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Modellherstellung
Prototypen helfen bei der Produktentwicklung

Beim 3D Fräsen wird aus einem festen Stück Material durch Abtragen ein Modell hergestellt.
Beim 3D Fräsen wird aus einem festen Stück Material durch Abtragen ein Modell hergestellt. FOTO: pixabay.com / emkanicepic
Ein Prototyp ist eine kostengünstige und mit wenig Aufwand hergestellte Testversion, mit deren Hilfe ein Hersteller prüfen kann, ob das fertige Produkt die angestrebten Eigenschaften haben wird. In unterschiedlichen Branchen gibt es dazu verschiedene Auffassungen. Beim Prototyping geht es darum, eine Rohversion eines Produktes oder einer Dienstleistung zu erstellen, um Ideen zu visualisieren, ein vorläufiges Ergebnis auszutesten oder Aspekte einer Lösung zu erforschen. Zu Beginn dieses Prozesses sind die Prototypen noch sehr grob und werden im Verlauf eines Entwicklungsprozesses immer feiner und detaillierter, nähern sich immer mehr dem gewünschten Ergebnis an.

Warum machen sich Unternehmen diese Mühe?

Die Herstellung von Prototypen kostet Unternehmen Zeit und Geld, das sie ebenso gleich in das fertige Produkt investieren könnten. Allerdings würden sie auf diese Weise wahrscheinlich sehr viel Geld verlieren. Denn unterm Strich sparen Unternehmen Geld, wenn sie mit Prototypen arbeiten, weil sie dabei schon frühzeitig herausfinden können, ob ein Produkt beispielsweise wirklich den angenommenen Nutzen für den Kunden hat, ob es wirklich das ist, was der Kunde braucht. Schnell sind Verbesserungs- und Weiterentwicklungsmöglichkeiten erkannt, die die Unternehmen dann einfach aufgreifen und im nächsten Prototypen ausprobieren können. So nähern sie sich Schritt für Schritt und mit geringen Kosten an das endgültige Ergebnis an. Würden sie beispielsweise jedes Mal eine Software final programmieren und designen, würde jede Veränderung viel Zeit kosten und dadurch auch viel Geld. Bei der Softwareentwicklung lassen sich so sehr früh Entwicklungsfehler erkennen.

Wie sich solche Modelle herstellen lassen

Je nach Branche gibt es verschiedene Möglichkeiten, sich mit einem Prototyp an das Ergebnis anzunähern. Geht es um greifbare Produkte, durchläuft der Prozess meist die folgenden Schritte: Zunächst machen die Unternehmen Pläne in 2D oder 3D. Letztere sind häufig dreidimensionale Computerdarstellungen. Daran lassen sich schon erste Daten ablesen, wie die Geometrie des Produktes, seine Abmessungen, mögliche Normen, Spezifikationen oder welche Materialien infrage kommen. Um dann einen ersten Prototyp herzustellen, kommen Maschinen zum Einsatz. So sind Silikonformen, CNC-Bearbeitung, 3D Fräsen oder der 3D Druck weitverbreitete Verfahren, um kostengünstig und schnell zu arbeiten. Gerade mithilfe des 3D Fräsens lassen sich mit den unterschiedlichsten Materialien sehr detaillierte Modelle herstellen. 3D Fräsen und 3D Druck sind zwei gegensätzliche Verfahren. Während beim Drucken das Material aufgebaut wird, trägt die 3D Fräse das Material ab, bis die gewünschte Form entstanden ist, so wie es auch Visiotech auf seiner Seite sehr genau beschreibt.

Welche Materialien sind geeignet?

Für die Bearbeitung mit einer 3D Fräse sind unterschiedliche Materialien geeignet. Es kommen sowohl Metalle als auch Kunststoffe zum Einsatz. Für die Herstellung mittels Formen finden Aluminium und Silikon sehr oft Verwendung, während bei der Stereolithographie, einem Druckverfahren, Harz und Polyurethan gefragte Materialien sind, die mithilfe eines Lasers das Material in sehr dünnen Schichten aushärten. Je nach verwendetem Material werden am Ende die Oberflächen noch aufbereitet. Dabei kommen Glanzlacke, Hochglanzpolituren, spezielle Farben oder Verfahren, wie Galvanisieren, Polieren oder Sandstrahlen zum Einsatz. Grundsätzlich lassen sich für die Herstellung von Prototypen, je nach Entwicklungsphase, ganz verschiedene Materialien verwenden. So kommt beispielsweise Holz sehr oft in der Automobilbranche in frühen Entwicklungsstadien zum Einsatz.

Mit modernen 3-Druckern lassen sich physische Modelle herstellen. Dabei baut der Drucker das Produkt Schicht für Schicht aus einem formlosen Material auf.
Mit modernen 3-Druckern lassen sich physische Modelle herstellen. Dabei baut der Drucker das Produkt Schicht für Schicht aus einem formlosen Material auf. FOTO: pixabay.com / 3d-drucker-drucken-technologie

Weitere Herstellungsverfahren für das Prototyping

Das Rapid-Prototyping ist ein Überbegriff für ein sehr modernes Herstellungsverfahren, bei dem 3D Drucker zum Einsatz kommen. Damit lassen sich Musterbauteile und Prototypen schnell und einfach umsetzen. Grundlage für die Herstellung physischer Modelle mit diesem Verfahren sind detaillierte CAD-Konstruktionsdaten. Im Drucker entsteht mithilfe chemischer oder physikalischer Prozesse eine Form aus vorher formlosem oder formneutralem Material. Der 3D Drucker liest die CAD-Konstruktionsdaten aus und zerlegt das virtuelle Modell in dünne, horizontale Schichten. Dies ist das sogenannte Slicing-Schneiden. Anschließend erzeugt der Drucker diese einzelnen Schichten nacheinander, bis schließlich das vollendete Modell vorliegt. Bevor es die Möglichkeiten mit 3D Druckverfahren gab, war die Herstellung von Prototypen langwierig und teuer. Das Rapid-Prototyping hat hier die Entwicklungszeiten wesentlich verkürzt. Anhand der so produzierten Modelle lassen sich Schwachstellen früh entdecken. Der ursprüngliche Entwurf lässt sich leichter weiterentwickeln. Für alle, die noch mehr über das Rapid-Prototyping wissen möchten, stellt die TU Dresden weitere Informationen zu Möglichkeiten und Grenzen dieses Verfahrens vor.

Prototypen in verschiedenen Anwendungsgebieten

Prototypen eignen sich für die unterschiedlichsten Anwendungsgebiete.

Im Anlagen- und Automobilbau

Funktionelle wichtige Teile wie Motoren können mithilfe von Prototypen Feld- und Dauertests unterzogen werden, um diese Elemente bis zur Serienreife weiterzuentwickeln. Auch erfolgskritische oder sensible Bestandteile lassen sich damit auf Passgenauigkeit, Fertigungsqualität oder Maßhaltigkeit prüfen. Im Automobilbau sind Protoypen sehr beliebt, die dann als "Erlkönig" getarnt auf der Straße geheime Testfahrten durchlaufen.

Im Werkzeug- und Maschinenbau

Auch im Werkzeug- und Maschinenbau kommen Prototypen zum Einsatz, um Produktneuheiten oder -optimierungen zu realisieren und detailliert zu planen. Dabei kann s sich um extrem kleine und auch sehr große Komponenten handeln.

In der Medizin

In der Medizin ist das Prototyping fester Bestandteil bei der Entwicklung von Prothesen. In der Zahnmedizin wird beispielsweise zunächst ein Modell angefertigt und damit die Passform getestet, bevor der Zahntechniker einen endgültigen Zahnersatz modelliert.

In der Softwareindustrie

Prototypen sind nicht immer materielle Objekte. Auch in der Softwareindustrie sind Prototypen zum Testen neuer Programme üblich.

Das richtige Material für jeden Zweck

Je nach Verwendungszweck kommen bei der Herstellung von Prototypen unterschiedliche Materialien zum Einsatz. Es gibt mittlerweile sogar 3D Druckverfahren, die Metall verarbeiten können. So lassen sich mit unterschiedlichen Verfahren Edelstahl, Aluminium, Titan, Holz, verschiedenste Kunststoffe oder auch Keramik für die Modellierung verwenden. Metalle zeichnen sich durch eine besondere Festigkeit aus, während Modelle aus Keramik besonders temperaturbeständig sind.

Zukunftsaussichten

Die Entwicklung moderner 3D Druckverfahren steht noch ziemlich am Anfang. Schon heute sind deutliche Tendenzen erkennbar, die den Menschen das Leben erleichtern und verbessern können. Die Anwendungsmöglichkeiten sind vielfältig. Es lassen sich Bauteile für die Raumfahrt herstellen, Prothesen für medizinische Anwendungen, aber auch Produkte für den Endverbraucher. Auf Ingenieur.de gibt es dazu zahlreiche Ideen. Wie wäre es beispielsweise mit einem Paar Schuhe aus dem 3D Drucker?