Rapid Prototyping – Ein Potenzial für hochmoderne Fertigung

Unter diesem Begriff wird in der Wirtschaft die schnelle Erstellung von innovativen Prototypen (Modellen) verstanden. Üblicherweise handelt es sich hierbei um Grundmuster für die industrielle Fertigung von mechanischen Bauteilen oder komplexeren Baugruppen. Die Basis für deren Umsetzung bildet die computergestützte Verarbeitung von 3D-CAD-Daten. Speziell stellen leistungsfähige 3D-Druckverfahren die hierzu erforderliche Technologie zur Verfügung (additive Fertigung).

Wie entwickelte sich die Nachfrage für Rapid Prototyping in der Industriegeschichte?

Bis zur Mitte der 80er Jahre ging es im Rahmen der industriellen Fertigung vorrangig um die Rentabilität der Produktion.

So standen die deutliche Verringerung von Herstellungskosten und zugleich das Absichern der Produktleistung massgeblich im Fokus.

Aufgrund dieser ökonomischen Anforderungen war es nötig, vorweg geplante Erzeugnisse ohne die Verwendung kostenintensiver Hilfsmittel und innerhalb kurzer Zeitspannen auszutesten. Somit entstand erstmalig eine starke Nachfrage bezüglich aussagekräftiger Modelle beziehungsweise Prototypen.

In den 90er Jahren setzte sich die Akzentuierung der Produktqualität zunehmend im Wirtschaftsleben durch. Um die Qualitätssicherung für die herzustellenden Erzeugnisse zu gewährleisten, verwendeten die Produktdesigner*innen umso mehr aussagefähige Prototypen.

Mit der Jahrtausendwende wurde schliesslich die Konzeption «Time to Market» bedeutsamer. Alles drehte sich um einen zügigen Marktauftritt der Innovationen. Doch die Realisierung dieses Zeichen setzenden Massstabs für moderne Fertigungsprozesse verlangte zeitnahe Entwicklungsabläufe und Produktionsverfahren.

Gerade dieser wirtschaftliche Trend beschleunigte das Wachstum von modernen Technologien, welche die rasche Erstellung von modellhaften Prototypen ermöglicht.

Prototyp für ein Mobil-Telefon
Prototyp für ein Mobil-Telefon

Die fortan aufstrebende Rapid Prototyping Technologie

Im Jahr 1984 kamen die ersten Stereo-Lithografie Maschinen auf den Markt. Diese zukunftsweisende Technologie bot erstmals eine auf Lasertechnik fussende Anfertigung von Grundmodellen (Prototypen).

Sie wurde konkret durch das Überlagern ausgehärteter Schichten eines fluiden, UV-sensiblen Polymers realisiert.

Innerhalb der nachfolgenden Dekaden entstanden anschliessend weiterführende Rapid Prototyping Methoden wie beispielsweise die leistungsfähige Technik zum selektiven Laser-Sintern.

Das früheste Verfahren zum 3D-Rapid-Prototyping auf der Grundlage des Fused Deposition Modeling (FDM) wurde in den 90er Jahren etabliert.

Letztendlich zeigt sich das hochmoderne 3D-Druck System als die aktuellste Rapid Prototyping Technik. Sie gelangte seit Anbruch des neuen Jahrtausends auf den industriellen Markt.

Wo stehen wir heute?

Die Begriffe «Rapid Prototyping» und «3D-Druck» überschneiden sich teilweise, seitdem es die moderne Hightech Druck-Methode gibt. So wurde die moderne 3D-Druck Technik anfänglich mit dem obigen Fachwort assoziiert.

Auf diese Weise ist aktuell die vorgängige Aufgabe der superschnellen Prototyp-Fertigung effektiv gelöst. Wichtige Fachkräfte wie Produktdesigner*innen, Ingenieur*innen und Architekt*innen können heutzutage Kundenwünsche innerhalb kürzester Zeit plakativ und direkt «begreifbar» entwerfen.

Jetzt wächst der technische Fortschritt auf dem Praxisfeld der 3D-Druck Technologie weiterhin rapide. Somit gingen verwandte Anwendungsgebiete wie das Rapid Tooling und das Rapid Manufacturing daraus hervor. Inzwischen ist nahezu jedes Design mittels CAD-Programmen und 3D-Druck visuell und haptisch darstellbar.

Da die Prototypen in kleinen Mengen erforderlich sind, ist die 3D-Druck Technik als Baustein der Produktentwicklung gegenwärtig die rentabelste Fertigungsvariante.

3 D Druck mit Rapid Prototyping
3 D Druck mit Rapid Prototyping

Vor welchen Herausforderungen steht die 3D-Druck Erstellung von Prototypen?

Mit lediglich 30 «Lebensjahren» seit Beginn seiner Einführung steht der moderne 3D-Druck vor vielerlei Herausforderungen. Innerhalb des zurückliegenden Jahrzehnts hat jedoch gerade diese Spezialbranche einen riesigen Satz nach vorn gemacht.

Der technologische Fortschritt umfasst nicht zuletzt signifikante Verbesserungen der technischen Systeme hinsichtlich ihrer Flexibilität und Druckgeschwindigkeit. Darüber hinaus sind mittlerweile vielfältige Grundmaterialien inklusive mehrfacher Kombinationsmöglichkeiten verfügbar. Letztlich sind mit der Zeit mannigfaltige Automatisierungslösungen entwickelt worden.

Für das Wachstum des technischen Knowhows und dessen Umsetzung für die additive Fertigung von Prototypen verbleiben beachtliche Challenges:

  • weitere Verbesserungen der Effizienz und Druckgeschwindigkeiten
  • Optimierung der Werkstoffe und Beseitigen von Inkonsistenzen bei der Festigkeit des gedruckten Materialgefüges
  • Verringern manueller Nachbesserungen bei 3D-gedruckten Prototypen
  • Realisieren vorliegender Softwareanforderungen beim Strukturieren und Verarbeiten von Daten
  • Aufhebung noch vorhandener Mängel bei der Standardisierung interner sowie übergreifender Branchenlösungen
  • Meistern von Herausforderungen beim effektiven Workflow
  • Perfektionierung bei der Integration von zusätzlichen Systemkomponenten (AM-Ökosystem)

Das kostensparende Rapid Prototyping mit Vorteilen und Nachteilen

Das effiziente Prototyping ist das Herzstück innerhalb einer zeitgemässen, profitablen Produktentwicklung. Wegen der zahlreichen Wettbewerber*innen kann – im Extremfall – ein langes Andauern bis Einführung des Artikels zur Insolvenz des Herstellers beitragen. Last, but not least ist darum die schnelle Technik des 3D-Drucks mit mancherlei Vorteilen für die Wirtschaftsunternehmen verbunden.

Die Benefits einer raschen Erstellung von Prototypen auf Basis des 3D-Drucks liegen somit auf der Hand:

  • Das additive Fertigen ist zügiger ausführbar und anpassbarer als subtraktive Verfahren wie beispielsweise die CNC-Frästechnik.
  • Ein fixes Prototyping mittels 3D-Druck ist kosteneffizienter für hochkomplexe Bauelemente beziehungsweise komplette Baugruppen.
  • Es vergeht weitaus weniger Zeit zwischen der Erstellung unterschiedlicher Versionen eines bestimmten 3D-Druck Prototypen.
  • Die allermeisten Programmmodule zum Bearbeiten von 3D-Druck Dateien ermöglichen komfortable Synchronisations-Optionen.
  • Die anwenderfreundliche Systemsteuerung des 3D-Drucks ist besser ausgestaltet als eine vergleichbare Benutzeroberfläche für die CNC-Bearbeitung.
  • Additive Fertigungsprozesse wie das 3D-Drucken schöpfen jedes Gramm von Rohstoffen bestens aus.
  • Insgesamt vollzieht sich das 3D-Druckverfahren ökologisch nachhaltiger. Gerade dies ist optimal für die Erhaltung einer intakten Umwelt.

So effektiv und kostensparend das 3D-Druck Prototyping immer ist, einige Nachteile gibt es. Allein die Investitionen für die notwendige Infrastruktur (EDV, Grundmaterialien, Maschinen) sind finanziell aufwändig. Der am meisten ins Gewicht fallende Nachteil ist die bislang langwierige Anfertigung von Prototyping Testmodellen mit einem komplizierten Schichtaufbau. Auf diesem spezifischen Praxisfeld sind somit erhebliche Verbesserungen nötig.

Zu guter Letzt zwei Anwendungsbeispiele

Der 3D-Druck Modellbau gewährleistet innerhalb der Fahrzeugherstellung die rapide Entwicklung komplexer, individualisierter Bauteile – zunächst zu experimentellen Zwecken in den Industrielaboren.

Im Rahmen eines leistungsfähigen Gesundheitswesens werden hochmoderne Prototyping Fertigungen zielgerichtet zum Optimieren von Implantaten und Prothesen eingesetzt.

Die schnelle Prototyping Fertigung – Ein Fazit

Die zeitnahe Erstellung von experimentellen Prototypen (Modellen) auf Grundlage des 3D-Drucks ist ein essenzieller Baustein innerhalb der modernen, kosteneffizienten Produktentwicklung.

Das Thema Rapid Prototyping im Web

… und auf raeber-blog.ch

21.6.2022 / Autorenteam, Robert W. Müller

Verpackungen beinhalten wesentlich mehr, als uns bewusst ist

Den Menschen bewusst machen, dass die Ressourcen beschränkt sind. Das ist ein Ziel von Fairphone. Sensibilisieren und einen anderen Umgang ermöglichen. Dafür steht das fair produzierte Smartphone. Was wir als alltäglich ansehen, kann in der Entstehung sehr komplex sein. Inzwischen wurden über 100‘000 Geräte verkauft. Ähnlich ist es bei Verpackungen aller Art. Sie sind auch selbstverständlich – und machen einen Drittel des weltweiten Mülls aus.  Verpackungen hier im Fokus.

Verpackungen aller Art: z. B. Lebensmittelverpackungen
Alles muss Produktgerecht verpackt werden.

Da sammelt sich Verpackung an

Wir halten sie tagtäglich in der Hand und sind uns doch nicht bewusst, was alles dahinter steckt. Die Rede ist von Verpackungen. Nehmen wir kurz einige Beispiele aus unserem Alltag. Kaffeerahm-Becherchen. Klein, fein und nach Gebrauch ab in den Abfall. Vielleicht öffnen wir eine neue Packung Milch, ein Stück Käse oder essen eine Frucht als Ergänzung zum Morgenessen. Brot, Müesli, etc. Dann kommt noch die Post dazu. Briefe, Kartons, seltener die Postbox.

Je nach beruflicher Tätigkeit, je nach Hobby, haben wir mehr Schnittstellen mit Verpackungen.

Rahm in grosser Verpackung produziert zwar weniger Abfall, wird aber, je nach Gebrauchszweck, in der Handhabung kompliziert. Käse im Offenverkauf, das ginge. Doch auch der muss eingepackt werden. Produkte stellen uns vor Herausforderungen! Da gehören auch die Kosten dazu.

Verpackungen: Schutz, Image, Stabilität
Der Onlineversand trägt das Seine zur Anforderung und zum Verbrauch von Verpackungen bei.

Anforderungen an den Preis

Weil vor allem Transport-Verpackung dem Endkunden ja nur bis zum Erhalt der Ware etwas nützt, will der Kunde dafür nicht allzu viel bezahlen. Zurück zu den Herstellungskosten. Diese stellen eine grosse Anforderung an die Produktion dar.

Das beste Resultat zum geringsten Preis – so lautet der Auftrag. Gerne noch möglichst effizient und umweltfreundlich.

Das ist zwar ein bisschen viel auf einmal, doch wie so oft, bestimmt der Markt. Und der Markt sind eben wir selbst. Verpackung präsentiert kommuniziert, vermittelt. Zwischen uns und dem Produkt.

Verpackung und ihre Industrie

Mit meinem Blog will ich der Industrie keine Kampfansage machen. Jeder ist froh, wenn er sein Produkt ohne Transportschaden erhält. Oder wenn ein Produkt gut gestaltet ist. Keine Frage.

Von der Industrie erwarte ich eine gewisse Investition in Nachhaltigkeit. Das Bemühen, Ressourcen schonend einzusetzen. Das ist nur umzusetzen, wenn wir als Endkunden mitmachen.

Wenn wir bereit sind, etwas mehr zu bezahlen oder beim Recyclingprozess mitzuhelfen. Insbesondere bei Kartonverpackungen sind wir Schweizer voll dabei. Trotzdem:

Verpackung ist wie das Smartphone ein Symbol für unseren täglichen Verbrauch. Wir müssen weiter nach Lösungen suchen – in der Produktion und in der Anwendung.

Das Thema «Verpackung» im Web:

Autor und redaktionelle Leitung

Andreas Räber, GPI®-Coach, Wetzikon
Andreas Räber, GPI®-Coach, Wetzikon

Andreas Räber ist seit über 40 Jahren im Verkauf, Marketing und Coaching tätig. Er hat die Ausbildung zum Lebensmittelverkäufer bis hin zum Filialeiter bei einem grossen Detailhandelsunternehmen in der Schweiz sehr erfolgreich abgeschlossen. Weiter war er acht Jahre Verlagsleiter in einem CD-, Kassetten-, und Videoverlag und ist darum mit dem Thema Verpackung bestens vertraut.

© raeber-blog.ch – überarbeitet 14.2.2022/ar

Rapid Prototyping: Schöpfung eines Musters innert kurzer Zeit

Viele können sich vielleicht noch an den Religionsunterricht erinnern. Da war von der Erschaffung der Erde in 7 Tagen die Rede. Für einige Menschen ist diese Aussage sakrosankt. Für andere hat beides Platz: Evolution, wie Schöpfung. Um letzteres geht es beim Thema Rapid Prototyping, dem ich mich in diesem kurzen Blog widmen möchte.

Gegenstände, die nicht aus Zufall entstehen, sondern denen eine gewissenhafte Planung vorausgeht, mit einer genauen Produktion. Rapid Prototyping ist mir das erste Mal aufgefallen, als ich im zürcherischen Pfäffikon bei einer Firma im Industriequartier arbeitete. Im gleichen Gebäude war die Firma von Allmen ansässig. Diese ist spezialisiert auf Rapid Prototyping, Stereolithografie, Werkzeugbau, Spritzgussteile und vieles andere.

Rapid Prototyping: Schöpfung eines Musters innert kurzer Zeit
Wie wird Rapid Prototyping eingesetzt und was steckt dahinter?

Immer schneller, immer besser

Immer mehr, immer schneller. Ungefähr so könnte man die Entwicklung der Industrie in einem kurzen Satz beschreiben. Die zunehmende Industrialisierung erforderte Produktionsmöglichkeiten, bei denen Prototypen in kürzerer Zeit hergestellt werden konnten. Und das in kleinen, wie in grossen Mengen. Von Allmen schreibt dazu: «Wenn 3D CAD-Daten existieren, können wir innert Tagesfrist ein SLA oder SLS produzieren.» Immer schneller. Der Vorlauf, bis ein Produkt marktreif ist und ein Prototyp hergestellt werden kann, den braucht es immer noch. Je besser diese Vorüberlegungen gemacht werden, desto höher ist die Chance auf einen guten Markteintritt.

Prototypen sind Musterbauteile

Wer schon einmal einen Hausbau erlebt hat, kennt den Überraschungseffekt. Wenn aus einem Plan ein fertiges Haus entsteht. Wenn aus Gedanken und Vorstellungen die harte Realität sichtbar wird. Oder wenn zum Beispiel aus einem geplanten und gezeichneten Handy eine echte (be)greifbare Form entsteht. Der entscheidende Vorteil: So kann man testen, wie die Form in der Hand liegt und wie das Outfit in Wirklichkeit aussieht. Harte Facts, die für den Verkauf und für das Marketing sehr wichtig sind. Überraschungen wie beim Hausbau sollen vermieden werden. Es geht letztendlich um einen überzeugenden Markteintritt. Vielleicht braucht es noch Korrekturen, bevor der Auftrag in die definitive Produktion geht.

Mein Fazit:

Wir halten viele Dinge in der Hand, bei denen wir uns keinen Gedanken über die Herstellung machen. Sie sind einfach da. Oft stecken viel Aufwand und geniale Produktionsmöglichkeiten dahinter. Rapid Prototyping ist eine davon.

Weiterführende Links (und Blogs von mir) zum gleichen Thema:

Werkzeugbau und was dahinter steckt

Es gibt Begriffe, die fallen einem irgendwie auf. Man hört sie und überlegt sich dann, was dahinter stecken könnte. Ein solches Beispiel ist der Werkzeugbau.

Eigentlich ein einfacher Begriff. In erster Linie denkt man hier an die Produktion von Werkzeugen wie Hammer, Schraubenzieher etc. Die Richtung stimmt zwar, aber es steckt weit mehr dahinter.

Werkzeugbau - Anwendung in der Automobilbranche
Werkzeugbau – Anwendung in der Automobilbranche

Werkzeuge für kostengünstige und schnelle Herstellung von Massenprodukten

Der Werkzeugbau produziert in der Regel komplexe Werkzeuge, für die Anwendung bei Produktionsverfahren für Gegenstände für Technik, den Haushalt u. a. Er garantiert hohe Standzeiten der Werkzeuge, da sie durch gezielten Einsatz des speziell ausgewählten Materials und mit bewährter Härte- und Oberflächenbehandlung hergestellt werden.

Für die Produktion beim Werkzeugbau haben diverse Faktoren einen Einfluss. Ein Beispiel: Um die Wirtschaftlichkeit eines Werkzeuges zu optimieren, ist die geplante Produktionsmenge bedeutend. Diese Werkzeuge dienen der kostengünstigen und schnellen Herstellung von Massenprodukten.

Werkzeugbau und die Branchen

Es geht um die Massenproduktion von Teilen und es geht um Präzision. Hergestellt wird es mit CAD, computer-aided Design (rechnerunterstütztes Konstruieren) und eingesetzt wird es in der Automobilbranche, Medizintechnik, Luft- und Raumfahrt-Industrie und zahlreichen anderen Branchen.

Bevor ein Werkzeug produziert wird, entsteht ein Prototyp. Dieser wird im sogenannten Rapid Prototyping Verfahren hergestellt. Ist alles korrekt, entsteht ein Musterwerkzeug. Bis das definitive Werkzeug entsteht, vergeht eine ganze Weile. Präzision muss getestet werden. Das Endprodukt muss zuverlässig sein.

Werkzeugbau ist ein einfaches Wort, hinter dem mehr steckt als einem bewusst ist.

Das Thema Werkzeugbau im Web