Fortschritte bei der Herstellung von Kunststoffprototypen in Produktionsqualität

Ingenieure, Konstrukteure, Modellbauer und Werkzeugbauer fragen sich oft, welche Prototyping-Option für ihre Kunststoffteile am besten geeignet ist. Bei den vielen Fortschritten, die das Prototyping im Laufe der Jahre gemacht hat, kann es schwierig sein, zu bestimmen, welche Art von Prototyp die beste Option für die Validierung eines Kunststoffteils ist.

Es ist wichtig, die Vor- und Nachteile der einzelnen Methoden zu kennen, wenn Sie ein bestehendes Teil optimieren oder ein neues Design von Grund auf neu entwerfen wollen. Indem Sie die Vor- und Nachteile der verschiedenen Methoden zur Herstellung von Prototypen von Kunststoffteilen abwägen und mit einem erfahrenen Partner für Prototypen zusammenarbeiten, kommen Sie der richtigen Entscheidung einen Schritt näher.

3-D-gedruckte Kunststoff-Prototypen

Die additive Fertigung oder der 3-D-Druck umfasst mehrere Fertigungstechnologien. Er ist eine der innovativen Techniken, die der cyber-physikalischen Transformation der Fertigung folgen. 3D-Druck ist zwar ein Sammelbegriff, aber die drei gängigsten Verfahren für die Herstellung von 3D-Prototypen von Kunststoffteilen sind:

Fused Deposit Modeling (FDM)

Der FDM-3D-Druck ist die beliebteste Form des Kunststoffprototyping. Dabei wird Kunststoffmaterial im Extrusionsverfahren Schicht für Schicht aufgetragen, bis das Objekt entsteht. Mit industrietauglichen FDM-3D-Druckern lassen sich Kunststoffprototypen mit hoher Auflösung und hoher Festigkeit herstellen. Mit industrietauglichen FDM-Druckern können Prototypen mit höherer Festigkeit und Auflösung hergestellt werden, abhängig von den verwendeten Materialien. Es ist außerdem ein vielseitiges Verfahren, das mit verschiedenen Materialien wie PLA, ABS, Nylon, PETG, Polycarbonat und anderen funktioniert.

Stereolithographie (SLA)

Beim SLA-3-D-Druck werden Kunstharzmaterialien zur Herstellung von Prototyp-Kunststoffteilen verwendet, indem ein Hochleistungslaser eingesetzt wird, der dazu beiträgt, das Modell in einem Behälter mit Harz zu verfestigen. Eine SLA-3D-Druckmaschine verwendet eine Lichtquelle (einen Laser oder Projektor), um flüssiges Harz zu gehärtetem Kunststoff auszuhärten. Der wesentliche physikalische Unterschied zwischen SLA-3D-Druckern liegt in der Konfiguration der zentralen Komponenten wie Lichtquelle, Bauplattform und Harzbehälter. Wenn SLA-Harze bestimmten Wellenlängen des Lichts ausgesetzt werden, verbinden sich kurze Molekülketten und polymerisieren Monomere und Oligomere zu verfestigten starren oder flexiblen Geometrien. Dieses Verfahren wird häufig für das Prototyping eingesetzt, insbesondere in der Medizin-, Dental- und Konsumgüterindustrie.

Selektives Laser-Sintern (SLS)

Wie bei der SLA-Technologie wird auch bei der SLS-Technologie ein Hochleistungslaser eingesetzt. Der Unterschied besteht jedoch darin, dass bei diesem Verfahren pulverförmige Materialien zu einem 3-D-Modell zusammengesintert werden. Der Vorteil dieses Verfahrens gegenüber anderen ist die Druckqualität. Die mit diesem Verfahren hergestellten Prototyp-Kunststoffteile sind funktioneller, haben eine höhere Auflösung und sind haltbarer und flexibler. Das am häufigsten mit der SLS-Technologie verwendete Material ist Nylon (PA 11 oder PA 12).

Was sind die Vor- und Nachteile herkömmlicher Methoden für 3-D-gedruckte Kunststoffprototypen?

Vorteile:

• Schnelle Produktion
• Ermöglicht das direkte Hochladen von CAD-Dateien in 3D-Drucker-Software
• Iterationen in einem komprimierten Zeitrahmen angepasst
• Kosteneffizient

Nachteile:

• Teil kann nicht für Funktionstests verwendet werden
• Begrenzte Baugröße
• Teil kann schwach und brüchig sein
• Beschränkungen für die zu verwendenden Materialtypen
• Materialschrumpfung/-kontraktion wird beim 3D-Druck nicht festgestellt

CNC-Bearbeitung

Die CNC-Bearbeitung ist eine weitere, recht schnelle und kostengünstige Methode zur Herstellung von funktionalen Kunststoffprototypen, wenn eine größere Menge an Prototypen benötigt wird (Kleinserien sind im Allgemeinen zu kostspielig). Bei dieser Technik wird ein breites Spektrum an Werkzeugen unterschiedlicher Größe eingesetzt, um ein 3-D-Modell aus einem festen Materialblock herauszufräsen. Die CNC-Bearbeitung ist mit dem 3D-Druck vergleichbar, wenn es um die Möglichkeit von Gewinden und Hinterschneidungen, enge Toleranzen, geringere Größenbeschränkungen und mehr Optionen für die Oberflächenbearbeitung geht. Die Durchlaufzeiten für die CNC-Bearbeitung von Prototypen hängen von der Komplexität des Modells und der benötigten Fertigungsleistung ab.

Zu den Materialien, die in der CNC-Bearbeitungstechnik verwendet werden, gehören unter anderem ABS, PC, PP, POM, PMMA (Acryl), HDPE, Teflon und PEEK.

Was sind die Vor- und Nachteile der CNC-Bearbeitung von Kunststoffprototypen?

Vorteile:

• Testen Sie Passform, Form und Funktion von Prototyp-Kunststoffteilen, ohne Spritzgusswerkzeuge herstellen zu müssen.
• Bietet im Vergleich zu 3-D-Prototypen ein größeres Potenzial für enge Toleranzen, Hinterschneidungen und Gewinde
• Ermöglicht einige Oberflächenbehandlungen des Prototyps, einschließlich Polieren, Lackieren, Pulverbeschichten und mehr
• Kann je nach Komplexität des Kunststoffmodells eine kurze Durchlaufzeit ermöglichen
• Der Prototyp wird mechanische Eigenschaften aufweisen, die denen eines Spritzgussteils in Produktionsqualität näher kommen.

Nachteile:

• Kosten - die Bearbeitung erfordert große Maschinen mit erheblicher Leistung und mehr menschlicher Aufsicht als 3-D-Drucker
• Bei Teilen mit komplexen Geometrien kann die CNC-Bearbeitung einschränkend sein und alternative Formen des Prototyping erfordern, die nicht durch die Winkel der Schneidwerkzeuge begrenzt sind.
• Es fällt mehr Abfallmaterial an als bei anderen Verfahren. Da es sich bei der CNC-Bearbeitung um ein subtraktives Verfahren handelt, muss mehr Material verbraucht werden, als in das Teil eingeht. Das Material wird weggeschnitten, und die Späne enden als Metall- oder Kunststoffpartikel, die entsorgt werden müssen, was beim additiven Prototyping nicht der Fall ist

Aluminiumgießen - schnelle Prototypen

Die Verwendung von Aluminium für Werkzeuge kann für das Spritzgießen von Kleinserien kostengünstig sein. Es lässt sich zwar schneller herstellen als Stahl, doch gibt es in der Regel Einschränkungen in Bezug auf Konstruktionsmerkmale, Material und Qualität.

Aluminium lässt sich leicht zuschneiden und kühlt schnell ab, was zu kürzeren Zykluszeiten und geringeren Kosten auf OEM-Ebene führt. Die Teileproduktion für Rapid Prototyping kann fast sofort beginnen, wenn die Aluminiumform fertig ist.

Außerdem werden im Vergleich zum 3D-Druck schnell gespritzte Aluminiumprototypen mit höherer Genauigkeit und Festigkeit hergestellt. Allerdings stimmen Design und Entwicklung dieser Teile nicht immer mit dem überein, was für die Produktion des Teils erforderlich ist. Aufgrund von Änderungsbeschränkungen kann es zeitaufwändig und kostspielig sein, wenn keine andere Methode gewählt wird. Aus diesem Grund eignet sich das Schnellspritzgießen am besten für einen Prototyp im Frühstadium, kann aber zu Problemen führen, wenn später funktionale Teile benötigt werden.

Was sind die Vor- und Nachteile von Prototypen aus aluminiumgeformtem Kunststoff?

Vorteile:

• Stahl ist ein starker Wärmeleiter, d. h. er kühlt ab und erwärmt sich schnell - ideal für das Spritzgießen
• Durch die schnelle Abkühlung können mehr Zyklen in einer bestimmten Zeit durchgeführt werden, was eine schnellere Produktion als bei additiven Prototypen ermöglicht.
• Weniger kostspielige Investitionen in Werkzeuge als Stahl
• Funktionstests sind möglich, aber begrenzt

Nachteile:

• Beschränkungen für Prototypen mit einzigartigen Oberflächen
• Nicht so stabil wie Stahl, und die Lebensdauer hängt von der Gießtemperatur, der Anzahl der Zyklen und der Komplexität der Teile ab.
• Merkmale können aufgrund von Prozessbeschränkungen im Teil ausgelassen werden
• Einige Einschränkungen in Bezug auf die verwendbaren Materialtypen und die Textur
• Minimale technische Unterstützung

Produktion Prototypen

Die meisten Produkthersteller wünschen sich ein Kunststoff-Prototypenteil, das auf seine Leistung geprüft werden kann und die gleichen Leistungsmerkmale wie das geplante endgültige Produktionsteil aufweist. Wenn das Bauteil vor der Markteinführung für Produkttests verwendet wird, sollte der Prototyp auch die richtige Oberfläche des geplanten Produktionsteils aufweisen.

Produktionsprototypen, bei denen Formen aus Stahl verwendet werden, gelten als Vorproduktionswerkzeuge, die maßgenau sind, alle Teiledetails enthalten und keine Entgratung oder andere sekundäre Bearbeitung erfordern. Konstruktionsänderungen können am Werkzeug vorgenommen werden, um Änderungen oder Optimierungen zu ermöglichen. Beim Spritzgießen sollte das Teil eine gleichmäßige Festigkeit über jeden Winkel hinweg aufweisen und die Materialstruktur sollte durchgängig konsistent sein. Außerdem sind die Optionen für die Materialbeschaffenheit bei den meisten Rapid-Prototyping-Szenarien mit Schichten (3-D-Druck) begrenzt.

Nehmen wir an, Ihr Teil erfordert eine bestimmte Oberfläche, die die Funktionalität der Endanwendung des Produktionsteils unterstützt. In diesem Fall erhöhen sich die Optionen für die Endbearbeitung erheblich, und das Design wird nicht beeinträchtigt, wenn Sie sich für ein spritzgegossenes Prototypverfahren entscheiden.

Nach Abschluss des Prototyping und der Fertigstellung des Designs ist das Werkzeug bereit für die Produktion, wodurch die Zeit für den Bau des Produktionswerkzeugs und die Qualifizierung entfällt. In der Vergangenheit waren die Vorlaufzeiten für Produktionsprototypen viel länger als bei anderen Methoden des Rapid Prototyping.

Die jüngsten Entwicklungen in der Technologie und im Werkzeugbau haben es Produktherstellern ermöglicht, ihre Konzepte in einem drastisch verkürzten Zeitrahmen in die Realität umzusetzen. Wenn ein fortschrittlicher Spritzgießpartner die neuesten Fortschritte im 3D-Druck nutzt, um zeitsparende Vorteile gegenüber der herkömmlichen Prüfung von Prototypenteilen zu erzielen, werden alle Aspekte des Prototypprozesses für optimale Ergebnisse aufeinander abgestimmt.

Was sind die Vor- und Nachteile von Kunststoffprototypen in Produktionsqualität?

Vorteile:

• Ermöglicht die schnelle und kostengünstige Prüfung von Produktkonzepten ohne Qualitätseinbußen
• Während des gesamten Design- und Entwicklungsprozesses wird ein Produktionsansatz verfolgt
• Materialschrumpfung/-kontraktion kann während des Entwurfsprozesses eingeplant und während der Entwicklung überprüft werden
• Größte Auswahl an Materialien, einschließlich abrasiver/gefüllter Materialien
• Besonders geeignet für Branchen, die umfangreiche Prüfungen und Zertifizierungen benötigen, wie z. B. die Medizinprodukteindustrie
• Schutz des geistigen Eigentums und Fähigkeit, aus dem Design- und Teileentwicklungsprozess zu lernen

Nachteile:

• Produktionsprototypen verwenden ein Verfahren und eine Form, die in der Regel komplex und präzise sind - oft eine Iteration direkt vor dem Produktionsprozess
• Die Fehlertoleranz ist gering
• Oftmals sind die Kosten im Vorfeld höher, aber der Wert ist auf lange Sicht größer, wenn man die Qualität, die Funktionalität, die im Laufe des Prozesses gewonnenen Informationen und die Schnelligkeit bei der Produktion hoher Stückzahlen berücksichtigt.

Qualitätsunterschiede bei Kunststoffprototypen

Der Hauptunterschied zwischen einem schnellen Prototyp und einem Prototyp in Produktionsqualität liegt in der Qualität der Form. Prototypen in Produktionsqualität werden mit Stahlformen hergestellt, während für Rapid Prototypes alternative Methoden verwendet werden, meist das additive 3D-Druckverfahren oder Aluminium.

Die Verwendung von Stahl in Produktionsprototypen und die Einbeziehung von Produktionsformmerkmalen in die Werkzeuge gibt den Ingenieuren die Möglichkeit, das endgültige Design und die Materialauswahl zu testen, bevor die Großserienproduktion beginnt. Diese Methode führt zu Kosteneinsparungen und Effizienzsteigerungen, da das Risiko, nach der Herstellung von Millionen von Teilen Fehler in der Konstruktion zu finden, verringert wird.

Nur wenige Technologien haben die Produktentwicklung so stark beeinflusst wie 3D-Druck, Rapid Prototyping und Prototyping in Produktionsqualität. Überall auf der Welt entdecken Unternehmen immer neue kreative Einsatzmöglichkeiten für die verfügbaren Technologien, um Produktkomponenten und die Funktionalität für den Endverbraucher zu validieren und die Markteinführung zu beschleunigen. Mit der weiteren Entwicklung dieser Technologien wird das Kunststoffprototyping noch effizienter werden und sich weiter in Branchen ausbreiten, die sich in der Vergangenheit vielleicht gesträubt haben. Das Wachstum neuer Märkte und Branchen wird die Rolle des Kunststoffprototyping neu definieren und die Zukunft der Produktherstellung neu bestimmen.

Es gibt mehrere Gründe, warum ein OEM Kunststoffprototypen in Produktionsqualität benötigt. In vielen Fällen werden Prototypen verwendet, um die Designabsicht und den Konzeptnachweis für ein Bauteil oder Produkt zu validieren, bevor es in die Massenproduktion geht. Auf diese Weise können potenzielle Designprobleme erkannt und sichergestellt werden, dass das Bauteil oder Produkt alle erforderlichen Sicherheits- und Leistungsstandards erfüllt.

Nachfolgend sind einige Szenarien aufgeführt, in denen ein OEM einen Prototyp in Produktionsqualität benötigt:

• Das Produkt ist für die Massenproduktion in großen Mengen vorgesehen. In diesem Szenario ist es wichtig, dass der Entwurf für die Fertigung und die Konstruktion optimiert wird, damit das Produkt in den Produktionsmaterialien wie gewünscht funktioniert.
• Sie müssen vor der Massenproduktion eine Verbraucherforschung durchführen. Sie sollten spritzgegossene Prototypen in Produktionsqualität herstellen, um dem Endprodukt so nahe wie möglich zu kommen. Die Herstellung von mehreren hundert spritzgegossenen Prototypen ermöglicht einen sehr genauen Verbrauchertest und bietet außerdem die Möglichkeit, vor der Massenproduktion Änderungen auf der Grundlage der Anregungen der Verbraucher vorzunehmen.
• Ihr Produkt erfordert umfangreiche Tests, bevor es auf den Markt kommen kann. In diesem Fall sollten Sie einen Prototyp testen, der dem endgültigen Bauteil so nahe wie möglich kommt. Die Werkstoffe und das Herstellungsverfahren sollten identisch sein, und wenn es sich um ein kompliziertes Produkt handelt, ist es von Vorteil, den Prozess zu imitieren und alle Prozesse fein abzustimmen.
• Die Automatisierung und der Montageprozess aller Komponenten sollten getestet werden, bevor die Produktion in vollem Umfang aufgenommen wird. Wenn die Automatisierung nach den falschen Spezifikationen gebaut wird, müssen die Zuführsysteme angepasst werden. Diese Systeme sind kostspielig und müssen möglicherweise an die endgültigen Spezifikationen der einzelnen Produktkomponenten angepasst werden.
• Sie möchten Ihren Wiederverkäufern/Vertriebshändlern ein fertiges Produkt zeigen. Kunden treffen ihre Kaufentscheidung nicht allein auf der Grundlage einer Skizze oder einer unvollständigen Idee. Der bewährte Prototyp wird also dazu beitragen, die Gültigkeit Ihres Produkts zu beweisen und den Absatz zu sichern.

Der Nachweis des Konzepts/Designs ist ein wichtiger Faktor bei jeder Art von Prototyping. In der Vergangenheit haben Rapid-Prototyping-Methoden, wie z. B. der 3D-Druck, dazu beigetragen, zu zeigen, wie ein Bauteil oder Gerät in Bezug auf Größe und Form aussehen könnte; herkömmliche Methoden reichen jedoch oft nicht aus, wenn es darum geht zu zeigen, ob ein Designkonzept tatsächlich wie erwartet funktionieren wird. Wird das vorgesehene Material allen potenziellen Umweltelementen und -bedingungen standhalten? Passt das gewählte Design visuell zum Aussehen des Produkts? Alles, von der Funktionalität bis zur Ästhetik, sollte berücksichtigt werden.

Die Entwicklung von Prototypen nach dem Prinzip "Versuch und Irrtum" (d. h. Sie schicken ein Teil zum Prototyping ein, analysieren es, nehmen Änderungen vor und wiederholen den Vorgang) ist riskant. Der Prozess kann langwierig und kostspielig sein und wird wahrscheinlich zu einer langsameren Markteinführung führen. Wenn qualifizierte Ingenieure oder Produktdesignberater in jeden Schritt einbezogen werden, können sie dazu beitragen, den Materialverbrauch, die Produktionszeit und die mit der Prototypenerstellung und Entwicklung verbundenen Kosten zu senken.

Sehen wir uns die Schritte zur Erstellung eines produktionsreifen Kunststoffprototyps an:

1. Führen Sie eine computergestützte Entwurfsprüfung (CAD) mit einer detaillierten Bedarfsanalyse durch.

Denken Sie genau darüber nach, wie das Kunststoffteil funktionieren soll. Die Bedeutung dieses Schritts kann gar nicht hoch genug eingeschätzt werden, denn wenn ein fehlerhafter Produktentwurf für die Herstellung genehmigt wird und kostspielige Werkzeuge entwickelt werden, verlieren Sie garantiert Geld und verzögern die Markteinführung des Produkts, sobald die Mängel erkannt werden. Zu den Fragen, die während dieses Prozesses zu berücksichtigen sind, gehören:

• Wird das Teil extremen Temperaturen ausgesetzt sein? Wenn ja, muss das Material geändert werden.
• Welchen Chemikalien - wenn überhaupt - wird das Teil ausgesetzt sein?
• Wird das Teil eine sichtbare Anwendung oder eine interne Komponente sein?
• Wie muss das Teil beschaffen sein? Flexibel? Zäh? Geschmiert?
• Welchen anderen Elementen außer den Temperaturen kann das Teil ausgesetzt sein?
• Gibt es Dichtungsflächen an dem Teil?

2. In dieser Phase sollten DFM-Protokolle (Design for Manufacturing) eingeführt werden.

Die Zusammenarbeit mit einem Spritzgießpartner, der über solide DFM-Kompetenzen verfügt, ist von entscheidender Bedeutung, um sicherzustellen, dass jedes Detail berücksichtigt wird, einschließlich der Auswahl der Anschnitte, der seitlichen Einwirkungen, der Überlegungen zur Kühlung, der wesentlichen Merkmale eines Teils und vieles mehr.

3. Die CAD-Überprüfung und Bedarfsanalyse sowie eine gründliche DFM-Implementierung bestimmen, welche Werkzeugmethoden für die Herstellung des Prototyps verwendet werden können.

Fertigungsingenieure nutzen die Leistungsfähigkeit moderner CAD-Software, um die richtige Form für das Prototyping auszuwählen, die dann auch den harten Anforderungen der Produktion standhält.

Einige CAD-Programme, wie z. B. Solidworks, nutzen die Formsimulationsanalyse. Mit dieser Technologie können potenzielle Defekte untersucht, potenziell stark beanspruchte Bereiche identifiziert werden, die zu Konstruktionsfehlern führen können, und es kann beurteilt werden, wie ein Teil unter den zu erwartenden Belastungen funktionieren wird. Die Optimierung des Bauteildesigns, ohne dass ein physischer Prototyp benötigt wird, ermöglicht es Ihnen, schnell und kosteneffizient durch den frühen Designprozess zu kommen.

Rapid-Tooling-Verfahren nutzen CAD-Methoden und Testergebnisse, um Formen und Werkzeuge für Kleinserien, Produktbeurteilungen und die Serienproduktion zu erstellen. Die Entwicklungszyklen werden deutlich verkürzt und sind kostengünstiger.

4. Der Werkzeugbau für einen Prototyp in Produktionsqualität kann schnell abgeschlossen werden, wenn ein Spritzgusspartner über einen standardisierten Formenpark verfügt und Zugang zu und Effizienz bei der Verwendung von 3-D-Druck für Metall- oder Stahlformen hat.

Viele Hersteller von schnellen Prototypen denken darüber nach, wie können wir das wirklich schnell machen? - wohingegen Spritzgießer, die Prototypen in Produktionsqualität herstellen, oft zuerst prüfen, wie er am besten funktioniert.

Es sind neue Rapid-Prototyping-Methoden entstanden, die es jetzt ermöglichen, Werkzeuge von Grund auf zu entwickeln, sogar aus Hochtemperaturharzen, die den herkömmlichen Spritzgießverfahren widerstehen. Darauf gehen wir weiter unten näher ein.

Die Dauer eines Prototyping-Prozesses hängt von der Art des Bauteils und seiner Verwendung ab. Bei Sanitär-, Geräte- oder Filtrationsanwendungen kann es beispielsweise 12 bis 16 Wochen dauern, bis die Kompatibilität mit Wasser getestet ist. Es ist wichtig zu wissen, ob sich der Kunststoff zersetzt, wenn er wiederholt Elementen wie Wasser ausgesetzt wird. Bei kleinen Motoren, Rasen- und Gartengeräten, Automobilen usw. muss die Materialverträglichkeit bei Kontakt mit Öl und Gas geprüft werden. Diese Faktoren bestimmen den Zeitrahmen für die Herstellung eines spritzgegossenen oder produktionsreifen Prototyps.

Im Idealfall sollte ein Prototyping-Prozess nur etwa ein bis zwei Monate dauern, wobei einige neuere Entwicklungen den Zeitrahmen auf unter 72 Stunden verkürzen.

Die Erstellung eines ersten Prototyps und einer CAD-Zeichnung für Konstrukteure ist ein effizienter Weg, um den Prozess so schnell wie möglich zu durchlaufen. Auf diese Weise erhalten die Ingenieure eine klare Vorstellung davon, wie Ihr Bauteil aussehen und wie es funktionieren soll.

Im Folgenden finden Sie einige ungefähre Zeitpläne für die Entwicklung von Kunststoffprototypen, die Sie berücksichtigen sollten:

Bevor ein einzelnes Kunststoffteil zusammengesetzt wird, geschweige denn Tausende oder Millionen davon, müssen die technischen und gestalterischen Aspekte des Teils sorgfältig bewertet werden. Das Design sollte technisch einwandfrei, hochgradig funktionell und ästhetisch an das Produkt angepasst sein.

Heutzutage ist es von entscheidender Bedeutung, diese drei wesentlichen Komponenten zu kombinieren und gleichzeitig eine effiziente Produktionskonsistenz zu erreichen. OEMs, die Wert darauf legen, hochwertige Produkte zu liefern, sollten die Vorteile des Einsatzes von Prototypen im Spritzgussverfahren sorgfältig prüfen - vom Design bis zur Funktion.

Zu den wichtigsten Funktionen des Prototyping gehören:

Einbindung wissenschaftlicher Formgebungstechniken wie Formsimulationen

Der Umbau oder die Anpassung von Werkzeugen ist ein kostspieliger Prozess, der Zeit und Arbeit erfordert. Wenn Sie mit einem unerprobten Design in die Produktion gehen, werden Sie mit einer schwierigen Situation konfrontiert. Wie bereits erwähnt, können Werkzeugsimulationen das Risiko verringern und sollten abgeschlossen werden, bevor Prototypen hergestellt werden.

Verkürzung der Markteinführungszeit und Erhöhung des ROI

Die Herstellung von Prototypen ist eine Investition, und es ist selten, dass ein Kunststoffteil beim ersten Mal ohne den gesamten Prozess richtig ist. Die Neubewertung und Erstellung einer weiteren Iteration kann extrem teuer werden.

Nach der Erstellung eines nicht serienreifen Prototyps entdecken Sie möglicherweise kleine Mängel im Design, die Ihr Echtzeit-Produkt schwach, minderwertig oder ineffektiv machen könnten.

Nehmen wir an, Sie haben Hunderte oder sogar Tausende von Produkten hergestellt, bevor Sie Fehler erkannt haben. In diesem Fall wissen Sie, wie kostspielig es sein kann, eine ganze Produktionscharge zu verschrotten oder sogar einen Rückruf zu veranlassen. Wenn Probleme nicht vor dem Produktionslauf erkannt werden, gehen Zeit und Geld für die Anpassung der Werkzeuge verloren.

DFM spielt eine zentrale Rolle bei der Erstellung von Kunststoffprototypen in Produktionsqualität, da es die Validierung der Konstruktion vor dem Start der Werkzeugherstellung sicherstellt.

Beim DFM geht es darum, ein Produkt so zu entwerfen, dass die Fertigungseffizienz der zu seiner Herstellung verwendeten Anlagen und/oder Verfahren optimiert wird, um die geringstmöglichen Stückkosten bei höchstmöglicher Qualität zu erzielen. Der wichtigste Grund für die Integration von DFM in die Herstellung von Kunststoffkomponenten ist, dass 70 % der Herstellungskosten durch Konstruktionsentscheidungen bestimmt werden können.

Erfahren Sie in unserem Leitfaden mehr darüber, wie DFM in den umfassenden Spritzgießprozess eingebunden ist: DFM beim Kunststoff-Spritzgießen

Die Rolle der Technologie bei der Entwicklung von Kunststoffprototypen

Technologie ist ein wichtiges Element im DFM, wenn man mit einem Spritzgießer arbeitet, der sich auf wissenschaftliche Formgebungsverfahren konzentriert. Die Verwendung von Werkzeugsimulationssoftware wie SOLIDWORKS® Plastics Premium Software, die dann durch Roboter- und Prozesssteuerungssysteme wie RJG eDart® ausgeführt wird, ermöglicht einen vorausschauenden Einblick, Prozessvalidierung und eine vollständige Prozessdokumentation.

Der Einsatz und die Integration von Technologien zur Unterstützung des DFM-Prozesses beim Kunststoffspritzgießen erfordert die Kommunikation und Zusammenarbeit zwischen OEMs, Konstrukteuren und Spritzgießern in vielen verschiedenen Bereichen.

Ein weiterer Grund für die Wahl eines Spritzgießers, der DFM-Prinzipien anwendet, ist die zunehmende Komplexität von Kunststoffspritzgussteilen. Die Berücksichtigung von Toleranzen, Entformungswinkeln, Hinterschneidungen usw. muss bereits in der Konstruktionsphase erfolgen, um die Qualitäts-/Kostenanforderungen der Kunden zu erfüllen. Im Folgenden finden Sie weitere Informationen zu diesen Konstruktionselementen.

Zu Beginn des DFM-Prozesses für einen Prototyp in Produktionsqualität bieten Konstruktionsnormen einen Leitfaden für die Entwicklung eines echten Verständnisses dessen, was für das erfolgreiche Gießen eines Teils erforderlich ist, und führen zu Effizienzsteigerungen, die sich auf verschiedene Weise auf den Entwicklungsprozess auswirken. Im Folgenden sind einige Designvariablen aufgeführt, die berücksichtigt werden sollten und die einen wesentlichen Beitrag zur Senkung der Produktionszeit und -kosten leisten.

Komplexität berücksichtigen

Wenn Ihr Kunststoffbauteil viele Variablen aufweist, die berücksichtigt werden müssen, sollte Ihr Prototyping-Partner einen Überblick darüber geben, was eliminiert werden kann und was nicht. Erfahrene Ingenieure mit Prototyping- und Produktionserfahrung können zu diesen Entscheidungen beitragen und den effizientesten Projektumfang bestimmen.

Vermeiden Sie Nebeneffekte

In der Konzeptionsphase (wenn festgelegt wird, wie die Teilegeometrie aussehen soll) ist nicht immer bekannt, ob eine Form eine seitliche Einwirkung benötigt. Ist dies der Fall, kann sich diese zusätzliche Variable auf den Zeitplan und die Kosten der Fertigstellung auswirken.

Ein Seiteneingriff verursacht nicht nur Komplexität in der Form, sondern erfordert auch Zeit und Geschick, damit er richtig funktioniert. Wenn ein Teil so gestaltet werden kann, dass es ohne Seiteneingriff auskommt und dennoch seine Funktionalität behält, wäre dies die wünschenswerteste Situation.

Abgerundete Ecken implementieren

Um scharfe Ecken bei der Konstruktion von Prototypen zu vermeiden, wird ein Radius verwendet, um die Spannungen zu verteilen und den Fluss des geschmolzenen Kunststoffs zu optimieren. Beim Spritzgießen passt sich der heiße Kunststoff den Kurven und Ecken an. Abgerundete Ecken erleichtern das Fließen des Kunststoffs, wohingegen scharfe Innenecken zu eingeformten Spannungen führen. Dies geschieht vor allem während des Abkühlungsprozesses, wenn die Oberseite des Teils versucht, zu schrumpfen, und das Material gegen die Ecken zieht. Die Zusammenarbeit mit einem sachkundigen Ingenieur zur Ermittlung von Bereichen, in denen das Teiledesign verbessert werden kann, führt zu einem stärkeren, maßhaltigeren Teil, das sich nach dem Spritzgießen nicht verzieht.

Fügen Sie einen Entwurf zu Ihrem CAD-Modell hinzu.

Unter Verformung versteht man die Winkel, die in das Design Ihres Teils eingearbeitet sind und den Ausstoßprozess aus der Form unterstützen. Die für Ihr Teil erforderliche Verformung hängt von der Materialstärke und -beschaffenheit ab.

Im Folgenden finden Sie einige allgemeine Richtlinien für die Erstellung von Entwürfen, die Sie beachten sollten:

• Verwenden Sie immer so viel Tiefgang wie möglich: 1-5 Grad Ihrerseits
• Zeichnen Sie Ihren Teil in Richtung ziehen
• Mehr Zugluft mit Textur in Betracht ziehen: 2-3 Grad oder 3-5 Grad mit tiefer Textur

Vermeiden Sie Hinterschneidungen so weit wie möglich.

Ein Hinterschnitt ist jeder hinterschnittene Bereich, der das Auswerfen eines Teils aus einer Form verhindert und die Herstellung komplexer macht. Die Verringerung der Anzahl der Hinterschneidungen oder deren völlige Beseitigung vereinfacht den Werkzeugbau. Erfahrene Konstrukteure können bei der Entwicklung alternativer Lösungen helfen.

Bewertung des Einflusses der Materialdicke

Die Materialstärke ist einer der wichtigsten Faktoren bei der Konstruktion von Teilen. Die Dicke spielt eine Rolle für Leistung, Aussehen, Formbarkeit, Kosten und vieles mehr. Dünnere Materialwände verringern die Materialmenge und die Zykluszeit. Während die Minimierung des verwendeten Materials in Betracht gezogen werden sollte, kann das Erreichen einer idealen Wandstärke ein Gleichgewicht zwischen der Festigkeit des Materials und dem Gewicht darstellen.

Die Abstimmung mit Ihrem Spritzgießpartner bei der Auswahl des besten Kunststoffs zu einem frühen Zeitpunkt im DFM- und Prototypenentwicklungsprozess ist entscheidend für den Erfolg der Produktion eines Teils.

Die Wahl des Materials hat Auswirkungen auf die Festigkeit und Flexibilität Ihres Formteils. Wenn Sie sich frühzeitig mit den spezifischen Anforderungen auseinandersetzen, können Sie später kostspielige Änderungen vermeiden. Dies kann erreicht werden, wenn Sie die wichtigsten Unterschiede bei einigen der am häufigsten verwendeten Harze kennen.

ABS (Acrylnitril-Butadien-Styrol)

Merkmale:

• Robust mit guter Schlagfestigkeit
• Leicht zu bearbeiten und erfüllt eine Vielzahl von ästhetischen Anforderungen
• Nicht ideal für Teile, die starker Hitze ausgesetzt sind
• Zugänglicher Preispunkt

Polycarbonate

Merkmale:

• Lässt sich leicht formen und erhöht oft die Bruchfestigkeit.
• Natürlich transparent und ideal für hochfeste glasähnliche Anwendungen (Schutzbrillen, medizinische Laboranwendungen usw.)
• Nicht geeignet für Bereiche, in denen ein höheres Maß an Flexibilität erforderlich ist oder farbige ästhetische Entscheidungen getroffen werden müssen

Glasgefülltes Nylon

Merkmale:

• Verstärkte Thermoplaste, bei denen dem Basis-Nylonharz Glasfasern für zusätzliche Festigkeit und Hitzebeständigkeit zugesetzt werden
• Elektrisch nicht so gut leitend wie viele andere Materialien.
• Trotz seines hohen Schmelzpunktes ist es anfälliger für Verbrennungen als andere Materialien.

Polypropylen

Merkmale:

• Flexibler Thermoplast, geeignet für Industrie- und Verbraucheranwendungen
• Bekannt als ein äußerst biegsames Harz, das auf vielfältige Weise bearbeitet werden kann, ohne seine ursprüngliche Form zu verlieren
• Bietet Widerstand gegen Lösungsmittel, Chemikalien und UV-Strahlen

Acetal

Merkmale:

• Bietet einen hohen Reibungswiderstand und ist ein sehr steifes Material
• Leichtes Färben und Einfärben während des Formprozesses
• Bietet keine überragende Hitzebeständigkeit

Rosti ist bekannt für sein Fachwissen bei der Materialauswahl, der Beschaffung und dem Gießen von hochhitzebeständigen und exotischen Harzen.

Wenn Sie mehr über die besten Materialien für die Entwicklung komplexer Kunststoffteile erfahren möchten, lesen Sie den Leitfaden für Hochtemperaturkunststoffe von Rosti.

Auf dieser Seite haben Sie mehr über die vielen Aspekte der Entwicklung von Prototypen in Produktionsqualität und die bedeutenden Fortschritte in der Technologie und der Optimierung von Teilen in den letzten Jahren erfahren. Mit Fortschritten im 3D-Druck, optimierten Werkzeugen für niedrigere Produktionsläufe und der Materialwissenschaft können Präzisionsteile in immer kürzeren Zeiträumen entworfen, produziert und geliefert werden. Rosti setzt sich dafür ein, diesen Prozess zu beschleunigen, um Leerlaufzeiten in den Fertigungszyklen zu reduzieren und den Herstellern zu ermöglichen, die Produktentwicklung voranzutreiben und schneller auf den Markt zu kommen.

Rosti hat sich diesem Prozess und dem Wert, den er seinen Kunden bringt, so sehr verschrieben, dass das Unternehmen mehr als 1,3 Millionen Dollar in ein neues Innovationslabor in Asien innerhalb seiner chinesischen Anlage investiert hat und vor kurzem eine zweite Investition von 1,3 Millionen Dollar für ein Innovationslabor in Europa getätigt hat.

So funktioniert der 72-Stunden-Prozess des Digital Innovation Lab von Rosti vom Konzept zur Realität:

1. Die Ingenieure von Rosti erhalten die 3D-Produktdaten und -spezifikationen eines Kunden, und die Uhr beginnt zu ticken. Die Anforderungen werden analysiert, und es werden Optimierungen empfohlen, um die Effizienz zu maximieren und die Produktionskosten zu minimieren. Das Prototyping von Bauteilen wird eingeleitet.
2. Die Mitglieder des Rosti-Teams stützen sich bei der Entwicklung digitaler Simulationen auf bewährte Verfahren und eine umfangreiche Wissensdatenbank aus vergangenen Projekten. Die Analyse digitaler Simulationen kommt nicht nur dem Bauteildesign zugute, sondern auch der Optimierung von Spritzgießszenarien. Das Spektrum der untersuchten Bereiche umfasst Anschnitt, Kühlung, Verzug und Zykluszeiten.
3. Gedruckte Werkzeugkavitäten und -kerne werden begonnen. Die Werkzeuge werden von Grund auf in Hochtemperaturharzen gezüchtet, die konventionellen Formgebungsprozessen standhalten können.
4. Geformte Teile werden durch optisches Laserscanning überprüft. Vollständige Messberichte sind innerhalb von Minuten verfügbar, um die Produktionsabsicht zu überprüfen und vorausschauende Analysen und Produktmessungen zu unterstützen.

Innerhalb von drei Tagen nach dem Hochladen des Entwurfs erwacht der Entwurf des Kunden im vorgesehenen Design zum Leben.

Rosti North America ist seit jeher für seine hervorragenden DFM-Prozesse, seine hochmodernen Anlagen und Technologien sowie sein technisches Know-how bekannt. Mit Rostis globaler Reichweite und lokaler Fokus-Philosophie können sich die Kunden nun bei jedem Schritt der Entwicklung von Kunststoffbauteilen auf kooperative Fertigungskompetenz und Lösungen verlassen, unabhängig vom Standort.

Die Kunden von Rosti North America haben nicht nur Zugang zu digitalen Innovationslabors auf der ganzen Welt, sondern auch zu einer speziellen Einrichtung, die derzeit am Standort des Unternehmens in Germantown, Wisconsin, entwickelt wird.

Mit einem globalen Netzwerk von Ressourcen und Lieferanten und einem der engagiertesten, sachkundigsten und am besten vernetzten Teams weltweit erhalten Kunden einen kompetenten Partner vom Design bis zum gesamten Produktionszyklus.