März 2011



Konstruieren für Querdenker

Beim Produktdesign müssen eine Reihe von Entscheidungen getroffen werden, wie beispielsweise bezüglich der Funktion und Ästhetik des Produkts und den zu verwendenden Fertigungsverfahren, sowie den physikalischen, finanziellen, zeitlichen und sonstigen Einschränkungen. In diesem Monat behandelt der Design-Tipp einige Entscheidungen, die ein Designer bei der Entwicklung eines Produkts treffen muss. Wir hoffen, dass Sie daraus Erkenntnisse ziehen können, die sich auf Ihre eigenen Entwicklungsprojekte übertragen lassen.


Das Produkt in unserem Beispiel heißt Reptangles, ein Bauspielzeug, das aus identischen, facettierten Bausteinen in Schildkrötenform besteht, die auf fast unbegrenzte Art und Weise zu komplexen dreidimensionalen Konstruktionen zusammengesteckt werden können. Das Konzept wurde unter der Bezeichnung „facettenreiche Schachtelmodule“ patentiert.


Die drei größten Herausforderungen beim Design des Projekts waren: die Entwicklung der Form der Plastikschildkröten, der Entwurf der Verbindungselemente – 56 je Baustein – mit denen die Schildkröten in vielen verschiedenen Kombinationsmöglichkeiten zusammengesteckt werden können und die Gestaltung der Bausteine, damit diese in einfachen und kostengünstigen Formen mit geradem Rückzug hergestellt werden konnten, um die Produktkosten gering zu halten.

Abbildung 1: Die Verbindungselemente von Reptangles können fest zusammengesteckt werden, lassen sich jedoch wieder trennen.

Abbildung 1: Die Verbindungselemente von Reptangles können fest zusammengesteckt werden, lassen sich jedoch wieder trennen.


Die Verbindungselemente, die an den facettierten Bausteinen angebracht sind, mussten in unterschiedliche Richtungen weisen (siehe Abbildung 1). Dies war einer der Gründe, warum ein einfacher reibschlüssiger Sitz, wie bei LEGO® Bausteinen, ungeeignet war. Ein Reibschluss erfordert extrem enge Toleranzen, die durch Verschleiß verloren gehen können, und während LEGO Bausteine in der Regel vertikal gestapelt und daher auch durch die Schwerkraft zusammengehalten werden, können Reptangles in praktisch jeder beliebigen Richtung zusammengesteckt und die Verbindungselemente in fast jede Richtung gezogen werden. Dem Designer Jonathan Stapleton wurde schnell klar, dass seine Verbindungselemente fest zusammensteckbar und dabei dennoch trennbar sein mussten. Außerdem wurde ihm bei der Herstellung der Verbindungselemente klar, dass die aufeinandertreffenden Flächen nicht unbedingt lotrecht, sondern auch schräg zueinander stehen würden.


Auch die Formbarkeit war eine Herausforderung. Da die Schildkröten dreidimensional und hohl sein sollten, mussten sie in zwei Teilen – Ober- und Unterseite, siehe Abbildung 2 – geformt und anschließend zum fertigen Baustein zusammengesetzt werden. Jede Hälfte musste wiederum in einer zweiteiligen Form hergestellt werden. Da die Flächen in einem Winkel von 45°, 90° oder 135° zur Richtung der Formöffnung standen, mussten die Verbindungselemente speziell konzipiert werden, um Hinterschneidungen zu vermeiden.

Abbildung 2: Ober- und Unterteil werden zur fertigen Plastikschildkröte zusammengesetzt.

Abbildung 2: Ober- und Unterteil werden zur fertigen Plastikschildkröte zusammengesetzt.


Durch CAD-Modellierung und Prototypenherstellung fand Stapleton eine Lösung, die auf dreieckigen Verbindungselementen beruht. Die rechtwinkligen Bögen auf der einen Fläche sollten in die Schlitze auf der Anschlussfläche passen und die Haken mit den Wänden des Schlitzes einen Presssitz bilden (Abbildung 3). Die Dreiecksform des positiven Verbindungselements ermöglicht das Einsetzen in jeder Richtung innerhalb eines 90-Grad-Bogens.

Abbildung 3: Ein Bogen auf der Fläche des Teils passt in die Schlitze auf dem Gegenstück.

Abbildung 3: Ein Bogen auf der Fläche des Teils passt in die Schlitze auf dem Gegenstück.


Für diese Konstruktion ist ein Kunststoff notwendig, der ausreichend flexibel ist, um den Haken beim Verbinden und Trennen der Bauteile etwas Bewegungsfreiheit in den Schlitzen zu erlauben, wobei diese dennoch fest genug halten müssen, um eine unbeabsichtigte Trennung zu verhindern.


Nachdem Stapleton das Verbindungsproblem gelöst hatte, widmete er sich den Fragen rund um das Spritzgießen. Durch die Aufteilung des fertigen Bausteins in eine obere und eine untere Hälfte konnten die Verbindungselemente mithilfe der beiden Formhälften (A-Seite und B-Seite) geformt werden. Die Unterseite des positiven Verbindungselements entsteht durch einen Vorsprung durch die Teilewand der Formhälfte der B-Seite, die mit der A-Seite der Form eine Formschlussfläche bildet. Wie in Abbildung 4 dargestellt, können positive Verbindungselemente an Flächen geformt werden, die sowohl lotrecht als auch schräg zur Richtung der Formöffnung liegen. Auf die gleiche Weise werden die negativen Verbindungselemente von der „Innenseite“ des Teils durch Vorsprünge an der B-Seite geformt, die an die Oberfläche der Formhälfte der A-Seite anschließen.

Abbildung 4: Die Wände der Schlitze folgen der Richtung der Formöffnung und nicht der Kontur der passenden positiven Verbindungselemente, damit die Schlitze in einer Form mit geradem Rückzug geformt werden können.

Abbildung 4: Die Wände der Schlitze folgen der Richtung der Formöffnung und nicht der Kontur der passenden positiven Verbindungselemente, damit die Schlitze in einer Form mit geradem Rückzug geformt werden können.


Der Produktdesigner erkannte, dass sich bei negativen Verbindungselementen, die den Konturen der positiven Verbindungselemente folgten, an den schrägen Flächen Hinterschneidungen ergeben würden. Er löste das Problem, indem er die potenziell problematischen Flächen dieser Verbindungselemente mit der Richtung der Formöffnung fluchtete (siehe Abbildung 4). Da der Presssitz durch die Haken des negativen Verbindungselements, die in die Schlaufe des positiven Verbindungselements eingreifen, gegeben ist, wurde die Verbindungsfunktion dadurch nicht beeinträchtigt.


Die Fertigstellung des Teiledesigns war ein mehrstufiger Prozess. Nach der CAD-Modellierung und Prototypenherstellung aus Holz wurde Stapleton klar, dass das Spritzgussverfahren die einzige Methode zur Prototypenherstellung war, die die Frage der Formbarkeit positiv beantworten konnte. Der erste Satz an Spritzguss-Prototypen von Protomold machte deutlich, dass kleinere Änderungen am Design vorgenommen werden mussten. Glücklicherweise beinhalteten die notwendigen Änderungen eine Vergrößerung einiger Merkmale (durch „Hinzugabe von Kunststoff“), die sich durch die Abänderung der ersten Form erreichen ließ, ohne dass eine neue Form hergestellt werden musste. Die Lizenz für das Endprodukt wurde an eine Spielzeugfirma vergeben und ist nun auf dem Markt. Der Designer hat die Verbindungselemente selbst zum Patent angemeldet.