologisch abbaubaren, recycelten oder wiederverwertbaren Materialien zu arbeiten, und durch die Art des Herstellungsverfahrens werden Abfall und Materialverschwendung minimiert.
Vom Prototyping zur Fertigung
Ursprünglich wurde der 3D-Druck nur für das Prototyping eingesetzt. Inzwischen wird sie aber auch als zusätzliches Herstellungsverfahren eingesetzt. Dies ist hauptsächlich auf zwei Faktoren zurückzuführen:
Entwicklung von Materialien
Einer der Faktoren, die es ermöglichen, mit dem 3D-Druck Kleinstserien von Fertigteilen herzustellen, ist die Entwicklung von Materialien, die aufgrund ihrer mechanischen Eigenschaften oder ihrer spezifischen Eigenschaften Anwendungen für anspruchsvolle Umgebungen ermöglichen.
Ein Beispiel dafür sind ESD-Materialien, die in Form von Filamenten, Pulver und sogar Harz erhältlich sind und die Herstellung von Produkten mit ESD-Schutz ermöglichen.
Fortschritte bei den 3D-Drucktechnologien
Dank der in den letzten Jahren erzielten Fortschritte und der Forschungs- und Entwicklungsarbeit der Gerätehersteller haben sich die Eigenschaften der 3D-Drucker erheblich verbessert, so dass nun auch hochkomplexe Teile in Industriequalität hergestellt werden können.
Alle 3D-Drucktechnologien haben sich erheblich weiterentwickelt. Ein Beispiel dafür sind die SLA-3D-Drucker von FormLabs für den Medizin- und Dentalbereich, Form 3B+ und Form 3BL, die biokompatible Materialien in 3D drucken können, oder die SLS-3D-Drucker von Sinterit, die mit Modellen im Desktop-Format wie Lisa, Lisa Pro oder Lisa X hochkomplexe Teile ohne Stützen herstellen können.
Bild 3: Herstellung von Endprodukten für den Dentalsektor. Quelle: FormLabs.
Der 3D-Druck ermöglicht professionellen Anwendern zweifellos die Herstellung von Prototypen und sogar von fertigen Teilen in industrieller Qualität und ist derzeit eines der am weitesten verbreiteten Fertigungsverfahren für Rapid Prototyping in einer Vielzahl von Sektoren. Dank der Vielfalt an Technologien, Geräten und Materialien ist es möglich, Lösungen für fast jede Anwendung zu finden.
