Fortschritte bei der Herstellung von Kunststoffprototypen in Produktionsqualität

Was ist ein Kunststoffprototyp?

Ein Kunststoffprototyp ist eine dreidimensionale Darstellung eines Produkts oder Objekts, die typischerweise mit Rapid-Prototyping-Technologie erstellt wird. Er kann dazu verwendet werden, die Form, Passgenauigkeit und Funktion eines Designs zu testen, bevor es in die Massenproduktion geht. Kunststoffprototypen werden häufig in der Automobil-, Luft- und Raumfahrt-, Sanitär-, Medizin-, Konsumgüter-Elektronikindustrie und vielen weiteren Bereichen eingesetzt.

Prototyping ist ein leistungsfähiges Werkzeug für Hersteller, da es hilft, einen entscheidenden Bestandteil eines physischen Produkts zu beurteilen, bevor die Massenfertigung beginnt. Ein Kunststoffprototyp ermöglicht es Produzenten, so schnell wie möglich mit der physischen Darstellung einer Komponente und des gesamten Produkts zu arbeiten, um die Designabsicht zu validieren.

Dieser Prozess ermöglicht es Konstrukteuren, geeignete Änderungen vorzunehmen, bevor der nächste Schritt bei der Produktion von Kunststoffteilen gestartet und letztlich ein Produkt zur Marktreife gebracht wird. Am Ende profitieren sowohl der Hersteller als auch der Endnutzer.

Weitere Vorteile sind:

• Überprüft Konstruktionsmerkmale
• Verifiziert die Designabsicht und die Leistung eines Kunststoffteils unter den tatsächlichen Einsatzbedingungen
• Erstellt einen Testmaßstab zur Entwicklung zusätzlicher Funktionen
• Erkennt mögliche Defekte und Unregelmäßigkeiten vor der Massenproduktion
• Ermöglicht die Verfeinerung zur weiteren Optimierung und Effizienz des Teils

Was sind die Hauptunterschiede bei Kunststoffprototypen?

Ingenieure, Konstrukteure, Modellbauer und Werkzeugmacher fragen sich oft, welche Prototypenoption für ihre Kunststoffteile am besten geeignet ist. Bei so vielen Fortschritten im Prototyping im Laufe der Jahre kann es schwierig sein zu bestimmen, welcher Prototyp der geeignetste für die Validierung eines Kunststoffteils ist.

Es ist entscheidend, die Vor- und Nachteile der verfügbaren Methoden zu verstehen, wenn Sie ein bestehendes Teil anpassen oder ein neues Design von Grund auf entwickeln. Durch die Bewertung der Stärken und Schwächen unterschiedlicher Prototyping-Methoden für Kunststoffteile und durch die Zusammenarbeit mit einem erfahrenen Prototyping-Partner kommen Sie der richtigen Wahl einen Schritt näher.

3D-gedruckte Kunststoffprototypen

Additive Fertigung oder 3D-Druck umfasst verschiedene Fertigungstechnologien. Sie ist eine der innovativen Techniken im Zuge der cyber-physischen Transformation der Fertigung. Während 3D-Druck ein Sammelbegriff ist, sind die drei beliebtesten Verfahren für die Herstellung von 3D-Prototyp-Kunststoffteilen:

Fused Deposit Modeling (FDM)

Das FDM-3D-Druckverfahren ist die beliebteste Variante beim Kunststoffprototyping. Dabei wird ein Extrusionsverfahren verwendet, um Schicht für Schicht Kunststoffmaterial abzulegen, bis das Objekt erstellt ist. Industrie-taugliche FDM-3D-Drucker können Kunststoffprototypen in hoher Auflösung und Festigkeit fertigen. Je nach verwendetem Material können Industriemaschinen mit FDM-Technik Prototypen mit größerer Festigkeit und besserer Auflösung herstellen. Es handelt sich außerdem um eine vielseitige Methode, die mit verschiedenen Materialien wie PLA, ABS, Nylon, PETG, Polycarbonat und anderen funktioniert.

Stereolithografie (SLA)

Das SLA-3D-Druckverfahren verwendet Kunststoffharze zur Herstellung von Prototyp-Kunststoffteilen, indem ein Hochleistungslaser dabei hilft, das Modell in einem Resinbehälter zu verfestigen. Eine SLA-3D-Druckmaschine nutzt eine Lichtquelle (Laser oder Projektor), um flüssiges Harz in festes Plastik zu härten. Der wichtigste physikalische Unterschied zwischen SLA-3D-Druckern liegt in der Anordnung zentraler Komponenten wie Lichtquelle, Bauplattform und Harzbehälter. Werden SLA-Harze bestimmten Lichtwellenlängen ausgesetzt, verbinden sich kurze Molekülketten und polymerisieren Monomere sowie Oligomere zu festen, starren oder flexiblen Geometrien. Dieses Verfahren wird insbesondere in der Medizintechnik, Zahnmedizin und Konsumgüterindustrie zum Prototyping genutzt.

Selektives Lasersintern (SLS)

Wie SLA verwendet auch die SLS-Technologie einen Hochleistungslaser. Allerdings unterscheidet sich der Vorgang darin, dass pulverförmiges Material verschmolzen wird, um ein 3D-Modell zu formen. Der Vorteil dieses Verfahrens gegenüber anderen ist die Druckqualität. Prototyp-Kunststoffteile, die auf diese Weise gefertigt werden, sind oft funktionaler und weisen eine höhere Auflösung sowie größere Haltbarkeit und Flexibilität auf. Das mit SLS-Technologie am häufigsten verwendete Material ist Nylon (PA 11 oder PA 12).

Was sind die Vor- & Nachteile traditioneller Methoden für 3D-gedruckte Kunststoffprototypen?

Vorteile:

• Schnelle Produktion
• Direktes Hochladen von CAD-Dateien in die 3D-Druckersoftware möglich
• Iterationen innerhalb eines verkürzten Zeitrahmens angepasst
• Kosteneffektiv

Nachteile:

• Das Teil kann nicht für funktionale Tests verwendet werden
• Begrenzte Bauteilgröße
• Das Teil kann schwach und spröde sein
• Einschränkungen hinsichtlich der verwendbaren Materialarten
• Materialschrumpfung/-kontraktion kann beim 3D-Druck nicht festgestellt werden

CNC-Bearbeitung

CNC-Bearbeitung ist eine weitere, relativ schnelle und kostengünstige Methode zur Herstellung funktionaler Kunststoffprototypen, wenn eine größere Anzahl benötigt wird (kleine Stückzahlen sind in der Regel zu teuer). Bei dieser Technik werden verschiedene, unterschiedlich große Werkzeuge eingesetzt, um aus einem festen Materialblock ein 3D-Modell herauszuarbeiten. Im Vergleich zum 3D-Druck bietet die CNC-Bearbeitung Vorteile wie Gewinde und Hinterschneidungen, enge Toleranzen, geringere Größenbeschränkungen und mehr Oberflächenoptionen. Die Durchlaufzeiten für CNC-gefertigte Prototypen hängen von der Komplexität des Modells und dem benötigten Fertigungsdienst ab.

Zu den bei der CNC-Bearbeitung eingesetzten Materialien gehören unter anderem ABS, PC, PP, POM, PMMA (Acryl), HDPE, Teflon und PEEK.

Was sind die Vor- & Nachteile von CNC-gefertigten Kunststoff-Prototypen?

Vorteile:

• Passform, Form und Funktion von Prototypen testen, ohne ein Spritzgusswerkzeug herstellen zu müssen
• Bietet im Vergleich zu 3D-Prototypen ein höheres Potenzial für enge Toleranzen, Hinterschneidungen und Gewinde
• Ermöglicht verschiedene Oberflächenbearbeitungen am Prototyp, einschließlich Polieren, Lackieren, Pulverbeschichten und mehr
• Ermöglicht je nach Komplexität des Kunststoffmodells potenziell schnelle Lieferzeiten
• Der Prototyp weist mechanische Eigenschaften auf, die denen eines serienmäßig gespritzten Teils näherkommen

Nachteile:

• Kosten – Die Bearbeitung erfordert große Maschinen mit erheblichem Stromverbrauch und mehr menschliche Überwachung als 3D-Drucker
• Für Teile mit komplexer Geometrie kann die CNC-Bearbeitung einschränkend sein und alternative Prototyping-Formen erfordern, die nicht durch die Winkel der Schneidwerkzeuge begrenzt sind
• Es entstehen mehr Abfallmaterialien als bei anderen Verfahren. Da die CNC-Bearbeitung ein subtraktives Verfahren ist, wird mehr Material benötigt als im fertigen Teil enthalten ist. Das überschüssige Material wird abgetragen und endet als Metall- oder Kunststoffspäne, die entsorgt werden müssen – anders als beim additiven Prototyping

Rapid-Prototypen mit Aluminiumformen

Die Verwendung von Aluminium für Werkzeuge kann bei niedrigen Spritzgussstückzahlen kosteneffizient sein. Obwohl es schneller als Stahl gefertigt wird, gibt es in der Regel Einschränkungen in Bezug auf Designmerkmale, Material und Qualität.

Aluminium lässt sich leicht bearbeiten und hat eine schnelle Abkühlrate, was reduzierte Zykluszeiten und niedrigere Kosten auf OEM-Ebene ermöglicht. Die Teilefertigung für schnelles Prototyping kann nahezu unmittelbar beginnen, sobald die Aluminiumform fertig ist.

Im Vergleich zum 3D-Druck werden Rapid-Prototypen aus Aluminium-Spritzguss zudem präziser und stabiler gefertigt. Allerdings stimmen Design und Entwicklung dieser Teile nicht immer mit den Anforderungen für eine Überführung in die Serienproduktion überein. Aufgrund beschränkter nachträglicher Änderungsmöglichkeiten kann ein Wechsel auf ein anderes Verfahren zeit- und kostenintensiv sein. Daher eignet sich Rapid-Spritzguss am besten für frühe Prototypenphasen, birgt aber später Risiken, wenn funktionsfähige Teile benötigt werden.

Was sind die Vor- & Nachteile von Aluminium-gussgefertigten Kunststoff-Prototypen?

Vorteile:

• Stahl ist ein guter Wärmeleiter – das bedeutet, er erhitzt und kühlt besonders schnell ab, was ideal für das Spritzgießen ist
• Durch die schnelle Abkühlung können mehr Zyklen in kürzerer Zeit durchgeführt werden, was eine schnellere Produktion als bei additiven Prototypen ermöglicht
• Geringere Werkzeugkosten im Vergleich zu Stahl
• Funktionstests sind möglich, aber eingeschränkt

Nachteile:

• Einschränkungen bei Prototypen mit speziellen Oberflächen
• Nicht so stark wie Stahl, und die Lebensdauer hängt von der Formtemperatur, der Anzahl der Zyklen und der Teilekomplexität ab
• Merkmale können aufgrund von Prozessbeschränkungen im Teil ausgelassen werden
• Einige Einschränkungen hinsichtlich der verwendbaren Materialtypen sowie hinsichtlich der Oberflächenstruktur
• Minimale ingenieurtechnische Unterstützung

Serienfertigungs-Prototypen

Die meisten Hersteller von Produkten wünschen sich ein Kunststoffprototyp-Teil, das in Bezug auf die Performance validiert werden kann und die gleichen Eigenschaften wie das beabsichtigte finale Serienteil widerspiegelt. Wenn die Komponente vor der Produkteinführung getestet wird, sollte auch die gewünschte Oberflächenbeschaffenheit des Serienteils in den Prototyp übernommen werden.

Serienfertigungs-Prototypen, die mit Formen aus Stahl gefertigt werden, gelten als Vorserienwerkzeuge, die maßlich präzise sind, alle Teildetails enthalten und kein Entgraten oder andere Nachbearbeitungen erfordern. Konstruktionsänderungen können am Werkzeug vorgenommen werden, um Anpassungen oder Optimierungen zu ermöglichen. Beim Spritzgießen sollte das Teil in allen Bereichen gleichmäßig fest sein und die Materialstruktur durchgehend konsistent. Zusätzlich sind die Möglichkeiten für Materialoberflächen in den meisten Schichtbau-Rapid-Prototyping-Szenarien (3D-Druck) begrenzt.

Wenn Ihr Teil eine spezielle Oberfläche benötigt, die die Funktionalität im Endgebrauch unterstützt, erhöhen sich die Auswahlmöglichkeiten für die Oberflächenbehandlung erheblich, und das Design wird beim Spritzguss-Prototypprozess nicht beeinträchtigt.

Nach Abschluss der Prototypenherstellung und der finalen Konstruktion ist das Werkzeug bereit für die Produktion, wodurch die Zeit für den Beginn des Werkzeugbaus und der Qualifizierung eingespart wird. Historisch gesehen waren die Lieferzeiten für Serienfertigungs-Prototypen deutlich länger als bei anderen Rapid-Prototyping-Methoden.

Jüngste Entwicklungen in der Technologie und beim Werkzeugprozess ermöglichen es Herstellern, ihre Konzepte in einem stark beschleunigten Zeitrahmen zu realisieren. Wenn ein fortschrittlicher Spritzguss-Partner die neuesten Fortschritte im 3D-Druck nutzt, um zeitliche Vorteile gegenüber herkömmlichen Prototypentests zu gewinnen, stimmen alle Aspekte des Prototypenprozesses für optimalste Ergebnisse überein.

Was sind die Vor- & Nachteile von seriennahen Kunststoffprototypen?

Vorteile:

• Ermöglicht eine schnelle und kostengünstige Überprüfung von Produktkonzepten, ohne die Qualität zu beeinträchtigen
• Ein produktionsorientierter Ansatz wird über den gesamten Konstruktions- und Entwicklungsprozess verfolgt
• Materialschrumpfung/-kontraktion kann während der Konstruktion eingeplant und in der Entwicklung überprüft werden
• Größte Materialauswahl, einschließlich abrasiver/gefüllter Materialien
• Am besten geeignet für Branchen, die umfangreiche Tests und Zertifizierungen benötigen, wie z. B. die medizinische Produktindustrie
• Schutz des geistigen Eigentums sowie die Möglichkeit, aus dem Konstruktions- und Entwicklungsprozess zu lernen

Nachteile:

• Seriennahe Prototypen verwenden einen Prozess und eine Form, die in der Regel komplex und präzise sind – oft direkt vor Beginn der Serienproduktion
• Geringe Fehlertoleranz
• Häufig sind die Kosten anfangs höher, aber der Wert ist langfristig deutlich größer, insbesondere unter Berücksichtigung von Qualität, Funktion, gewonnenen Erkenntnissen im Prozess und der Geschwindigkeit zur Serienproduktion

Unterschiede in der Qualität von Kunststoffprototypen

Letztendlich liegt der Hauptunterschied zwischen einem Rapid-Prototyp und einem seriennahen Prototyp in der Qualität des Werkzeugs. Seriennahe Prototypen werden mit Stahlformen hergestellt, während Rapid-Prototypen alternative Methoden, meist das additive 3D-Druckverfahren oder Aluminium, verwenden.

Der Einsatz von Stahl in seriennahen Prototypen und die Integration von Serienwerkzeug-Merkmalen im Werkzeug gibt Ingenieuren die Möglichkeit, das endgültige Design samt Materialauswahl vor Aufnahme der Großserienfertigung im Praxistest zu prüfen. Diese Methode führt zu Kosteneinsparungen und Effizienzsteigerungen, da sie das Risiko reduziert, nach der Fertigung von Millionen von Teilen Fehler im Design zu entdecken.

Wenige Technologien haben die Produktentwicklung so beeinflusst wie 3D-Druck, Rapid Prototyping und seriennahe Prototypen. Weltweit entdecken Unternehmen immer neue kreative Anwendungen dieser Technologien, um Produktkomponenten zu validieren, die Funktion im Endgebrauch zu prüfen und die Markteinführung zu beschleunigen. Während sich diese Technologien weiterentwickeln, wird die Kunststoff-Prototypenherstellung noch effizienter werden und sich weiter in Branchen ausbreiten, die in der Vergangenheit noch gezögert haben. Das Wachstum neuer Märkte und Industrien wird die Rolle der Kunststoff-Prototypenherstellung neu definieren und die Zukunft der Produktfertigung maßgeblich beeinflussen.

Wann benötigen OEMs Produktionsqualitäts-Prototypen?

Es gibt mehrere Gründe, warum ein OEM Prototypen in Produktionsqualität benötigt. In vielen Fällen werden Prototypen verwendet, um die Designabsicht und den Konzeptnachweis für eine Komponente oder ein Produkt zu validieren, bevor es in die Massenproduktion geht. Dies kann helfen, potenzielle Konstruktionsprobleme zu identifizieren und sicherzustellen, dass die Komponente oder das Produkt alle erforderlichen Sicherheits- und Leistungsstandards erfüllt.

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

• Das Produkt soll in großen Stückzahlen massenproduziert werden. In diesem Fall ist es entscheidend, sicherzustellen, dass das Design für Fertigung und Technik optimiert ist, damit das Produkt wie gewünscht mit seinen Produktionsmaterialien funktioniert.
• Sie müssen vor der Massenproduktion Verbraucherforschung betreiben. Sie sollten Prototypen in Produktionsqualität mittels Spritzguss fertigen, um so nah wie möglich am Endprodukt zu sein. Die Produktion von mehreren hundert Spritzguss-Prototypen ermöglicht einen sehr genauen Verbrauchertest und bietet die Möglichkeit, basierend auf den Rückmeldungen Anpassungen vorzunehmen, bevor in Serie gefertigt wird.
• Ihr Produkt erfordert umfassende Tests, bevor es auf den Markt kommt. In diesem Fall möchten Sie einen Prototyp testen, der dem endgültigen Bauteil möglichst nahe kommt. Die Materialien und das Produktionsverfahren sollten identisch sein, und wenn das Produkt komplex ist, ist es von Vorteil, den Prozess nachzuahmen und alle Abläufe genau abzustimmen.
• Der Automatisierungs- und Montageprozess aller Komponenten sollte getestet werden, bevor mit der Vollproduktion begonnen wird. Wenn die Automatisierung nach falschen Vorgaben gebaut wird, müssen Fördersysteme angepasst werden. Diese Systeme sind kostspielig und müssen unter Umständen an die endgültigen Spezifikationen jeder Produktkomponente angepasst werden.
• Sie möchten Ihren Wiederverkäufern/Distributoren ein fertiges Produkt präsentieren. Kunden treffen ihre Kaufentscheidung oft nicht allein auf Basis einer Skizze oder einer unausgereiften Idee, daher hilft der bewährte Prototyp, die Validität Ihres Produkts zu belegen und den Verkauf zu festigen.

Der Konzept- oder Designnachweis ist ein bedeutender Faktor bei jeder Art des Prototypings. Historisch gesehen haben Rapid-Prototyping-Methoden, wie z. B. 3D-Druck, geholfen, die Größe und Form einer Komponente oder eines Geräts zu visualisieren; herkömmliche Methoden reichen jedoch oft nicht aus, wenn es darum geht zu zeigen, ob ein Designkonzept tatsächlich wie erwartet funktioniert. Wird das vorgesehene Material allen möglichen Umgebungseinflüssen und Bedingungen standhalten? Passt das gewählte Design optisch zum Erscheinungsbild des Produkts? Es sollten alle Aspekte von der Funktionalität bis zur Ästhetik berücksichtigt werden.

Welche Schritte sind notwendig, um einen Prototyp aus Kunststoff in Produktionsqualität zu erstellen?

Die Entwicklung von Prototypen nach dem Trial-and-Error-Prinzip (ein Teil wird für den Prototypenbau verschickt, analysiert, angepasst und erneut gefertigt) ist riskant. Der Prozess kann mühsam und teuer sein und führt wahrscheinlich zu einer langsameren Markteinführung. Wenn qualifizierte Ingenieure oder Produktdesign-Berater in jeden Schritt eingebunden sind, können sie den Materialverbrauch, die Produktionszeit und die mit der Prototypenerstellung und Entwicklung verbundenen Kosten senken.

Sehen wir uns die Schritte zur Erstellung eines Kunststoffprototyps in Produktionsqualität an:

1. Führen Sie eine CAD-Überprüfung (Computer Aided Design) mit einer detaillierten Bedarfsanalyse durch.

Überlegen Sie ganz konkret, wie die Kunststoffkomponente funktionieren muss. Die Bedeutung dieses Schritts kann nicht genug betont werden, denn wenn ein fehlerhaftes Produktdesign für die Fertigung freigegeben wird und teure Werkzeuge entwickelt werden, sind nach Erkenntnis der Fehler garantiert Geldverlust und Verzögerungen bei der Markteinführung. Fragen, die in diesem Prozess berücksichtigt werden sollten, sind zum Beispiel:

• Wird das Teil extremen Temperaturen ausgesetzt? Falls ja, muss das Material geändert werden.
• Mit welchen Chemikalien – falls überhaupt – kommt das Teil in Kontakt?
• Handelt es sich beim Teil um eine sichtbare Anwendung oder eine interne Komponente?
• Welche Eigenschaften soll das Teil haben? Flexibel? Robust? Schmierfähig?
• Abgesehen von Temperaturschwankungen: Mit welchen weiteren Einflüssen könnte das Teil in Kontakt kommen?
• Gibt es Dichtflächen an dem Teil?

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

Eine Zusammenarbeit mit einem Spritzguss-Partner mit ausgeprägten DFM-Kompetenzen ist entscheidend, um sicherzustellen, dass jedes Detail berücksichtigt wird – einschließlich der Auswahl des Anspritzpunkts, Nebenformbewegungen, Kühlüberlegungen, essentieller Bauteilmerkmale und vieles mehr.

3. Die CAD-Überprüfung, Bedarfsanalyse und umfassende DFM-Implementierung bestimmen, welche Werkzeugverfahren für den Prototypenbau verwendet werden können.

Fertigungsingenieure nutzen die Möglichkeiten moderner CAD-Software, um die richtigen Formen für den Prototypenbau auszuwählen – und anschließend für die Serienproduktion.

Einige CAD-Programme, wie zum Beispiel Solidworks, bieten Analysen zur Formsimulation an. Die Technologie kann potenzielle Fehlerquellen untersuchen, Bereiche mit hoher Belastung identifizieren, die zu Konstruktionsfehlern führen könnten, und prüfen, wie ein Teil unter den erwarteten Belastungen funktioniert. Die Optimierung des Bauteildesigns ohne physische Prototypen ermöglicht es, schnell und kostengünstig durch die frühe Entwurfsphase zu kommen.

Rapid-Tooling-Prozesse nutzen CAD-Methoden und Testergebnisse, um Formen und Werkzeuge für Kleinserien, Produktbewertungen und die Serienproduktion zu erstellen. Die Entwicklungszyklen werden dadurch erheblich verkürzt und sind kosteneffizienter.

4. Das Fertigen eines Prototyps in Produktionsqualität kann schnell erfolgen, wenn der Spritzgieß-Partner über einen standardisierten Formenpark sowie Zugang und Erfahrung im Einsatz von 3D-Druck für Metall- oder Stahlformen verfügt.

Viele Hersteller von Rapid-Prototypen überlegen: Wie bekommen wir das besonders schnell hin? – während Spritzgießer, die Prototypen in Produktionsqualität fertigen, oft zuerst bewerten, wie kann die höchste Leistung erzielt werden?

Es gibt neue Methoden des Rapid Prototyping, mit denen Werkzeuge von Grund auf gefertigt werden können – sogar aus Hochtemperaturharzen, die den Bedingungen des Spritzguss-Prozesses standhalten. Mehr dazu weiter unten.

Wie lange dauert die Herstellung eines Prototyps in Produktionsqualität?

Die Dauer eines Prototyping-Prozesses hängt von der Art der Komponente und ihrer späteren Verwendung ab. Beispielsweise können Anwendungen in den Bereichen Sanitär, Haushaltsgeräte oder Filtration 12 bis 16 Wochen in Anspruch nehmen, um die Verträglichkeit mit Wasser zu testen. Es ist zwingend erforderlich zu verstehen, ob eine Degradation des Kunststoffs stattfindet, wenn dieser wiederholt Elementen wie Wasser ausgesetzt ist. Kleine Motoren, Geräte für Garten- und Landschaftsbau, Automobilindustrie und mehr müssen die Materialverträglichkeit mit Öl- und Benzinkontakt überprüfen. Diese Faktoren bestimmen den Zeitplan für die Herstellung eines spritzgegossenen oder produktionsreifen Prototyps.

Im Idealfall sollte ein Prototyping-Prozess nur etwa ein bis zwei Monate dauern, wobei einige aktuelle Entwicklungen im Prozess den Zeitraum auf unter 72 Stunden verkürzt haben.

Die Erstellung eines ersten Prototyps sowie einer CAD-Zeichnung für die Entwicklungsingenieure ist eine effiziente Möglichkeit, möglichst schnell durch den Prozess zu gelangen. Dies gibt den Ingenieuren ein klares Bild davon, wie Ihre Komponente aussehen und wie sie funktionieren soll.

Hier sind einige ungefähre Zeitrahmen für die Entwicklung von Kunststoffprototypen, die Sie berücksichtigen sollten:

Warum spielt Prototyping eine entscheidende Rolle im Spritzgussprozess?

Bevor ein einzelnes Kunststoffteil, geschweige denn Tausende oder Millionen davon gefertigt werden, müssen vor allem die technischen und gestalterischen Aspekte des Bauteils sorgfältig bewertet werden. Das Design sollte technisch einwandfrei, hochfunktional und optisch passend zum Produkt gestaltet sein.

Heutzutage ist es unerlässlich, diese drei wichtigen Komponenten zu vereinen und gleichzeitig eine effiziente und konstante Produktion zu erreichen. Von der Konstruktion bis zur Funktion sollten OEMs, die Wert auf die Lieferung hochwertiger Produkte legen, die Vorteile der Prototypenherstellung im Spritzgussverfahren sorgfältig abwägen.

Zu den wichtigen Aufgaben des Prototypings gehören:

Integration wissenschaftlicher Spritzgießtechniken wie Formsimulationen

Das Nachbauen oder Anpassen von Werkzeugen ist ein kostspieliger und zeitaufwändiger Prozess. Beginnt die Produktion mit einem nicht getesteten Design, entstehen oft große Herausforderungen. Formsimulationen können Risiken reduzieren, wie oben erwähnt, und sollten vor der Prototypenfertigung abgeschlossen sein.

Verringerung der Time-to-Market und Steigerung des ROI

Prototyping ist eine Investition, und es ist selten, dass ein Kunststoffbauteil beim ersten Anlauf ohne den vollständigen Prozess perfekt wird. Nachbesserungen und die Entwicklung weiterer Iterationen können extrem teuer werden.

Nach der Herstellung eines nicht für die Serienproduktion gedachten Prototyps können Sie kleine Ineffizienzen im Design entdecken, die Ihr Echtzeitprodukt schwach, minderwertig oder ineffizient machen könnten.

Wenn Sie bereits Hunderte oder sogar Tausende Produkte produziert haben und dann Fehler feststellen, wissen Sie, wie kostenintensiv es sein kann, eine komplette Produktionscharge einzustampfen oder sogar einen Rückruf durchzuführen. Werden Probleme vor Produktionsstart nicht erkannt, gehen durch Werkzeuganpassungen Zeit und Geld verloren.

Welche Rolle spielt DFM im Prozess des Kunststoff-Spritzgussprototyps?

DFM spielt eine entscheidende Rolle bei der Erstellung von Prototypen in Produktionsqualität, indem es eine Designvalidierung vor Beginn der Werkzeugherstellung sicherstellt.

DFM beinhaltet die Entwicklung eines Produkts, das die Fertigungseffizienz für die eingesetzten Maschinen und/oder Prozesse optimiert, um die niedrigstmöglichen Stückkosten bei höchstmöglicher Qualität zu erreichen. Der wichtigste Grund für die Integration von DFM in die Herstellung von Kunststoffkomponenten ist, dass rund 70 % der Produktionskosten durch Designentscheidungen festgelegt werden.

Erfahren Sie mehr darüber, wie DFM im umfassenden Spritzgussprozess eingebunden ist, in unserem Leitfaden: DFM im Kunststoffspritzguss

Die Rolle der Technologie in der Entwicklung von Kunststoffprototypen

Technologie ist ein wichtiger Faktor bei DFM, wenn Sie mit einem Spritzgießer zusammenarbeiten, der sich auf wissenschaftliche Spritzgießmethoden konzentriert. Der Einsatz von Simulationstools wie dem SOLIDWORKS® Plastics Premium-Softwarepaket und deren Umsetzung mit Robotik und Prozesskontrollsystemen wie RJG eDart® ermöglichen vorausschauende Analysen, Prozessvalidierung und vollständige Prozessdokumentation.

Der Einsatz und die Integration von Technologien zur Unterstützung des DFM-Prozesses im Kunststoffspritzguss setzt Kommunikation und Zusammenarbeit zwischen OEMs, Entwicklungsingenieuren und Werkzeugmachern aus verschiedenen Disziplinen voraus.

Ein weiterer Grund für die Auswahl eines Werkzeugmachers, der DFM-Prinzipien anwendet, ist die zunehmende Komplexität von Kunststoffspritzgussteilen. Aspekte wie Toleranz, Ausformschrägen, Hinterschneidungen und mehr müssen bereits in der Entwurfsphase berücksichtigt werden, um die Qualitäts- und Kostenanforderungen des Kunden zu erfüllen. Weitere Informationen zu diesen Designelementen finden Sie unten.

Welche Designelemente sind während des Kunststoffprototypen-Prozesses besonders zu berücksichtigen?

Wenn Sie den DFM-Prozess für einen Prototypen in Produktionsqualität starten, bieten Designstandards eine Richtlinie, um ein wirkliches Verständnis dafür zu entwickeln, was benötigt wird, um ein erfolgreich spritzgegossenes Teil herzustellen. Sie sorgen für Effizienz im gesamten Entwicklungsprozess auf vielfältige Weise. Hier sind einige Designvariablen, die beachtet werden sollten und maßgeblich dazu beitragen, Produktionszeit und -kosten zu senken.

Komplexität berücksichtigen

Wenn Ihr Kunststoffbauteil viele Variablen aufweist, sollte Ihr Prototyping-Partner Hinweise dazu geben, was entfernt oder geändert werden kann. Erfahrene Ingenieure mit Prototypen- und Produktionserfahrung können bei diesen Entscheidungen unterstützen und den effizientesten Projektumfang bestimmen.

Seitliche Auswerfer vermeiden

In der Konzeptphase (bei der Festlegung der Geometrie Ihres Teils) ist nicht immer klar, ob eine Form eine seitliche Auswerferbewegung benötigt. Ist dies erforderlich, kann dieser zusätzliche Faktor den Abschlusszeitpunkt und die Kosten beeinflussen.

Eine seitliche Auswerferbewegung erhöht nicht nur die Komplexität des Werkzeugs, sondern erfordert auch Zeit und Fachwissen für deren ordnungsgemäße Funktion. Wenn ein Teil so gestaltet werden kann, dass kein seitlicher Auswerfer nötig ist und die Funktion erhalten bleibt, ist dies der Idealzustand.

Abgerundete Ecken implementieren

Scharfe Kanten im Prototypendesign werden durch Radien vermieden, die die Spannungen verteilen und einen gleichmäßigeren Fluss der Kunststoffschmelze ermöglichen. Während des Spritzgießens passt sich der heiße Kunststoff an Bögen und Ecken an. Abgerundete Ecken verbessern den Fluss, während scharfe Innenkanten zu eingebrachten Spannungen führen können. Dies geschieht insbesondere während des Abkühlprozesses, wenn das Oberteil zu schrumpfen versucht und das Material gegen die Ecken arbeitet. Das Arbeiten mit erfahrenen Ingenieuren zur Identifikation möglicher Verbesserungen im Design führt zu stärkeren und formstabileren Teilen, die Nachverzug besser widerstehen.

Fügen Sie Ihrem CAD-Modell Ausformschrägen hinzu.

Die Ausformschräge bezeichnet jene Winkel im Design Ihres Teils, die das Entformen aus der Form unterstützen. Die benötigte Schräge variiert je nach Materialdicke und Oberflächenstruktur.

Hier sind einige allgemeine Richtlinien für Ausformschrägen:

• So viel Ausformschräge wie möglich: 1-5 Grad am Bauteil
• Richten Sie die Schräge in Zugrichtung der Entformung aus
• Erhöhen Sie die Schräge bei Texturen: 2-3 Grad oder 3-5 Grad bei tiefer Textur

Hinterschneidungen so weit wie möglich vermeiden.

Eine Hinterschneidung ist ein rückgestellter Bereich, der das Auswerfen eines Teils aus einer Form verhindert und die Werkzeuggestaltung erschwert. Die Reduzierung oder Eliminierung von Hinterschneidungen vereinfacht den Werkzeugbau erheblich. Erfahrene Entwicklungsingenieure können Ihnen alternative Lösungen aufzeigen.

Materialdicke einschätzen

Die Wandstärke ist eine der entscheidenden Größen im Teil-Design. Sie wirkt sich auf Leistung, Optik, Formbarkeit, Kosten und mehr aus. Dünnere Wände reduzieren Materialeinsatz sowie Zykluszeit. Während die Minimierung des Materialverbrauchs wichtig ist, muss die ideale Wandstärke zwischen Festigkeit und Gewicht des Materials abgewogen werden.

Welche Kunststoffe/Harze eignen sich am besten für Kunststoffprototypen?

Die frühzeitige Abstimmung mit Ihrem Spritzguss-Partner zur Auswahl des besten Harzes in der DFM- und Prototypenentwicklungsphase ist entscheidend für den späteren Produktionserfolg Ihres Bauteils.

Die Materialwahl beeinflusst Festigkeit und Flexibilität Ihres spritzgegossenen Bauteils. Ein frühzeitiges Berücksichtigen spezifischer Anforderungen hilft, kostspielige Änderungen zu vermeiden. Dies gelingt durch das Verständnis der wichtigsten Unterschiede einiger der am häufigsten verwendeten Harze.

ABS (Acrylnitril-Butadien-Styrol)

Eigenschaften:

• Robust und schlagfest
• Leicht zu bearbeiten und erfüllt verschiedenste ästhetische Anforderungen
• Nicht ideal für Anwendungen mit starker Hitzeeinwirkung
• Attraktives Preisniveau

Polycarbonate

Eigenschaften:

• Leicht zu verarbeiten und erhöht oft die Bruchsicherheit
• Natürliche Transparenz und ideal für hochfeste, glasähnliche Anwendungen (Schutzbrillen, medizinische Laboranwendungen usw.)
• Nicht geeignet, wenn hohe Flexibilität oder Ästhetik in Farben gefragt ist

Glasfaserverstärktes Nylon

Eigenschaften:

• Verstärkter Thermoplast, bei dem dem Grundpolyamid Glasfasern für zusätzliche Festigkeit und Hitzebeständigkeit beigegeben sind
• Stromisolierender als viele andere Materialien
• Trotz hohem Schmelzpunkt brennt es leichter als andere Materialien

Polypropylen

Eigenschaften:

• Flexibler Thermoplast geeignet für Industrie- und Konsumeranwendungen
• Bekannt als biegsames Harz, das vielfältig modifiziert werden kann, ohne seine ursprüngliche Form zu verlieren
• Bietet Widerstandsfähigkeit gegen Lösungsmittel, Chemikalien und UV-Strahlen

Acetal

Eigenschaften:

• Bietet hohe Verschleißfestigkeit und ist sehr steif
• Lässt sich im Spritzgussprozess gut einfärben
• Bietet keine ausgezeichnete Hitzebeständigkeit

Rosti ist bekannt für seine Kompetenz in Materialauswahl, Beschaffung und Verarbeitung von Hochtemperatur- und Spezialharzen.

Wenn Sie mehr über die besten Materialien für die Entwicklung komplexer Kunststoffteile erfahren möchten, lesen Sie den High-Temperature Plastic Guide von Rosti.

Wie unterstützt das Digital Innovation Lab von Rosti eine schnelle Herstellung von Produktionsprototypen?

Auf dieser Seite haben Sie viele Aspekte der Entwicklung von Prototypen in Produktionsqualität sowie die erheblichen Fortschritte bei Technologie und Bauteiloptimierung in den letzten Jahren kennengelernt. Durch Entwicklungen im 3D-Druck, optimierte Werkzeuge für kleine Stückzahlen und neueste Materialwissenschaft können Präzisionsteile innerhalb immer kürzerer Zeitspannen entwickelt, gefertigt und ausgeliefert werden. Rosti verpflichtet sich, diese Prozesse zu beschleunigen, um Stillstandszeiten in Produktionszyklen zu minimieren, die Produktentwicklung zu beschleunigen und den Markteintritt schneller zu ermöglichen.

Rosti nimmt diese Aufgabe und den Mehrwert für seine Kunden so ernst, dass mehr als 1,3 Millionen US-Dollar in ein neues Innovation Lab in Asien am chinesischen Standort investiert wurden, und kürzlich ein weiteres Innovation Lab in Europa mit einer zweiten Investition von 1,3 Millionen US-Dollar eingerichtet wurde.

So funktioniert der 72-Stunden-von-der-Idee-zur-Realität-Prozess im Digital Innovation Lab von Rosti:

1. Die Ingenieure von Rosti erhalten die 3D-Produktdaten und Spezifikationen eines Kunden, und der Countdown beginnt. Die Anforderungen werden analysiert und Optimierungen für maximale Effizienz und minimale Produktionskosten vorgeschlagen. Die Prototypenfertigung startet.
2. Das Rosti-Team greift zur Entwicklung digitaler Simulationen auf Best Practices und eine umfassende Wissensdatenbank mit Erfahrungswerten aus vergangenen Projekten zurück. Die Analyse der Simulationen ermöglicht Optimierungen nicht nur beim Komponenten-Design, sondern auch bei den Spritzgießparametern wie Anspritzung, Kühlung, Verzug und Zykluszeiten.
3. Die Werkzeugeinsätze und -kerne werden im 3D-Druckverfahren angefertigt. Die Werkzeuge werden aus hochtemperaturbeständigen Harzen gefertigt, die konventionellen Spritzgussbedingungen standhalten.
4. Die spritzgegossenen Teile werden per optischem Laserscan vermessen. Vollständige Messprotokolle sind innerhalb von Minuten verfügbar, um Produktionsabsicht, vorausschauende Analysen und Produktmessungen zu unterstützen.

Innerhalb von drei Tagen nach dem Design-Upload wird das Kunden-Design realitätsnah umgesetzt.

Wie profitieren Kunden in Nordamerika vom Rosti Digital Innovation Lab?

Rosti Nordamerika ist seit jeher bekannt für seine hervorragenden DFM-Prozesse, hochmoderne Einrichtungen und Technologien sowie technische Expertise. Dank der globalen Präsenz und lokalen Fokussierung von Rosti können sich Kunden heute auf kollaborative Lösungen und Fertigungskompetenz in jeder Phase der Entwicklung von Kunststoffkomponenten verlassen – unabhängig vom Standort.

Neben dem weltweiten Zugang zu digitalen Innovationslabors steht den Kunden von Rosti North America ein spezielles Zentrum zur Verfügung, das derzeit am Standort des Unternehmens in Germantown, Wisconsin entwickelt wird.

Dank eines globalen Netzwerks aus Ressourcen und Lieferanten sowie einem der engagiertesten, kompetentesten und weltweit bestvernetzten Teams erhalten Kunden von der Konstruktion bis zum gesamten Produktionszyklus einen erfahrenen Partner an ihrer Seite.