Design Tip

Fertigungs-Toolkit für die Konsumelektronik

4 Wege zur Verbesserung des Teiledesigns durch Anpassung, den richtigen Werkstoff, iteratives Prototyping mit Mehrkavitätenwerkzeugen und Einsatz digitaler Fertigungsressourcen


Jedes Jahr im Januar präsentiert die CES in Las Vegas das Neueste aus der Unterhaltungs- und Konsumelektronik. Dies ist die größte jährliche Konsumelektronikmesse der Welt und eine spektakuläre Zurschaustellung von Gadgets und technischen Spielereien, die auf eindrucksvolle Weise vor Augen führt, wie verschiedene Chips, Boards, Schaltungen und Verbindungen das Herz dieser Produkte bilden.

Doch was wäre ein Herz ohne Körper, und diese Körper – Smartphones, Laptops, Tablets, drahtlose Ohrhörer, verschiedene IoT- und eine Vielfalt anderer elektronischer Geräte – bestehen aus Gehäusen, Konsolen, Tasten, Linsen, Befestigungen, internen Plättchen und anderen Komponenten. Solche Komponenten werden überwiegend aus Kunststoff gefertigt, doch finden sich gelegentlich auch Teile aus Metall (siehe Seitenleiste).

Dieser Designtipp befasst sich damit, wie sich Teile und Produkte für den Konsumelektronik- und Computersektor optimieren lassen. Wir schauen uns Folgendes an:

  • Wie die Produktanpassung bei der Differenzierung im Markt helfen kann

  • wie die Anforderungen der Verbraucher erfüllt und in manchen Fällen Kosten gesenkt werden können

  • welche Werkstoffe in Betracht kommen und

  • welche Ansätze es beim Prototyping gibt.

Außerdem geht es darum, wie die Entwicklung mithilfe digitaler Fertigungsressourcen rasch von ersten Produktentwürfen bis zur Markteinführung voranschreiten kann.

Kundenspezifische Anpassungen

Designer und Konstrukteure können handelsübliche Komponenten „von der Stange“ kaufen. Das Problem dabei ist, dass bei Massenware meist der Preis den Ausschlag gibt und Sie sich damit auf einen Abwärtswettlauf einlassen, der an den Margen zehrt. Selbst wenn sich Ihr Gerät oder Produkt durch ungewöhnliches Design oder besondere Funktionsmerkmale auszeichnet, besteht die Gefahr, dass es in einem Meer anderer, ähnlich aussehender Produkte untergeht und sich Ihre innovative Lösung lediglich durch einen Aufkleber von Mitbewerberprodukten unterscheidet.

Durch Anpassung und Entwicklung differenzierter Produkte, die besser funktionieren, schneller laufen, länger halten, die Montagekosten drastisch senken und leichter zu bedienen sind, können Sie dieser Falle entkommen. Und sich von der Masse abheben. Form und Design bilden die Schnittstelle zwischen Produkt und Verbraucher und helfen, Ihren Produkten eine Markenidentität zu verleihen und ihre Einzigartigkeit zu unterstreichen. Apple beispielsweise hat dies zu einem zentralen Bestandteil seiner Marketingstrategie gemacht. Das Unternehmen achtet genau auf jedes Detail seiner Produkte, einschließlich von Aussehen und Anmutung oder „Look and Feel“. Verbraucher treffen ihre Wahl oft nach dem Aussehen eines Produkts – mit anderen Worten Form vor Funktion.

Darstellung des Prototyps der Unterhaltungselektronik
Fertigungsteile für die Konsumelektronik kommen in vielerlei Formen und Größen vor, wie zum Beispiel diese winzige Komponente für drahtlose Kopfhörer, deren verschiedene Entwicklungsphasen hier abgebildet sind. Ein erstes CAD-Modell, ein Prototyp mit Modifikationen, die nach unserer Machbarkeitsanalyse (DFM) vorgenommen wurden, und das endgültige Teil, dessen Design noch weiter optimiert wurde.

Natürlich sind Design und Entwicklung einer angepassten Komponente aufwendiger als das Auswählen eines Teils aus einem Katalog. Es gibt jedoch Möglichkeiten, die Vorteile der Anpassung zu nutzen und gleichzeitig die Entwicklung zu vereinfachen, Verzögerungen zu minimieren und die Kosten gering zu halten. Dies gilt für Kunststoffkomponenten, ob spritzgegossen oder spanend gefertigt

Bei produktspezifischen Designs lassen sich mehrere Komponenten in einem spritzgegossenen oder bearbeiteten Teil kombinieren. So werden potenzielle Schwachstellen eliminiert und die Montage vereinfacht. Beim Design von Komponenten können optimaler Abstand oder kompakte Größe im Vordergrund stehen. Verbindungen lassen sich dort anbringen, wo sie benötigt werden, wodurch Montageschritte entfallen. Anpassbare Platten können die Werkzeugkosten senken und ermöglichen kundenspezifische Lösungen.

Eine weitere Möglichkeit, zumindest anfangs in der Prototypenphase, ist natürlich der industrielle 3D-Druck (additive Fertigung), bei dem sich die Herstellung mehrerer Komponenten unter Umständen erübrigt.

Beim Spritzguss gibt es für angepasste Designs zwei weitere oft genutzte Verfahren: das Umspritzen von Einlegeteilen und der 2K-Spritzguss.

Beim Umspritzen von Einlegeteilen werden kleine Metalleinleger – Verbinder, Halterungen, Kompressionsbegrenzer oder feine Gewinde –, deren maschinelle Einarbeitung in ein Spritzgussteil nicht so einfach wäre, in das Kunststoffteil integriert, wodurch mehr Flexibilität beim Design gegeben ist. Damit lassen sich Platten, Türen oder Halterungen bei Wartungsarbeiten vor Beschädigung schützen. Das Umspritzen von Einlegern kann Teilen auch zusätzliche Festigkeit und Haltbarkeit verleihen. Ein Anwendungsbeispiel für das Umspritzen von Einlegeteilen? Dieses Beispiel stammt eher aus der kommerziellen als aus der Konsumelektronik: Der Auftragnehmer der US-Regierung Harris Corporation nutzte kürzlich das Umspritzen von Einlegeteilen, um anpassbare Befestigungen für Leiterplatten zu fertigen, was zu einer Senkung der Produktionskosten führte.

2K-Spritzguss – das Aufbringen einer Kunststoffschicht auf eine andere – ist ein sehr gutes Beispiel dafür, wie mehrere Teile in einem kombiniert werden können. Das Verfahren wird oft aus optischen Gründen, für weichere Griffe oder zur Stoßdämpfung verwendet. Triax Technologies hat kürzlich den 2K-Spritzguss genutzt, um ein Kunststoffgehäuse für ein IoT-aktiviertes Wearable herzustellen.

Darüber hinaus gibt es auch End- oder Nachbearbeitungsoptionen, mit denen eine Anpassung oder Differenzierung von Mitbewerbern erzielt werden kann. So können Sie ein Produkt zum Beispiel in Ihren Markenfarben lackieren, es beschriften oder ihm eine strukturierte Oberfläche geben.

cnc-Fräsen eines benutzerdefinierten Teils
Das Fräsen von Kunststoff ist ein beliebtes Fertigungsverfahren in der Konsumelektronik, wie an diesem vierfach ausgefrästen Teil zu sehen ist.

Wahl des Werkstoffs bei der Fertigung für die Konsumelektronik

Der Werkstoffwahl kommt große Bedeutung zu, denn mit dem richtigen Material lassen sich Kosten senken, die Haltbarkeit verlängern, die Ergonomie verbessern und weitere Funktionsvorteile erzielen. Wie bereits erwähnt, herrscht Kunststoff in diesem Sektor vor. Dabei kommt es darauf an, den richtigen Kunststoff zu wählen. Allzweckkunststoffe wie ABS und Polycarbonat (PC) sind stabil und wirtschaftlich und ideal für Komponenten wie Gehäuse und Konsolen. Im Haushalt kommen viele Produkte mit ABS, PC und ABS/PC-Mischungen zur Anwendung. Es gibt auch andere Kunststoffe mit speziellen Eigenschaften.

  • Transparente Materialien wie Polycarbonat, Acryl, Polystyrol oder Silikon sind ideal für Linsen und Bildschirme.

  • Technischen Kunststoffen kann durch den Zusatz von Glasfasern oder Keramikfasern höhere Wärmefestigkeit oder Leitfähigkeit verliehen werden.

  • Elektrisch leitfähige Materialien können für Erdung oder Abschirmung im Gehäuse selbst sorgen.

  • Biegsame Materialien wie Elastomere, Silikon, Polypropylen oder Polyethylen sind ideal für Griffe, Tasten oder Stoßfänger.

Neben Kunststoff ist auch Aluminium eine beliebte Option für diese Branche. Dieses Material kann durch Maschinenbearbeitung zu Gehäusen, Halterungen oder anderen Metallteilen verarbeitet werden, die fest und dennoch leicht sein müssen. Wir bieten einen Leitfaden zum Werkstoffvergleich als Hilfsmittel an.

Prototyping für die Konsumelektronik

Das Prototyping nimmt einen Großteil des Zeit- und Arbeitsaufwands beim Entwickeln von angepassten Teilen in Anspruch, bringt jedoch auch viele Vorteile. Anhand von Prototypen können Sie Ihr Design optimieren und die Montage prüfen. Sie können damit auch verschiedene Werkstoffe ausprobieren, um genau die gewünschten Funktionseigenschaften zu erhalten.

Der industrielle 3D-Druck (additive Fertigung) wird oft für die Herstellung funktionsfähiger Prototyen verwendet, jedoch wechseln Entwickler bei späteren Prototypen und für die Produktion aus Kostengründen gewöhnlich zum Spritzguss. Die CNC-Fertigung bietet für Prototypen vielleicht keine so große Werkstoffauswahl wie der Spritzguss und gibt auch nicht so viel Aufschluss über die Machbarkeit, sie ermöglicht jedoch eine schnelle und kostengünstige Produktion von Prototypen in kleinen Mengen.

In späteren Phasen des Prototyping bietet der Spritzguss eine größere Auswahl an Kunststoffen, gibt Aufschluss über die Machbarkeit eines Designs und ist wirtschaftlich für die Herstellung größerer Stückzahlen für Prüfung oder Produktion.

Mehrkavitäten- und Familienwerkzeuge sind sehr gut geeignet, um die iterative Entwicklung zu beschleunigen. Sie steigern nachweislich die Effizienz, sobald mit dem Spritzgießen von Prototypen oder der Produktion begonnen wird. Mehrkavitätenwerkzeugen können bei jedem Einspritzzyklus mehrere identische Teile produzieren und nach Größe oder Komplexität der Teile gegen zusätzliche Werkzeugkosten modifiziert werden. So können die Produktion beschleunigt und die Kosten gesenkt werden. Mit Familienwerkzeugen können unterschiedliche Teile aus dem gleichen Kunststoff in einer Form und einem Einspritzzyklus gefertigt werden, der Erfolg hängt jedoch von der Ähnlichkeit von Form und Größe ab. Und wenn Sie sich noch nicht auf einen Werkstoff festgelegt haben, können die gleichen Formen in vielen Fällen zur Produktion eines Teils oder einer Teilefamilie aus verschiedenen Kunststoffen verwendet werden und so einen Vergleich ermöglichen. Bei Kunststoffen mit sehr unterschiedlichen Schrumpfraten ist dies jedoch unter Umständen nicht möglich.

Nutzung der Ressourcen eines digitalen Herstellers

In den stark umkämpften Märkten von heute ist Zeit zweifellos Geld. Die Produktentwicklung erfordert sowohl Schnelligkeit als auch Gründlichkeit, und dies gilt besonders bei elektronischen Produkten, bei denen in der Regel umfassende Prüfungen erforderlich sind. Als digitaler Hersteller können wir dabei helfen, jeden Schritt des Entwicklungsprozesses zu verkürzen und zu vereinfachen.

  • ProtoQuote, unser interaktives Online-Angebotssystem, erstellt aus Ihrem Angebot sofort ein CAD-Modell mit Designanalyse und Feedback für die meisten Fertigungsverfahren. Dies kann so oft wie möglich wiederholt werden, bis Ihr ideales Design fertig ist.
  • Sie können Ihre Projekte und Erwartungen mit unseren internen Anwendungstechnikern besprechen, die Ihnen helfen können, Ihr Ziel zu erreichen.
  • Bestellte Spritzguss- oder CNC-Teile werden manchmal schon am nächsten Tag geliefert.
  • Dank Fertigung im Inland entfallen Lieferverzögerungen, und Sie können schnell mit der Prüfung Ihrer Prototypen beginnen.
  • Durch verschiedene Technologien haben Sie vielerlei Optionen. So bieten wir bei Protolabs zum Beispiel drei Fertigungsmetoden an: 3D-Druck (mit sechs Optionen für die additive Fertigung), CNC-Bearbeitung  und Spritzguss. So können Designer schnell und beim gleichen Lieferanten von der Prototypenherstellung zur Kleinserienfertigung übergehen.
  • Wenn Ihr Entwurf dann fertig ist, können wir mit verschiedenen Produktionsoptionen beginnen, zum Beispiel:
    • Express-Bridge-Tooling (Bridge-Produktion) von Spritzgussteilen, damit Sie sich vergewissern können, dass ein Teil tatsächlich spritzgegossen werden kann und/oder dass Sie es auf den Markt bringen können, während die endgültigen Produktionswerkzeuge für sehr große Serien hergestellt werden.
    • On-Demand-Fertigung für die Herstellung von Spritzgussteilen für den Endgebrauch in Kleinserien (Tausende oder auch Zehntausende von Teilen)
    • On-Demand-Fertigung für die Anpassung von Massenteilen. Dieser On-Demand-Ansatz ist besonders im Konsumelektroniksektor von Bedeutung, in dem die Massenanpassung von Produkten große Verbreitung findet. Die Fähigkeit, eine solche Massenanpassung vorzunehmen, ist ein weiterer Vorteil der Zusammenarbeit mit einem digitalen Hersteller, der schnelle und Kleinserienfertigung anbietet. So können Sie Ihre Lieferkette durch die Beschaffung von Teilen auf Abruf und ohne Mindestbestellmenge rationalisieren.
Digitaler Fertigungsprozess
Digitaler Fertigungsprozess

Sie können sich viele Schritte sparen, indem Sie Ihr CAD-Modell an ProtoQuote, unser automatisiertes Angebotssystem, übermitteln. Das System prüft Ihr Design und hebt Bereiche hervor, die nicht machbar sind oder nicht den bewährten Verfahren entsprechen. Designer haben uns bestätigt, dass die Preiskalkulation unseres Systems recht genau ist. Darüber hinaus liefert es auch eine Form-Einspritzanalyse. Beachten Sie, dass ProtoQuote viel über die Fertigung „weiß“, jedoch nichts Genaues über Ihr Projekt. Das System kann Probleme wie Hinterschneidungen, scharfe Ecken und dicke Wände hervorheben. Es kann aufgrund der von Ihnen gewählten Werkstoffe Entscheidungen treffen. Aber es „weiß“ nicht, wie das Teil eingesetzt werden soll, womit es verbunden wird oder ob es extremen Temperaturen, rauer Behandlung, UV-Strahlung oder Chemikalien ausgesetzt sein wird.

Wenn Sie also unser Angebotssystem nutzen, dann behandeln Sie es wie einen Partner. Teilen Sie dem System über Ihr CAD-Modell mit, was Ihrer Meinung nach funktionieren könnte. Das System wird Möglichkeiten zur Verbesserung der Machbarkeit und Qualität Ihres Designs vorschlagen, und Sie können dann entsprechende Änderungen vornehmen und den Entwurf ohne Zusatzkosten erneut übermitteln. Wenn Sie mit ProtoQuote zu einer Übereinstimmung über ein Design gekommen sind, übermitteln Sie den Auftrag und prüfen den gelieferten Prototypen

Fertigung heißt Partnerschaft. Bei Protolabs haben Sie die Möglichkeit, Designs zu übermitteln und automatisch Feedback zu erhalten. Doch möchte Protolabs auch Ihr Produkt verstehen und Ihnen helfen, unser Fertigungsangebot optimal zu nutzen. Wenden Sie sich jederzeit an unsere Anwendungstechniker, wir sind gerne für Sie da. Als Partner werden wir Sie über Risikobereiche informieren und Ihnen Optionen vorschlagen, wie diesen begegnet werden kann. Unsere Mitarbeiter können Ihnen auch bei der Abwägung der Vorteile und Kosten helfen, die mit den empfohlenen Designänderungen verbunden sind.

Die Übertragung der Teilegeometrie von einem Fertigungsverfahren auf ein anderes, oft von CNC auf Spritzguss, ist nicht immer einfach. Die Maschinenbearbeitung kann scharfe Ecken und dünne und dicke Querschnitten bewältigen und erfordert auch keine Formschräge, beim Spritzguss könnten hier jedoch Probleme auftreten. Unser Angebotssystem und unsere Anwendungstechniker helfen bei jedem Schritt des Prozesse, Probleme zu vermeiden.

Und wenn Sie Fragen haben, können Sie sich wie immer an uns wenden. Sie erreichen uns telefonisch unter +49 (0) 89 905002 22 oder per E-Mail an [email protected] Um Ihr nächstes Designprojekt noch heute ins Rollen zu bringen, laden Sie einfach ein 3D-CAD-Modell hoch. Sie erhalten innerhalb weniger Stunden ein interaktives Angebot.

*Fordern Sie hier einen kostenlosen Designwürfel an.