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Ein Getriebe aus dem 3D-Drucker ist schneller und günstiger erstellt, als ein Prototyp aus Metall. Bild: Michael Horky
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Erhöhter Druck beim Prototyping

Text: Wolfgang Heinz-Fischer, TQ-Group
Immer früher am Markt sein, ist das heutige Ziel bei Produktentwicklungen. Bei der Elektronik helfen modularisierte Entwicklungskits, doch wie kann die Mechanik mit dem höheren Tempo mithalten?

Zeit ist Geld, weiß der Volksmund, und das gilt im Besonderen auch für die Zeit, die für Produktentwicklungen aufgewendet wird. Die Elektronik-Entwicklung greift deshalb immer häufiger auf fertige Rechnermodule zurück, um den Prozess beim Board-Design zu beschleunigen. So werden auf Evaluationsboards schon Funktionsmuster aufgebaut, die zum Beispiel Software-Tests ermöglichen.

Doch wie sieht es mit der Mechanik aus? Oft wird hier bis zum Schluss gewartet, um dann festzustellen, dass Elektronik und Mechanik nicht optimal zusammen passen. Einen Ausweg bietet hier das Rapid Prototyping mit mechanischen Teilen aus dem Drucker. Auch wenn ein 3D-Druck für reale Industrieprodukte wahrscheinlich eher ein Traum bleiben wird, verändert es doch den Design-Weg für industrielle Produkte.

Die Zeiten, bei denen für Industrieprodukte ausschließlich die Funktionen zählten, sind wohl vorbei. Neben ergonomischen Gesichtspunkten, die für viele Geräte eine immer größere Rolle spielen, ist auch die Optik für den Verkaufserfolg ein wichtiges Argument. Gleichzeitig wird die Technik immer komplexer und soll in immer kompaktere Formen eingebaut werden, um Kosten zu sparen und energieeffizienter zu sein. Es kommt also verstärkt auf ein gelungenes Zusammenspiel von Elektronik und Mechanik an. Damit spielen Rapid Prototyping und 3D-Modelle eine immer größere Rolle im gesamten Design-Prozess. Als Lösungsanbieter muss man diesem Trend im Bereich Mechanik und Mechanik-Design Rechnung tragen. TQ nutzt einen 3D-Drucker für schnelles Rapid Prototyping bis zu einer Volumengröße von 200 x 200 x 250 mm.

Gedruckte Modelle

Rapid Prototyping hat das Ziel, die CAD-Daten aus dem Entwurf möglichst schnell in ein dreidimensionales Modell umzusetzen. Dabei sind nicht die finalen Produktparameter, beispielsweise in Bezug auf Stabilität, entscheidend, sondern einzig die Form und Funktion. So bauen die Entwicklungsabteilungen der Automobilhersteller 3D-Modelle, an denen ­unter anderem das Strömungsverhalten neuer Karosserien getestet wird.

Design und Konstruktion kommen aus unterschiedlichen Abteilungen, doch wie sieht es im Zusammenspiel aus? Nicht jedes Design lässt sich auch konstruktiv umsetzen, um die Anforderungen zum Beispiel an Preis und Stabilität zu erfüllen. Rapid Prototyping bietet eine sehr frühe und kostengünstige Lösung, das Konzept zu überprüfen und notfalls zu korrigieren. Produktdesigner können ihre Entwürfe anhand von physischen Modellen wesentlich anschaulicher präsentieren und den Kunden vom Design überzeugen. Schließlich gilt auch heute: Seeing is Believing. Aber auch in der Entwicklung bringt das Rapid Prototyping viele Vorteile. Neben dem Design ist schließlich auch die Funktionalität entscheidend: Der Entwicklungsingenieur kann sofort seinen Entwurf auf Form und Funktionalität überprüfen, Fehler erkennen und sehr schnell Korrekturen vornehmen.

Anhand der Produktmodelle kann der Entwickler auch Konstruktionsmängel leicht erkennen und frühzeitig Änderungen während der einzelnen Entwurfs- und Entwicklungsphasen vornehmen. Untersuchungen zeigen, dass Fehler, je später sie im Designprozess auftreten, entsprechend teurer sind. Kostet ein Fehler im Konzept zum Beispiel 100 Euro, werden daraus in der Entwicklung bereits 1000 Euro. Tritt der Fehler erst in der Serie auf, können sie durchaus mit 500 000 Euro und mehr zu Buche schlagen.

Aufbau versus Abbau

Aber 3D-Modelle aus Rapid Prototyping sind auch großartige Marketing- und Verkaufswerkzeuge. Der Kunde kann sich anhand des Modells viel besser vorstellen, wie das endgültige Produkt aussieht. Ein 3D-Modell ist eben sehr anschaulich. Auch direkte Funktionsdemos sind möglich. Das physische Modell wirkt viel überzeugender als eine Zeichnung oder eine Powerpoint-Präsentation. Prinzipiell gibt es zwei sehr unterschiedliche Verfahren für Rapid Prototyping – subtraktiv und additiv. Je nach Größe und Anforderung an das 3D-Modell ist das eine oder das andere von Vorteil. Schon seit Jahrhunderten bekannt ist das subtraktive Verfahren, das für fast jede Größe des Zielobjekts möglich ist. Dabei wird das gewünschte Modell aus einem vollen Materialblock durch Fräsen, Drehen oder Schneiden erstellt; in heutiger Zeit sind es CNC-Maschinen, die Holz, Metall oder Kunststoff bearbeiten.

Das additive Verfahren geht den umgekehrten Weg und baut das 3D-Modell aus den Grundwerkstoffen Schicht für Schicht auf. Dies ist das übliche Verfahren bei den heute angebotenen 3D-Druckern, die mit festen, pulverförmigen oder flüssigen Ausgangsmaterialien arbeiten. 3D-Drucker werden immer günstiger und ermöglichen so, auch zu erschwinglichen Preisen heute Rapid Prototyping durchzuführen.

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