Rapid Prototyping und 3D-Druck für bessere Produktentwicklung

Rapid Prototyping verändert die Art und Weise, wie Sie ein Produkt entwickeln. Dieser Prozess ist jedoch an verschiedenen Stellen mit einer Vielzahl von Schwierigkeiten verbunden. Wenn Sie einem der größten Engpässe auf dem Weg zum endgültigen Produktdesign vorbeugen, kann Ihr gesamter Prozess besser und schneller werden. Rapid Prototyping kann Ihren gesamten Konstruktionsprozess durch großformatigen 3D-Druck erheblich vereinfachen.

Was ist rapid Prototyping?

Prototypen sind physische Teile oder Baugruppen, die mit jeder Iteration dem Endprodukt näher kommen. Beginnend mit konzeptuellen Modellen und dem Aufbau eines funktionalen Prototyps ist jeder nachfolgende Prototyp ein Schritt hin zu einem vollständig ausgearbeiteten endgültigen Design. Das ist Prototyping - Rapid Prototyping bezieht sich auf den Zyklus der schnellen Ausführung von Wiederholungen, um ein endgültiges Design zu erreichen.

Wir sagen "Zyklus", weil es genau das ist; von der Idee bis zur fertigen Konstruktion sind einige Runden erforderlich. Im einfachsten Fall handelt es sich um einen dreistufigen Prozess, der wie folgt aussieht:

What is Rapid Prototyping

Die Überprüfungsphase jedes aufeinanderfolgenden Prototyps bringt den Zyklus dem Abschluss einen Schritt näher, wobei eine Verfeinerung der Iteration erforderlich ist, um zum Endergebnis zu gelangen.

Beim Rapid Prototyping werden einige Technologien, von der CAD-Konstruktionssoftware bis zu den Fertigungsverfahren, eingesetzt, um eine Serie von Prototypen zu erstellen.

Traditionell musste für jeden physischen Prototyp ein neues Design an einen Hersteller geliefert werden, der es mit subtraktiven (z.B. Fräsen, Schneiden) oder Form-/Gussverfahren herstellt. Das kann zu langen Wartezeiten und Kosten führen, da jedes Mal Werkzeugbau und Logistik ins Spiel kommen. Um den Prozess zu beschleunigen, machen Technologien wie der 3D-Druck die Verwendung von Werkzeugen überflüssig und können Ihre Idee direkt von der Designdatei in die physische Form bringen.

Dies verkürzt die Wartezeiten, da das Feedback sofort in eine aktualisierte CAD-Datei übersetzt werden kann, die wiederum in nur wenigen Stunden in 3D gedruckt werden kann. Wenn dies im Haus durchgeführt wird, können sogar mehrere Zyklen der Prototyperstellung am selben Tag durchgeführt werden - weit entfernt von den gewohnten Wochen oder sogar Monaten zwischen den Iterationen.

Rapid Prototyping and 3D Printing

Als die Technologie zum ersten Mal entwickelt wurde, war der 3D-Druck so gleichbedeutend mit Rapid Prototyping, dass die beiden Begriffe austauschbar waren. Unabhängig davon, ob "3D-Druck", "Rapid Prototyping" oder "RP" genannt wurde, bezog sich das Gespräch im Allgemeinen auf die gleiche Sache. Heute hat sich der 3D-Druck auch zu einer Produktionsmöglichkeit für die Endanwendung entwickelt und wird im Allgemeinen eher mit "additiver Fertigung" gleichgesetzt.

Dennoch ist Rapid Prototyping die erste und ist nach wie vor die größte Anwendung für den 3D-Druck. Iterationen vom Machbarkeitsnachweis bis hin zum funktionalen Prototyp können alle in 3D gedruckt werden. Ob ausgelagert oder intern, die Verwendung von 3D-Druckern beschleunigt das Rapid Prototyping durch die Beseitigung traditioneller Engpässe bei der Werkzeugausstattung und/oder beim Versand erheblich. Rapid Prototyping kann auch zunehmend mit derselben 3D-Drucktechnologie durchgeführt werden, die auch für das Endprodukt verwendet wird.

Vorteile von Rapid Prototyping

Im weitesten Sinne bietet das Rapid Prototyping erheblichen Vorteile zur schnelleren Markteinführung, bietet bessere Möglichkeiten. Jjede Iteration kann getestet und verbessert werden. Es ist ein kostengünstiger Prozess und verbessert die Effektivität der Kommunikation während des gesamten Designzyklus.

Verkürzung der Produkteinführungszeit

Die Zeit, die eine Idee braucht, um vom Konzept zum Produkt zu reifen, sollte so kurz wie möglich sein. Statt Wartezeiten von Monaten oder Jahren beim traditionellen Prototypenbau dauert der Rapid-Prototyping-Prozess mit 3D-Druck meist nur Tage. Mit einem 3D-Drucker können Sie Ihre nächste Wiederholung aus einer leicht angepassten CAD-Datei viel schneller erstellen als mit einem herkömmlichen subtraktiven Prototyping-Prozess. Die Beschleunigung des Designzyklus verkürzt von Natur aus die Zeit bis zur Markteinführung eines neuen Produkts.

Testen und Verbessern

Jeder 3D-gedruckte Prototyp ist im Idealfall einen Schritt besser als die vorhergehende Version. Wenn Sie einen lebensgroßen funktionalen Prototypen in die Hand nehmen, können Sie die Vor- und Nachteile dieses speziellen Designs besser verstehen, so dass es schnell genehmigt oder abgelehnt werden kann, da es im Test auf Herz und Nieren geprüft werden kann. Ihr Konstruktionsteam kann die technischen Eigenschaften testen und ein Gefühl für das Aussehen und die Haptik jedes Prototyps bekommen. So können Sie bereits in der Entwicklungsphase etwaige Herstellbarkeitsprobleme oder Risiken für die Benutzerfreundlichkeit verstehen, bewerten und verbessern.

Wettbewerbsfähige und kosteneffiziente Modelle erstellen

Hand in Hand mit der Beschleunigung der Produkteinführungszeit geht die Reduktion der Kosten, die mit langen Entwurfszyklen verbunden sind. Wenn ein Produkt schneller auf den Markt gebracht wird, verringert sich naturgemäß der hohe Preis längerer, arbeitsintensiver Abläufe. Eine wettbewerbsfähige Positionierung erfordert eine schnelle Entwicklung und Einführung, insbesondere auf dem Verbrauchermarkt. Der großformatige 3D-Druck ermöglicht auch die gleichzeitige Herstellung mehrerer verschiedener Prototypen, so dass eine schnellere Entscheidungsfindung möglich ist, wenn die Wahl zwischen mehreren optischen oder haptischen Merkmalen besteht.

Effektive Kommunikation verbessern

Der schnelle Einsatz von Rapid Prototyping schließt Lücken in der Kommunikation und vereinfacht die Diskussion. Es ist viel einfacher, wenn jeder Ingenieur in Ihrem Team dasselbe Verständnis eines Prozesses hat. Wenn Sie schnell den nächsten physischen Prototyp in der Hand haben, bietet dies einen klaren Bezugspunkt. Je mehr sich jeder Prototyp dem Aussehen und der Leistung der endgültigen Konstruktion annähert, desto leichter werden kleine Optimierungen und große Anpassungen für Ihr gesamtes Team verständlich.

Rapid Prototyping - Ford MegaBox

Wie Sie Rapid Prototyping in Ihrem Entwicklungsprozess einsetzen

Rapid Prototyping klingt toll, aber wo kann es im Konstruktionsprozess eingesetzt werden? Die Antwort ist an dieser Stelle vielleicht nicht ganz überraschend: Vom ersten Konzeptbeweis bis zum endgültigen Design-Prototyp kann Rapid Prototyping über den gesamten Prozess hinweg zum Einsatz kommen.

Konzept-Prototypen

Die frühesten Prototypen sind oft konzeptionell. Konzept-Prototypen dienen als physische Überprüfung der Ideen, die als Skizze auf einer Serviette entstanden sein könnten.

Eine Idee in die dreidimensionale reale Welt zu bringen, ist der beste Weg, ihre Realisierbarkeit zu beweisen. Die praktische Arbeit mit einem Konzeptmodell kann Ihrem Ingenieurteam helfen, die nächsten Schritte zu verstehen, und gleichzeitig das Management ermutigen, ein Projekt voranzutreiben. Diese frühen Prototypen sind oft die gröbsten, da sie die risikoärmsten Darstellungen im Rapid-Prototyping-Zyklus sind. Diese Prototypen werden schnell und in der Regel in anderen Materialien und Farben hergestellt als Prototypen in späteren Phasen. Sie sind auf keinen Fall endgültige Entwürfe.

Rapid Prototyping - LOCI PodCar

Ästhetische oder industrielle Design-Prototypen

Sobald ein Entwurf in seiner gröbsten Form validiert ist, geht er als nächstes in einen ästhetischen oder industriellen Designschritt über. Diese nächsten Prototypen beginnen mit der Feinabstimmung, wie das Design aussehen und sich anfühlen sollte. Das bedeutet, sich der Benutzerfreundlichkeit und Funktionalität zuzuwenden - ohne notwendigerweise schon voll funktionsfähig zu sein.

Um sicherzustellen, dass sich ein neues Bauteil in ein größeres Ganzes einfügt oder dass ein neues Produkt zur bestehenden ästhetischen oder funktionalen Linie Ihrer Marke passt, sehen diese Prototypen genauer wie etwas aus, das sich auf ein endgültiges Design zubewegt. Diese Prototypen ermöglichen es den Ingenieuren auch, zu überlegen, wie sie das endgültige Design am besten herstellen können.

Vor allem bei der Arbeit mit lebensgroßen, größeren Designs wie Möbeln wird es immer wichtiger, lebensgroße Prototypen zu haben, die in echte Räume und zu echten Benutzern passen, da die Designs den Prototyping-Zyklus durchlaufen. Der großformatige 3D-Druck kann diese lebensgroßen Designs zum Leben erwecken, so dass eine Iteration in kürzerer Zeit als mit herkömmlichen Fertigungsverfahren hergestellt und getestet werden kann.

Der Möbelhersteller Steelcase erfährt hat diesen Vorteil aus erster Hand, wenn er seinen großformatigen BigRep 3D-Drucker zur Erstellung neuer Möbelentwürfe einsetzt:

Steelcase 3D Printing Furniture Prototypes

Funktionale Prototypen

Ein funktionsfähiger Prototyp tut genau das: Er funktioniert. Diese späteren Prototypen werden oft aus Materialien hergestellt, die denen ähnlich sind, die in einem Endprodukt verwendet werden, um zu überprüfen, ob alles wie beabsichtigt funktioniert. In dieser Phase achten die Ingenieure auf die Leistung: Passt alles, funktioniert das Produkt, tragen tragende Teile Lasten?

Es muss auf Details geachtet werden, darauf, wie das Endprodukt hergestellt wird, vor allem, wenn dies in einem anderen Prozess als dem des Prototyps geschieht. Z.B. 3D-Druck eines Prototyps für ein Teil, das schließlich spritzgegossen wird. Wie wird das Endprodukt nachbearbeitet/montiert?.

Test der Serienproduktion

Produkte, die für den Massenbedarf bestimmt sind, müssen auch für die Massenproduktion geeignet sein. Das bedeutet meistens einen anderen Herstellungsprozess.

Obwohl der 3D-Druck sowohl für das Rapid Prototyping als auch für die Serienproduktion des Endprodukts die richtige Technologie sein kann - denken Sie zum Beispiel an Fälle von Mass Customization - wird dies nicht immer der Fall sein. Beim Prototyping muss das letztendlich zu verwendende Herstellungsverfahren berücksichtigt werden. Das heißt, dass Prototypen in späteren Phasen die gleichen Materialien verwenden und in die entsprechenden Herstellungsparameter passen, wie die endgültigen Bauteile.

Die Berücksichtigung konventioneller Herstellungsverfahren spielt hier eine größere Rolle, zum Beispiel für Werkzeuge, Vorrichtungen und Vorspannmittel oder andere notwendige Hilfsmittel. Design for Additive Manufacturing (DfAM) kann sich in Richtung des traditionellen Design for Manufacturing (DFM)-Denkens bewegen.

Demonstrations- oder Präsentations-Prototypen

Das endgültige Aussehen ist der letzte Schritt beim Prototyping, der letzte Schritt vor Beginn der vollständigen Produktion. In dieser Phase sollte sich ein Prototyp nicht nur wie das Endprodukt anfühlen und funktionieren, sondern auch so aussehen.

Dieser Prototyp kann für Marketingmaterialien verwendet werden, während die Produktion hochgefahren wird, um Investoren von der endgültigen Realisierbarkeit und Machbarkeit zu überzeugen, für abschließende Praxistests oder für alle anderen Demonstrations- oder Präsentationsbedürfnisse. Das Ziel des Rapid Prototyping ist es, dieses Stadium mit herkömmlichen Prototyping-Abläufen schneller als je zuvor zu erreichen.

Rapid Prototyping - Rexroth AGV Automated Guided Vehicle

Wie kann ich mit Rapid Prototyping starten?

Um mit Rapid Prototyping und Additiver Fertigung zu beginnen, benötigen Sie im Grunde nur eines: Zugang zu einem 3D-Drucker. Aber es gibt mehr als einen Weg dorthin. Sie können einen 3D-Drucker in vielen Größen kaufen, von Desktop- bis hin zu großformatigen 3D-Druckern. Ihr einfachster Einstieg in das Prototyping im großen Format ist der BigRep ONE.

Schlussfolgerung

Rapid Prototyping und 3D-Druck arbeiten Hand in Hand für eine bessere und schnellere Produktentwicklung. Durch die Beschleunigung Ihrer Arbeitsabläufe und die Beseitigung von Engpässen und anderen Schwachstellen der traditionell langwierigen Prototyping-Zyklen ermöglicht der 3D-Druck eine neue Lösung für eine schnellere Markteinführung. Kürzere Entwicklungszyklen und kosteneffizientes Rapid Prototyping sind ein Gewinn für Ihr Engineering-Team.

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Der BigRep PRO ist ein Großformat-3D-Drucker, der auf hohe Produktivität in der industriellen Fertigung ausgelegt ist. Für Ingenieure und Hersteller bildet der 3D-Drucker eine in hohem Maße skalierbare Lösung, mit dem Teile und Produkte für den Endverbraucher oder Fertigungswerkzeuge aus technischen Hochleistungswerkstoffen effizient hergestellt werden können. Mit einem großzügigen Bauvolumen von 1 m3 trägt dieser schnelle und zuverlässige 3D-Industriedrucker zur Beschleunigung Ihrer Produktion bei.

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