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Vom Prototyp zur Produktion

BESCHLEUNIGTE FERTIGUNG

 

Wenn die Entwicklung neuer Produkte und die Produkteinführungszeiten beschleunigt werden sollen, kann bei der Validierung eines Designs ein starker Druck entstehen. Mit einem Prototyp für ein Produkt oder ein Bauteil können Konstrukteure endlich ihr Design vom Bildschirm in physische, handhabbare Objekte verwandeln. Passt das Teil? Wird es wie beabsichtigt funktionieren? Kann ein 3D-gedrucktes Teil mit dem Spritzgussverfahren hergestellt werden? Und – im Fall von Prototypprodukten – was halten potenzielle Kunden wohl davon?
Durch den Druck, spezifische Merkmale oder Designelemente in Prototypen abzubilden, kann der Fokus auf das resultierende Endprodukt verloren gehen. Wenn Sie einen Prototyp anvisieren, erhalten Sie auch einen Prototyp – vielleicht eine ganze Reihe davon, wenn das Design verfeinert wird.
Clevere Hersteller und ihre Designteams agieren zunehmend vorausschauend. Sie behalten die Zeit nach der Prototypingphase des Produktdesignprozesses im Blick und das Endprodukt und seine erforderlichen Leistungsmerkmale im Hinterkopf.
Das Ziel sind Prototypen, die mehr als nur physische Darstellungen eines Entwurfs sind, sondern vielmehr den Weg für die endgültige Fertigung ebnen und wertvolle Informationen zu den Leistungseigenschaften und zur Konformität des Produkts liefern.

Metallteil

Auf Anhieb Richtig

 In der Produktentwicklung durchlaufen Teile oder Produkte normalerweise drei Entwicklungsphasen: erstens das Prototyping, zweitens die Kleinserienproduktion und als Drittes und Letztes die Serienproduktion.

Beim Prototyping geht es um die Realisierung eines erprobten, funktionierenden Designs. Ein Prototyp kann das Ergebnis einer von mehreren (oder vielen) Iterationen sein, oder einfach eine abschließende physische Validierung eines Bildschirmentwurfs vor der Freigabe des Designs. Bei der Kleinserienproduktion hingegen geht es weniger um das Produkt selbst als vielmehr um seinen Vermarktungs- oder Produktionsprozess. Mithilfe einer Kleinserienphase kann ein Fertigungsprozess verfeinert werden, alternativ dazu können Produkte getestet oder auf den Markt gebracht werden, um zu erfahren, wie sie von den Kunden aufgenommen werden. Die genauen Mengen in Verbindung mit der Serienproduktion hängen schließlich vom Markt und dem Produkt selbst ab und reichen in der Regel von mehreren tausend bis hin zu mehreren Millionen pro Jahr.

Das Ziel ist jeweils ein reibungsloser Übergang von einer Entwicklungsphase zur nächsten, in denen das Produkt und seine Machbarkeit verbessert werden. Das übergeordnete Ziel besteht darin, Dauer und Kosten des gesamten Prozesses so gering wie möglich zu halten. Erreicht wird dies durch einen reibungslosen und effizienten Prozess vom ersten Produktentwurf bis hin zur Serienproduktion, der möglichst schnell und kostengünstig sein sollte.

Metallteil

In manchen Branchen setzt die Markteinführung eines Produkts umfangreiche Konformitätsprüfungen voraus, die häufig eine Zertifizierung durch Dritte beinhalten. Solche Konformitätsprüfungen sind beispielsweise bei der Produktentwicklung für die Luft- und Raumfahrt- und die Rüstungsindustrie notwendig. Schließlich will kein Hersteller ein Produktdesign fertig stellen und die Serienproduktion in die Wege leiten, um dann festzustellen, dass das betreffende Produkt seine Designanforderungen in Bezug auf Haltbarkeit, Nutzungszyklen oder andere prüfbare Eigenschaften nicht erfüllt. Es ist daher klug, die Prototyping-Phase für solche vorbereitende Konformitätsprüfungen zu nutzen. In solchen Fällen ist es absolut sinnvoll, dass Konstrukteure die Beratung des Prototyping-Anbieters in Anspruch nehmen, um für das Prototyping einen Werkstoff mit einer hohen Aussagekraft zu Eigenschaften, wie Stärke, Flexibilität und Haltbarkeit, zu verwenden. 

Abgesehen von diesen Entwicklungs- und Testphasen zur Markteinführung eines Produkts, kann ein Hersteller schließlich den Wunsch haben, dass eine Reihe von umfassenderen betriebswirtschaftlichen Überlegungen in den Prototyping- und Entwicklungsprozess eines Produkts einfließen.


So können sich zum Beispiel Entscheidungen zur Verpackung auf die Verpackungskosten, die Anfälligkeit für Transportschäden und die Raumausnutzung der Primär- und Sekundärverpackung auswirken. Letztendlich wirkt sich die Raumausnutzung natürlich auf die Fahrzeug- und Containeranforderungen sowie auf Versandkosten aus. Es kann sinnvoll sein, soweit und so früh wie möglich Produkt-Prototypen, als Hilfestellung für Verpackungsentscheidungen heranzuziehen.


Neben den Zielen im Zusammenhang mit der Verpackung und dem Versand der Produkte kann ein Unternehmen Nachhaltigkeits- und Brandingziele verfolgen. So kann zum Beispiel eine Entscheidung zur Verwendung bestimmter Verpackungsmittel wiederum die Schadensstatistik oder die Produktästhetik bei längerer Lagerung beeinflussen. Die Zielsetzung, einen hohen Anteil an Recyclingkunststoff zu verwenden, kann sich beim Spritzgießen eines spezifischen Teils als nicht praktikabel erweisen. Außerdem kann sich die Klimabilanz eines Unternehmens verschlechtern und können die Kosten steigen, wenn Prototypen und Produktionsteile aus großen Entfernungen bezogen werden.


Qualität, Zuverlässigkeit und Anpassungsfähigkeit des Unternehmens sind weitere wichtige Aspekte. Diese sind in der Regel abzuwägen. So ist beispielsweise der günstigste Prototyping-Anbieter in der Regel nicht der schnellste oder derjenige, der die qualitativ hochwertigsten Prototypen herstellt. Die Pflege einer engen Geschäftsbeziehung mit einem Prototyping-Anbieter wird für viele Unternehmen zu einer strategischen Überlegung. Dabei wird Wert gelegt auf die Beauftragung von empfohlenen Herstellern als Outsourcing- Partnern, die in der Lage sind, den Anforderungen an die Prototypenherstellung sowie an die Klein- und Mittelserienfertigung nachzukommen. Diese Anbieter stellen einen Support bereit, der die Notwendigkeit eines fachgerechten Designs voll und ganz versteht, und sind für eine reibungslose Durchführung des Projekts von entscheidender Bedeutung.


Kurzum, die erfolgreiche Markteinführung eines neuen Produkts kann eine vielschichtige Herangehensweise an Design und Entwicklung erfordern, die ein breites Spektrum an Problembereichen, Prioritäten und Abwägungen umfasst. In dieser Infobroschüre zeigen wir Ihnen, wie ein intelligenter strategischer Ansatz bei der Prototypenherstellung Ihnen in den einzelnen Phasen des Entwicklungsprozesses weiterhelfen kann. Ziel ist ein Ansatz bei der Prototypenherstellung, mit dem bei einem insgesamt reduzierten Zeit-und Preisaufwand für die Entwicklung ein besseres, leistungsfähigeres Produkt auf den Markt gebracht werden kann.tärke, Flexibilität und Haltbarkeit, zu verwenden.

 

Prototyping-Überlegungen bei den Frühphasen eines Entwurf

Die frühen Phasen des Produktentwicklungsprozesses umfassen die Konzeptentwicklung, den Ausgangsentwurf und die Produktvalidierung, sowie einige Produktprüfungen in Bezug auf ästhetisches Erscheinungsbild und Funktionalität.


In diesen Anfangsstadien lautet die Zielsetzung des Designs, die Anforderungen der „Voice of the Customer“ (VOC), der „Voice of the Process“ (VOP), die aktuelle Fertigungs- und Beschaffungsmöglichkeiten spezifiziert und alle bekannten Investmentanforderungen umfasst, sowie der „Voice of the Business“ (VOB), die die Ansprüche und Hindernisse des Unternehmens in Bezug auf Kapitalrendite, Vertrieb, Marketing und Betriebsabläufe beinhaltet, miteinander zu verbinden. 

Prototypen sind für F&E-Teams eine wichtige Investition, und soweit möglich, greifen Hersteller zunehmend auf Rapid-Prototyping-Verfahren zurück, um die Entwicklungszeiten zu verkürzen und das Risiko zu reduzieren. Dabei nutzen sie Technologien, wie:

  • 3D-Druck
    • Multi-Jet-Fusion (MJF)
    • Selektives Lasersintern (SLS).
    • Sterelithographie (SL)
    • Direktes Metall-Lasersintern (DMLS)
  • CNC-Bearbeitung
  • Spritzguss

 Je nach Produkt und Anforderungen des Projekts können die Prototypstückzahlen von einem Prototyp pro Iteration bis hin zu mehreren hundert oder tausend Stück reichen. Sie liegen jedoch normalerweise zwischen ein bis fünf Stück bei der Erstellung erster Konzeptprototypen mittels CNC-Bearbeitung oder 3D-Druck und mehreren hundert Stück bei Verwendung des Spritzgussverfahrens. Wir sollten jedoch aufpassen, diese Technologien nicht zu kategorisieren und allein auf das Prototyping zu reduzieren. Werden nur wenige Produktionsteile oder Komponenten benötigt, sind 3D-Druck, CNC-Bearbeitung und Spritzguss übliche Verfahren zur Herstellung produktionsreifer Teile.


Jede Fertigungstechnik erfordert Kompromisse. Geschwindigkeit, Kosten und Umfang an nützlichen Informationen, die ein Prototyp liefern kann, werden in der Anfangsphase des Projekts berücksichtigt. Prototypen werden oft mit Werkstoffen und Verfahren hergestellt, die nicht denen der tatsächlichen Produktion entsprechen (z. B. 3D-gedruckte Kunststoffe), da die Teile in erster Linie Informationen zu Passgenauigkeit, Funktion und Aussehen liefern sollen. Bei manchen Projekten, insbesondere bei späteren Prototyping-Iterationen, benötigen Hersteller Vorserien- Prototypen, die stellvertretend für die im Endprodukt verwendeten, mit den gleichen Werkstoffen und Fertigungsverfahren hergestellten Teile stehen. 

Prototyping-Überlegung beim Übergang zur Kleinserienproduktion

Nachdem Prototypen in Bezug auf Passgenauigkeit, Form, Funktionsfähigkeit und Aussehen validiert wurden, kann die Entwicklung zur Kleinserienproduktion übergehen, um bedarfsorientierte Lieferketten zu entwickeln oder anschließend zur Serienproduktion wechseln. Diese Phase der Fertigung besteht aus Teilechargen, die von 50 bis zu mehreren hundert oder tausend Stück reichen, auf die Produktionsbedürfnisse abgestimmt sind und Teile bereitstellen, die eine schwankende Nachfrage bedienen. Darüber hinaus kann die Kleinserienproduktion bei bestimmten Projekten die eigentliche und endgültige Produktionsmethode sein.


Die Projektentwicklungsstrategie gibt vor, wie schnell der Hersteller zur Kleinserienproduktion übergeht und wie lange diese Produktionsphase wahrscheinlich dauern wird. Sie beinhaltet außerdem ein Verständnis für den Umfang einer solchen Produktion – im Hinblick auf die Werkzeugausstattung und Produktion sind Chargen von mehreren tausend Stück eine ganz andere Hausnummer als solche mit 50 Stück.

Die wichtigste Begleiterscheinung in dieser Phase ist, dass die produzierten Teile nützliche Erkenntnisse zu ihrer Passgenauigkeit, Form und Funktionsfähigkeit liefern, gleichzeitig aber auch für die Machbarkeit optimiert werden. Ein physischer Prototyp, der bestätigt, dass ein Teil oder Produkt seine vorgesehene Aufgabe erfüllt, ist eine Sache – ein physischer Prototyp, bei dem die Machbarkeit der Fertigung optimiert wurde, hingegen eine ganz andere.


Ein Hauptziel der optimierten Machbarkeit bei der Kleinserienproduktion ist es, Prototypendesigns so zu ändern, dass die Spritzgusswerkzeuge schneller und/oder kostengünstiger hergestellt werden können. Ein Hersteller stellt jedoch in der Regel nicht nur solche werkzeugbezogenen Überlegungen an, sondern möchte darüber hinaus eine optimierte Formbarkeit erreichen. So kann zum Beispiel oft schon eine kleine Änderung einer Formschräge den Teileauswurf und somit die Oberflächenqualität und die Erfolgsquote erheblich verbessern.


Wie lässt sich diese Optimierung erreichen? Im Idealfall würde ein Hersteller diese Anforderung bei seiner Auswahl eines Anbieters von Prototypen oder Kleinserien berücksichtigen und einen Anbieter auswählen, der sowohl die anwendungstechnische Kompetenz seiner Mitarbeiter als auch automatisierte Tools bereitstellen kann, die in der Lage sind, ohne menschlichen Eingriff eine kostengünstige, erste grobe Optimierungsanalyse zu erstellen.


Tatsächlich sind automatisierte Tools zur Designoptimierung in vielen Fällen in der Lage, das Design derart zu optimieren, dass es für die Kleinserienproduktion völlig ausreicht. Werden solche Tools mithilfe leistungsstarker Computercluster bereitgestellt, kann diese Optimierung bei nur minimaler Verzögerung des Produktionsprozesses erzielt werden – was in der Regel von entscheidender Bedeutung ist, da die schnelle Markteinführung ein vorrangiges Ziel bleibt.


Bei Protolabs beispielsweise erhält ein Designer bereits wenige Stunden, nachdem er ein 3D-CAD-Modell auf der Website hochgeladen hat, ein Angebot, in dem die Abschnitte des Modells, die noch eine Formschräge benötigen, detailliert hervorgehoben sind. Außerdem werden Änderungen zur Verbesserung der Formschräge in diesen Bereichen vorgeschlagen. 

 

 Beim Schnellspritzgießen werden, wie auch beim traditionellen Spritzgussverfahren, thermoplastische Kunststoffe in ein Formwerkzeug eingespritzt. „Schnell“ ist bei diesem Verfahren die Technologie zur Herstellung des Formwerkzeugs, das oft aus Aluminium und nicht aus dem bei Serienformen traditionell verwendeten Stahl gefertigt wird.
Formteile sind robust und können mit ausgezeichneten Oberflächeneigenschaften hergestellt werden. Außerdem handelt es sich hierbei um das branchenübliche Fertigungsverfahren für Kunststoffteile, das häufig die Vorteile des Prototyping in ein und demselben Verfahren vereint. Es können fast alle technischen Kunststoffe verwendet werden, sodass der Konstrukteur keine Materialeinschränkungen durch das Prototyping-Verfahren berücksichtigen muss.

In der Regel schlägt sich eine intelligente Prototyping-Strategie sowohl in der Geschwindigkeit, mit der die Kleinserien- Produktionsphase des Projekts voraussichtlich anläuft, als auch in der wahrscheinlichen Dauer, d. h. der Gesamtleistung, dieser Produktionsphase nieder.


Häufig kommt der Produktionsgeschwindigkeit während der Kleinserienproduktion eine größere Bedeutung zu. Und da Aluminiumformen die Wärme nicht so lange speichern wie Stahlformen, erreichen die Spritzgusswerkzeuge zum einen schneller die richtige Temperatur, zum anderen kühlen sie vor dem Auswerfen oder Herauslösen der Teile schneller ab, was normalerweise zu einer höheren Ausstoßleistung führt.


Da hochwertige Aluminiumwerkzeuge für die Kleinserien- oder Vorserienproduktion tausenden von Zyklen standhalten können – mit manchen können mehr als 200.000 Teile hergestellt werden – ist es durchaus vernünftig, wenn Hersteller solche Werkzeuge als gangbare Alternative zu teureren Stahlwerkzeugen betrachten. Auch wenn über kurz oder lang Stahlwerkzeuge erforderlich sein können, ist es wenig sinnvoll, einwandfreie Aluminiumwerkzeuge auszumustern, wenn sie auf unbestimmte Zeit gute Dienste leisten.

Prototyping-Überlegung beim Übergang zur Serienproduktion

Der Übergang zur Serienproduktion wirft neue Fragen auf, die bei einer intelligenten Prototyping-Strategie zu berücksichtigen sind. Eine wichtige Überlegung betrifft beispielsweise die Frage, wie schnell ein bestimmtes Teil oder Produkt in die Serienproduktion übergeht. Bei Teilen oder Produkten, die im Grunde einfach eine neue Iteration eines vorhandenen, bewährten Designs oder Produkts sind, könnte die Kleinserienphase der Produktentwicklung sehr kurz ausfallen, oder sie könnte genutzt werden, um die bedarfsorientierte Fertigung so anzupassen, dass eine kontinuierliche Produktentwicklung während des gesamten Produktlebenszyklus ermöglicht wird.  


In solchen Fällen ist es wichtig, die Tauglichkeit für die Serienproduktion mittels Prototyping schnell zu bestätigen, da der Validierungsprozess des Produkts oder Teils in der Kleinserienphase kürzer ausfällt als beim ersten Produktionslauf. Während bei Prototypen in der Frühphase normalerweise auf Rapid-Prototyping- Verfahren wie MJF, DMLS, SL oder SLS zurückgegriffen wird, ist es sinnvoll, Prototypen in einer späteren Phase mittels CNC-Bearbeitung oder Spritzgießen herzustellen, um dieselbe Technik zu verwenden wie während der vorgesehenen Serienproduktion.


Wie schon bei der Kleinserienproduktion, ist es sinnvoll, auf einen Prototyping-Anbieter mit starken maschinellen und menschlichen Fähigkeiten im Bereich Anwendungstechnik zurückzugreifen. Bei der Serienproduktion verschiebt sich der Fokus von der einfachen Herstellung eines Teils oder Produkts hin zur aktiven Suche nach einem optimierten Design, die sich über einen langen Produktionslauf auszahlen kann. Mit einer solchen Optimierung können Hersteller erhebliche Verbesserungen hinsichtlich Ertrag, Materialverwendung, Erfolgsquote und Oberflächenqualität erzielen. Auch wenn ein Design in der Kleinserienproduktion vielleicht absolut zufriedenstellend war, bietet seine Optimierung dennoch die Möglichkeit längerfristiger Verbesserungen.


So können beispielsweise Ansätze zur Verringerung des Gewichts – in vielen Anwendungen eine wertvolle Verbesserung – zusätzlich den Materialeinsatz und somit die Kosten reduzieren: Bei thermoplastischen Teilen und Produkten gilt als allgemeine Faustregel eine Wandstärke zwischen ca. 1 und 3,5 mm (für ABS), die einheitlich über das gesamte Teil angewendet wird. Mit anderen Worten, dünnere Wände reduzieren die Kosten nicht nur durch einen geringeren Materialeinsatz, sondern auch durch eine verbesserte Machbarkeit. 

 

 

Wandstärkeempfehlungen nach Kunststofftyp

Sehr dicke Querschnitte zum Beispiel erhöhen die Wahrscheinlichkeit sowohl von kosmetischen Fehlern, wie Einfallstellen, als auch von Ertragsausfällen durch Verformungen und Einfallstellen beim Abkühlen.
Die besondere Berücksichtigung der Werkzeugradien, besonders bei Aluminiumformen, ist ebenfalls eine hilfreiche Methode, um den Ertrag über einen langen Produktionslauf zu verbessern.


Außerdem bietet sich in der Serienproduktion manchmal die Gelegenheit, Mehrfach- und Familienwerkzeuge zu nutzen, um mehrere Teile in einem einzigen Spritzzyklus herzustellen. Bei Mehrfachformen ist mehr als ein Hohlraum in die Form gefräst, sodass mehrere identische
Teile mit einem einzelnen Schuss geformt werden können; bei Familienwerkzeugen ist mehr als ein Hohlraum in die Form gefräst, sodass mehrere unterschiedliche Teile mit einem Schuss geformt werden
können. Wenn dies eine praktikable Option zu sein scheint, empfehlen Ihnen die technischen Experten von Protolabs in der Regel, zuerst das Design anhand einer Einfachform zu validieren, bevor Sie sich für das
komplexere und mit zusätzlichen Kosten verbundene Mehrfach- oder Familienwerkzeug entscheiden.

Viele Einzelzeile ergeben ein großes Bild

 Der Druck bei der Markteinführung neuer Produkte innerhalb kürzester Zeit kann immens sein. Natürlich kann der Druck
bei der Herstellung von Prototypen genauso stark sein.
Es kann sich jedoch lohnen, kurz innezuhalten und erst einmal über das Endprodukt und seine Produktions- und
Testanforderungen nachzudenken – sowohl in Bezug auf den Gesamtzeitplan als auch auf die Gesamtkosten.
Normalerweise ergeben sich dadurch Vorteile hinsichtlich des Ertrags, der Produktionskosten und der Produktleistung.
Wenn Sie diesen Fokus etwas erweitern und Aspekte wie die Verpackung mitberücksichtigen, ist der Nutzen sogar noch
überzeugender.
Sicher, eine intelligente Prototyping-Strategie kann in den frühen Phasen des Entwicklungsprozesses mit ein wenig
Zeitaufwand verbunden sein. Sehen Sie dies jedoch als Investition und nicht als Kostenfaktor. Kurz gesagt, eine Investition,
die bei geringerem Zeit- und Kostenaufwand zu einem besseren, leistungsfähigeren Produkt führt.