So ist die Produktentwicklung tatsächlich verlaufen

Das Rapid Prototyping hat die Fertigung im Grunde genommen auf die bestmögliche Weise zerstört. Nicht kaputt im Sinne von "funktioniert nicht mehr", sondern kaputt im Sinne von "alles, was wir bisher gemacht haben, ist plötzlich irrational".

Stellen Sie sich Folgendes vor: 1995, ein Ingenieur braucht einen Prototyp einer Halterung. Zuerst zeichnet er ihn von Hand (mit AutoCAD, wenn er Glück hat). Dann geht er zur Maschinenwerkstatt und erklärt Bob, was er braucht. Bob kratzt sich am Kopf, veranschlagt drei Wochen und $500. Drei Wochen später ist es falsch, weil Bob die Zeichnung anders interpretiert hat. Spülen und wiederholen.

Und jetzt? Die gleiche Halterung braucht vier Stunden zum Drucken und kostet vielleicht zwanzig Dollar in Plastik. Testen Sie sie, hassen Sie sie, entwerfen Sie sie neu, drucken Sie sie erneut. Wenn nötig, kann man das fünfmal an einem Tag machen.

Das NIST hat dazu einige Zahlen veröffentlicht¹ - die Entwicklungszyklen sinken branchenübergreifend um 60-80%. Aber die Zahlen erfassen nicht den psychologischen Wandel. Als Prototypen noch teuer und langsam waren, entwickelten Ingenieure ängstlich. Wenn sie billig und schnell sind, entwickeln die Ingenieure mutig.

Dabei geht es nicht nur um Geschwindigkeit, obwohl das natürlich sehr wichtig ist. Es geht darum, dass die Iteration im Grunde kostenlos ist. Ideen, die sonst nie getestet werden, weil man sich fragt, was passiert, wenn es nicht funktioniert, werden jetzt getestet, weil man sehen will, was passiert.

Die Maschinen, die dies möglich machten

Rapid Prototyping umfasst mehr als nur 3D-DruckDie additive Fertigung findet jedoch die meiste Aufmerksamkeit, weil sie die dramatischste Veränderung gegenüber den traditionellen Methoden darstellt.

FDM-Drucker: Die Arbeitspferde, die jeder kennt

FDM (Fused Deposition Modeling) ist das, woran die meisten Menschen beim 3D-Druck denken. Wikipedia beschreibt die Grundlagen², erwähnt aber nicht die Lernkurve. Diese Maschinen sind sehr nachsichtig und gleichzeitig sehr frustrierend.

Das hört sich alles ganz einfach an, bis die erste Schicht nicht mehr richtig haftet, eine Brücke in der Mitte des Drucks abbricht oder das Filament mitten in der Nacht verstopft, wenn man am nächsten Morgen einen Termin hat.

Die Schichthöhen betragen in der Regel 0,1 mm bis 0,3 mm. Maßhaltigkeit? Vielleicht ±0,1 mm, wenn alles richtig ausgerichtet ist. Die Druckausrichtung spielt eine viel größere Rolle als erwartet - identische Designs gelingen oder scheitern allein aufgrund der Positionierung der Bauplatte.

FDM eignet sich hervorragend für funktionale Prototypen, die nicht unbedingt schön aussehen müssen. Großartig für Halterungen, Gehäuse, Testvorrichtungen. Schrecklich für glatte Oberflächen oder feine Details. Die Schichtlinien sind immer sichtbar und verleihen allem ein deutlich "3D-gedrucktes" Aussehen.

SLA: Wenn FDM nicht gut genug ist

Bei der Stereolithografie wird flüssiges Harz verwendet, das durch UV-Licht ausgehärtet wird. Wesentlich bessere Oberflächengüte und Detailauflösung - 0,025 mm Schichthöhe sind möglich. Details, die mit FDM unmöglich erscheinen, werden zur Routine.

Aber das hat seinen Preis. Flüssiges Harz riecht fürchterlich und reizt die Haut. Zur Nachbearbeitung gehören das Waschen in Alkohol, das Aushärten mit UV-Licht und die sorgfältige Entsorgung von Giftmüll. Die Drucker kosten mehr, die Materialien sind teurer, und alles dauert länger, wenn man die Nachbearbeitung mit einbezieht.

Die UT Austin hat an fortschrittlichen SLA-Systemen geforscht, die eine noch höhere Auflösung ermöglichen, aber für die meisten Anwendungen in der Prototypenherstellung bietet das Standard-SLA-System mehr Details als erforderlich, und das zu höheren Kosten als gerechtfertigt.

SLS: Die industrielle Option

Beim selektiven Lasersintern wird Kunststoffpulver mit Lasern geschmolzen. Keine Stützstrukturen erforderlich, komplexe Innengeometrien möglich, mechanische Eigenschaften ähnlich wie bei Spritzgussteilen.

Die Oberfläche sieht aus wie feines Schleifpapier, was für Funktionstests sehr nützlich ist. Die Teile kommen ohne umfangreiche Nachbearbeitung aus der Maschine und sind sofort einsatzbereit.

Der Nachteil? Die Systeme kosten einen sechsstelligen Betrag, die Handhabung des Pulvers erfordert eine spezielle Belüftung, und die Materialkosten lassen FDM billig erscheinen. Das können die meisten Unternehmen nicht rechtfertigen, wenn sie gelegentlich schneller Prototypenbau Bedürfnisse.

Rapid-Prototyping-Bearbeitung: Alte Schule trifft auf neue Geschwindigkeit

Das Rapid Prototyping kombiniert die traditionelle CNC-Bearbeitung mit moderner Programmierung, um bearbeitete Prototypen in Tagen statt in Wochen zu liefern. Die Programmierzeit dominiert das Einrichten, aber wenn Maßgenauigkeit wichtiger ist als Geschwindigkeit, bleibt die maschinelle Bearbeitung oft die einzige Option.

Die ASTM-Normen gelten für die additive Fertigung, aber für die Bearbeitung gelten andere Regeln. Industrielle Beschichtungen auf Ra 0,4um bis Ra 3,2um je nach Zeit und Kosten. Maßgenauigkeit bis zu +/- 0,01 mm durch richtige Einstellung.

Hybride Ansätze funktionieren gut - Drucken nahe an der endgültigen Form, Bearbeitung kritischer Oberflächen. Spart Material im Vergleich zur Bearbeitung von Vollmaterial und liefert Präzision, wo sie benötigt wird.

Wo dieses Zeug tatsächlich angewendet wird

Automobil: Geschwindigkeit trifft auf Sicherheitsvorschriften

Die Automobilhersteller lieben das Rapid Prototyping, weil die Entwicklungszyklen kurz sind und ständig Änderungen vorgenommen werden. Das Problem ist, dass selbst Prototyp-Fahrzeuge Sicherheitsanforderungen erfüllen müssen.

Die National Highway Traffic Safety Administration hat Vorschriften für die Prüfung von Prototypen erlassen, die die Materialauswahl erschweren. Man kann nicht einfach etwas aus einem beliebigen Kunststoff drucken, der gerade zur Hand ist - Temperaturbeständigkeit, Schlagfestigkeit und Entflammbarkeit sind für die Einhaltung der Vorschriften wichtig.

Bei der Entwicklung der Elektrofahrzeuge von Ford wurde das Rapid Prototyping intensiv für die Gehäuse der Batteriepacks genutzt. Der herkömmliche Werkzeugbau erforderte 12-16 Wochen Vorlaufzeit, der 3D-Druck verkürzte diese Zeit auf 2-3 Wochen. Noch wichtiger ist, dass wir mehrere Kühlkanaldesigns testen und das beste auswählen konnten.

Materialbeschränkungen sind für Automobilingenieure frustrierend. ABS eignet sich für die meisten Anwendungen, PETG für sichtbare Teile, aber alles, was eine Glasfaserverstärkung oder spezielle Additive erfordert, bedeutet in der Regel teure Spezialmaterialien.

Luft- und Raumfahrt: Alles kostet zu viel und dauert ewig

Das Rapid Prototyping in der Luft- und Raumfahrt unterliegt ganz anderen Zwängen, da die Folgen von Fehlern in der Regel katastrophal sind. Die FAA-Anforderungen für Flugzeugkomponenten sind umfangreich - Dokumentation für alles, Rückverfolgbarkeit von Materialien, Prüfprotokolle, die die Anforderungen der Automobilindustrie locker aussehen lassen.

Bei der Entwicklung der 787 setzte Boeing auf die Herstellung von Prototypen für Innenraumkomponenten, was im Vergleich zu herkömmlichen Werkzeugen eine erhebliche Zeitersparnis bedeutet. Das Kabinenlayout ändert sich ständig, da die Fluggesellschaften ihre Anforderungen ändern. Daher war es unglaublich wertvoll, verschiedene Konfigurationen schnell nachbilden zu können.

Die Materialanforderungen bringen die Möglichkeiten des Rapid Prototyping oft an ihre Grenzen. PEEK, Titanlegierungen, Kohlefaserverbundwerkstoffe - Materialien, die die meisten 3D-Drucksysteme nicht verarbeiten können. Am Ende braucht man eine industrielle Ausrüstung, die mehr kostet als das Haus der meisten Leute.

Medizinische Geräte: Vorschriften machen alles kompliziert

Das Rapid Prototyping in der Medizintechnik ist mit FDA-Anforderungen konfrontiert, die den Fortschritt zu bremsen scheinen. Selbst bei Prototypentests muss die Biokompatibilität aller Materialien, die mit Patienten in Berührung kommen, dokumentiert werden.

Die Norm ISO 10993 legt die Regeln für die Prüfung der Sicherheit eines Medizinprodukts fest, selbst wenn es sich nur um ein vorübergehendes Modell handelt. Das bedeutet, dass selbst für die kurzfristige Verwendung eine Menge Tests erforderlich sind. Die erforderlichen Unterlagen und Aufzeichnungen sind oft umfangreicher als die, die früher für normale Medizinprodukte erforderlich waren.

Patientenspezifische Geräte spielen in der Medizin eine große Rolle. Dazu gehören Hilfsmittel wie Modelle für die Planung von Operationen, maßgeschneiderte Prothesen und Führungen für das Einsetzen von Implantaten. Dinge, die früher mit alten Methoden sehr schwer herzustellen waren, sind jetzt mit dem 3D-Druck ganz einfach.

Die Biokompatibilität der Materialien bleibt der begrenzende Faktor. Die meisten Rapid-Prototyping-Materialien sind nicht für medizinische Zwecke geeignet, so dass teure Spezialharze oder Metalle verwendet werden müssen, die die technologischen Möglichkeiten einschränken.

Die technische Realität hinter dem Hype

Genauigkeitserwartungen vs. Realität

Die Genauigkeit des Rapid Prototyping kann stark variieren und hängt von der verwendeten Technologie, der Größe des Teils und dem Aufwand für die Einrichtung ab. Bei FDM liegt sie in der Regel bei +/- 0,1-0,2 mm, bei SLA kann sie bei kleinen Bauteilen +/- 0,05 mm betragen, und bei der maschinellen Bearbeitung kann sie bei guten Vorrichtungen bei +/- 0,01-0,02 mm liegen.

Die Oberflächengüte ist der Punkt, an dem die meisten Prototypen enttäuschen. Bei FDM sind immer Schichtlinien zu sehen - Ra 6,3μm ist etwa so glatt wie möglich. SLA kann mit hohen Auflösungseinstellungen Ra 0,8μm erreichen, aber die Druckzeiten verlängern sich dramatisch.

NIST unterhält Messstandards für die additive Fertigung⁹, aber die meisten Betriebe arbeiten mit einer informellen Qualitätskontrolle. Bei kritischen Abmessungen sollte eine CMM-Prüfung durchgeführt werden, aber das bedeutet zusätzlichen Zeit- und Kostenaufwand, der bei vielen Anwendungen den Zweck verfehlt.

Nachbearbeitungen sind in der Regel erforderlich, um ein annähernd produktionsgerechtes Aussehen zu erreichen. Schleifen, chemisches Glätten, maschinelle Bearbeitung - alles arbeitsintensive Vorgänge, die Zeit in Anspruch nehmen, um vermeintlich schnell schneller Prototypenbau Prozesse.

Materialien: Die ewige Begrenzung

Antriebe für die Materialauswahl schneller Prototypenbau Erfolg mehr als die Wahl der Geometrie oder der Technologie. Prototypmaterialien sollten die Produktionseigenschaften für aussagekräftige Tests hinreichend genau abbilden und gleichzeitig mit den verfügbaren Geräten kompatibel sein.

Allgemeine Materialien und ihre Eigenschaften:

• PLA: Leicht zu bedrucken, riecht nach Süßigkeiten, unbrauchbar über 60°C
• ABS: Industrielles Arbeitspferd, gute Schlagfestigkeit, verzieht sich bei Unachtsamkeit
• PETG: Chemikalienbeständig, optisch klar, allgemein gut verträglich
• Nylon: Hervorragende mechanische Eigenschaften, ein Alptraum für den konstanten Druck
• Kohlefaser: Hohes Stärke-Gewicht-Verhältnis, teuer, frisst Düsen

Energieministerium verfolgt Entwicklung fortschrittlicher Materialien¹⁰, aber neue Optionen bleiben immer hinter dem zurück, was Designer tatsächlich brauchen. In der Regel werden dann Kompromisse bei den Anforderungen an den Prototyp eingegangen, um den verfügbaren Materialien zu entsprechen, anstatt Materialien zu finden, die den Anforderungen entsprechen.

Wirtschaft: Die Zahlen, über die niemand redet

Was es tatsächlich kostet

Die Kosten für das Rapid Prototyping liegen in einem enormen Bereich. Desktop-FDM kann $2-20 pro Prototyp kosten, industrielles SLS kann $200-2000 pro Teil erreichen, Rapid-Prototyping-Bearbeitung schwankt je nach Komplexität zwischen $100-5000.

Der Zeitvergleich ist dramatischer als der Kostenvergleich. Die Herstellung von Spritzgusswerkzeugen dauert 6-12 Wochen, 3D-Druck eine identische Geometrie dauert 4-24 Stunden. Bei bearbeiteten Prototypen verkürzt sich die Vorlaufzeit von 4-6 Wochen auf 1-3 Tage.

Die MIT-Forschung zur Fertigungsökonomie¹¹ zeigt, dass Rapid Prototyping bei den meisten Geometrien bis zu etwa 1000 Teilen kosteneffizient ist, aber der Break-even-Punkt hängt stark von der Komplexität ab. Einfache Formen begünstigen die traditionelle Fertigung bei geringeren Stückzahlen, komplexe innere Merkmale begünstigen den 3D-Druck auch bei höheren Stückzahlen.

Zu den versteckten Kosten gehören fehlgeschlagene Drucke, Iterationszyklen des Entwurfs, Nachbearbeitungsaufwand und Verschwendung von Hilfsmaterial. Die meisten Kostenschätzungen lassen diese Faktoren außer Acht und sind am Ende zu optimistisch.

ROI: Wann es Sinn macht

Die Investition in Rapid Prototyping kann in der Regel innerhalb von 18 Monaten eine 3- bis 5-fache Kapitalrendite (ROI) erzielen, allerdings nur, wenn das Unternehmen die Konstruktionsprozesse so ändert, dass die Möglichkeiten genutzt werden. Wenn man das traditionelle Prototyping einfach durch den 3D-Druck ersetzt, lassen sich nicht alle Vorteile nutzen, es sei denn, der Arbeitsablauf wird geändert.

Große Einsparungen ergeben sich, wenn Designprobleme frühzeitig erkannt werden. Die Behebung von Interferenzproblemen während des Rapid Prototyping kann $50 kosten. Werden dieselben Probleme erst nach der Herstellung der Produktionswerkzeuge entdeckt, kostet die Behebung $50.000. Aufgrund dieser Wirtschaftlichkeit sind Investitionen in Rapid Prototyping leicht zu rechtfertigen.

Was als Nächstes kommt (und was wahrscheinlich nicht kommt)

Multi-Material-Systeme: Kompliziert werden

Die nächste Generation von Rapid-Prototyping-Systemen befasst sich mit dem Aufbau von Multimaterialien - unterschiedliche Eigenschaften in verschiedenen Bereichen, eingebettete Elektronik, unterschiedliche Steifigkeit. Carnegie Mellon hat interessante Forschungsarbeiten¹² zur Einbettung von Sensoren während des Drucks durchgeführt, um Prototypen mit eingebauten Instrumenten zu erstellen.

Hybride Fertigungssysteme, die additive und subtraktive Verfahren kombinieren, werden für Produktionsumgebungen immer praktischer. Drucken Sie die Grundform, bearbeiten Sie kritische Merkmale und fügen Sie eventuell sekundäre Operationen hinzu - alles ohne Teilehandhabung zwischen den Aufspannungen.

Industrie 4.0: Buzzwords mit etwas Substanz

Intelligente Prototypenfertigung mit Echtzeitüberwachung und adaptiver Steuerung hält Einzug in industrielle Systeme. Schichtweise Qualitätsüberwachung, automatische Parameteranpassung, vorausschauende Wartung - alles Dinge, die den Ausschuss reduzieren und die Konsistenz verbessern.

Cloud-basierte Rapid-Prototyping-Dienste verändern die Wirtschaftlichkeit für kleinere Unternehmen. Laden Sie Designdateien hoch, und Algorithmen wählen auf der Grundlage von Fähigkeiten und Lieferanforderungen die optimalen Produktionsmethoden und Standorte aus. Demokratisiert den Zugang zu teuren industriellen Rapid-Prototyping-Technologien.

Entscheidungen treffen, die tatsächlich funktionieren

Bei der Auswahl der Rapid-Prototyping-Technologie kommt es darauf an, Kompromisse zu finden. Benötigen Sie eine schnelle Durchlaufzeit und legen Sie keinen Wert auf die Oberflächenbeschaffenheit? FDM. Komplexe Innengeometrie ohne Stützentfernung? SLS. Präzisionstoleranzen? Spanende Bearbeitung. Glatte Oberflächen? SLA mit Post-Processing.

Die Anforderungen an das Material bestimmen die Wahl der Technologie oft mehr als die Geometrie. Temperaturbeständigkeit, chemische Verträglichkeit, mechanische Eigenschaften - diese Faktoren bestimmen, welche Rapid-Prototyping-Methoden für bestimmte Anwendungen geeignet sind.

Die Qualitätskontrolle sollte den Prüfanforderungen entsprechen. Prototypen für die visuelle Bewertung müssen nicht auf ihre Abmessungen überprüft werden. Bei Prototypen für Funktionstests müssen alle kritischen Abmessungen überprüft werden. Die ASTM-Normen bieten Anhaltspunkte¹³, aber die meisten Geschäfte arbeiten informell.

Die Integration in bestehende Konstruktionsabläufe ist wichtiger als die Wahl der Technologie. CAD-Systeme, die eine Analyse der Druckbarkeit, die automatische Erstellung von Halterungen und die Optimierung der Geometrie im Hinblick auf die additive Fertigung umfassen - diese Werkzeuge verkürzen die Zeit von der Idee bis zur realen Visualisierung.

Die Herstellung von Prototypen ist dann am besten geeignet, wenn sie in die verschiedenen Entwurfsprozesse integriert wird und nicht als Ersatz für diese dient. Die Unternehmen, die die Grenzen der Technologie kennen und unter Berücksichtigung dieser Grenzen entwerfen, profitieren am meisten davon. Menschen, die erwarten, dass der 3D-Druck sie in allen Belangen retten kann, werden eher enttäuscht sein.

Der Punkt ist, dass Rapid Prototyping die Produktentwicklungsindustrie völlig verändert hat, weil Iterationen sowohl kostengünstig als auch schnell sind. Trotzdem ist es immer noch ein Werkzeug. Um erfolgreich zu sein, ist es wichtig, es richtig einzusetzen, aber keine Wunder zu vollbringen.