Produktionsreife Kunststoff-Prototypen: Ein umfassender Leitfaden

Was ist ein Kunststoffprototyp?

Ein Kunststoffprototyp ist ein dreidimensionales Abbild eines Produkts oder Objekts, das in der Regel mittels Rapid Prototyping-Technologie hergestellt wird. Er dient dazu, Form, Passgenauigkeit und Funktion eines Designs zu testen, noch bevor es in die Serienproduktion geht. Kunststoffprototypen werden häufig in der Automobil-, Luft- und Raumfahrt-, Sanitär-, Medizin- sowie Konsumgüterelektronikindustrie und vielen weiteren Bereichen eingesetzt.

Prototyping ist ein wertvolles Werkzeug für Produkthersteller, da es hilft, ein zentrales Bauteil eines physischen Produkts zu bewerten, bevor die Großserienfertigung beginnt. Ein Kunststoffprototyp ermöglicht es Produktentwicklern, schnell mit dem physischen Abbild eines Bauteils – oder gleich des gesamten Produkts – zu arbeiten, um die Designabsicht zu validieren.

Dieser Prozess ermöglicht es Konstrukteuren, die entsprechenden Änderungen vorzunehmen, bevor sie zur nächsten Stufe der Produktion der Kunststoffkomponente übergehen und das Produkt schließlich zur Marktreife bringen. Am Ende profitieren Hersteller und Endanwender gleichermaßen.

Weitere Vorteile sind:

• Testet Designeigenschaften
• Überprüft die Designabsicht sowie die Leistung einer Kunststoffkomponente unter den exakten Einsatzbedingungen
• Schafft eine Testgrundlage für die Entwicklung zusätzlicher Funktionen
• Erkennt mögliche Fehler und Unregelmäßigkeiten vor der Massenproduktion
• Ermöglicht eine Optimierung und Effizienzsteigerung des Bauteils

Was sind die wichtigsten Unterschiede bei Kunststoffprototypen?

Ingenieure, Konstrukteure, Modellbauer und Werkzeugmacher fragen sich oft, welche Prototyping-Option für ihre Kunststoffteile die beste ist. Da es im Laufe der Jahre viele Weiterentwicklungen im Prototyping gab, ist es nicht immer einfach zu bestimmen, welcher Prototyp zur Validierung einer Kunststoffkomponente am besten geeignet ist.

Es ist wichtig, die Vor- und Nachteile der verfügbaren Methoden zu kennen, egal ob man ein bestehendes Teil anpasst oder ein neues Design von Grund auf entwickelt. Durch das Abwägen der Stärken und Schwächen verschiedener Optionen für das Prototyping von Kunststoffteilen und durch die Zusammenarbeit mit einem erfahrenen Prototypenpartner kommt man der richtigen Entscheidung einen Schritt näher.

3D-gedruckte Kunststoffprototypen

Additive Fertigung oder 3D-Druck umfasst verschiedene Fertigungstechnologien. Sie ist eine der innovativen Methoden im Zuge der cyber-physischen Transformation der Produktion. Obwohl 3D-Druck als Überbegriff verwendet wird, gibt es drei am weitesten verbreitete Methoden zur Herstellung von Prototypen aus Kunststoff mittels 3D-Druck:

Fused Deposit Modeling (FDM)

FDM-3D-Druck ist im Bereich Kunststoffprototypen die beliebteste Variante. Hierbei wird das Material im Extrusionsverfahren schichtweise aufgetragen, bis das Objekt entsteht. Industrielle FDM-3D-Drucker können Kunststoffprototypen mit hoher Auflösung und hoher Festigkeit herstellen. Je nach verwendetem Material können industrielle FDM-Drucker Prototypen mit noch höherer Festigkeit und Auflösung fertigen. Diese Methode ist sehr vielseitig und kann mit verschiedenen Materialien wie PLA, ABS, Nylon, PETG, Polycarbonat und anderen eingesetzt werden.

Stereolithografie (SLA)

Beim SLA-3D-Druck werden Forsharzmaterialien verwendet, um Prototypenteile aus Kunststoff mithilfe eines leistungsstarken Lasers zu erzeugen, der mit Harz ein Modell aushärtet. Eine SLA-3D-Druckmaschine nutzt eine Lichtquelle (Laser oder Projektor), um flüssiges Harz in festen Kunststoff zu härten. Der zentrale Unterschied zwischen verschiedenen SLA-Druckern liegt in der Konfiguration der Kernkomponenten wie Lichtquelle, Bauplattform und Harztank. Wenn SLA-Harze bestimmten Lichtwellenlängen ausgesetzt werden, verbinden sich kurze Molekülketten und polymerisieren Monomere und Oligomere zu festen, starren oder flexiblen Geometrien. Dieses Verfahren wird besonders im Prototypenbau, etwa für Medizin, Zahnmedizin und Konsumgüter, eingesetzt.

Selektives Lasersintern (SLS)

Ähnlich wie beim SLA kommt bei der SLS-Technologie ein Hochleistungslaser zum Einsatz. Unterschiedlich ist jedoch, dass hier pulverförmige Materialien verschmolzen werden, um ein 3D-Modell aufzubauen. Der Vorteil dieses Verfahrens gegenüber anderen Methoden ist die Druckqualität: Prototypen aus Kunststoff, die in diesem Verfahren entstehen, sind meist funktioneller, weisen eine höhere Auflösung, größere Haltbarkeit und Flexibilität auf. Am häufigsten wird in der SLS-Technologie Nylon (PA 11 oder PA 12) verwendet.

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

Vorteile:

• Schnelle Fertigung
• Direktes Hochladen von CAD-Dateien in die 3D-Drucksoftware möglich
• Iterationen, die in einem komprimierten Zeitrahmen angepasst werden
• Kosteneffizient

Nachteile:

• Das Teil kann nicht für Funktionstests verwendet werden
• Begrenzte Bauteilgröße
• Das Teil kann schwach und spröde sein
• Beschränkungen hinsichtlich der verwendbaren Materialtypen
• Materialschrumpfung/-kontraktion kann beim 3D-Druck nicht bestimmt werden

CNC-Bearbeitung

CNC-Bearbeitung ist eine weitere relativ schnelle und kosteneffiziente Methode zur Herstellung funktionaler Kunststoffprototypen, insbesondere wenn eine größere Menge an Prototypen benötigt wird (kleine Stückzahlen sind in der Regel zu teuer). Bei dieser Technik wird mit einer Vielzahl unterschiedlich großer Werkzeuge ein 3D-Modell aus einem festen Materialblock herausgearbeitet. Im Vergleich zum 3D-Druck bietet die CNC-Bearbeitung Vorteile in puncto Gewinde und Hinterschneidungen, enge Toleranzen, geringere Größenbeschränkungen und mehr Möglichkeiten bei Oberflächenfinishs. Die Durchlaufzeiten für CNC-Protoypen hängen von der Komplexität des Modells und dem benötigten Fertigungsservice ab.

Zu den Materialien, die in der CNC-Bearbeitungstechnologie verwendet werden, gehören, aber sind nicht beschränkt auf, ABS, PC, PP, POM, PMMA (Acryl), HDPE, Teflon und PEEK.

Was sind die Vor- & Nachteile von CNC-gefertigten Kunststoffprototypen?

Vorteile:

• Test von Passform, Form und Funktion der Kunststoffprototypen, ohne Spritzgusswerkzeuge herstellen zu müssen
• Bietet im Vergleich zu 3D-Prototypen ein deutlich höheres Potenzial für enge Toleranzen, Hinterschneidungen und Gewinde
• Ermöglicht einige Oberflächenbearbeitungen am Prototyp, z. B. Polieren, Lackieren, Pulverbeschichten und mehr
• Abhängig von der Komplexität des Kunststoffmodells kann eine schnelle Fertigung möglich sein
• Der Prototyp weist mechanische Eigenschaften auf, die denen eines in Serie gefertigten Spritzgussteils näherkommen

Nachteile:

• Kosten – Die Bearbeitung erfordert große Maschinen mit erheblichem Energieaufwand und eine höhere menschliche Überwachung als 3D-Drucker
• Für Teile mit komplexen Geometrien kann die CNC-Bearbeitung einschränkend sein und alternative Prototyping-Verfahren erforderlich machen, die nicht durch Schnittwinkel begrenzt sind
• Es fällt mehr Abfallmaterial an 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 die Späne enden als Metall- oder Kunststoffpartikel, die entsorgt werden müssen – das ist beim additiven Prototyping nicht der Fall

Rapid-Prototypen aus Aluminiumformen

Die Verwendung von Aluminium als Werkzeugmaterial kann für den Spritzguss kleiner Mengen kosteneffizient sein. Während es schneller als Stahl gefertigt werden kann, gibt es jedoch in der Regel Einschränkungen bezüglich Designmerkmalen, Material und Qualität.

Aluminium lässt sich leicht bearbeiten und hat eine schnelle Abkühlrate, wodurch die Zykluszeiten und Kosten auf OEM-Ebene reduziert werden. Die Teileproduktion für Rapid Prototyping kann nahezu sofort beginnen, sobald die Aluminiumform bereit ist.

Im Vergleich zum 3D-Druck werden Rapid-Injection-Moulded-Aluminium-Prototypen zudem mit höherer Genauigkeit und Festigkeit produziert. Allerdings passen Design und Entwicklung dieser Teile nicht immer zu den Anforderungen für die Serienfertigung. Aufgrund von Modifikationsbeschränkungen kann es zeitaufwändig und kostspielig werden, wenn nicht auf ein anderes Verfahren ausgewichen wird. Daher eignet sich Rapid Injection Moulding am besten für einen Prototyp in der Frühphase, kann jedoch später Probleme bereiten, wenn funktionale Teile benötigt werden.

Was sind die Vor- & Nachteile von Kunststoffprototypen im Aluminium-Spritzguss?

Vorteile:

• Stahl ist ein hervorragender Wärmeleiter, das heißt, er kühlt und heizt schnell ab – ideal für den Spritzguss
• Durch die schnelle Abkühlung können mehr Zyklen pro Zeit gefahren werden, was eine schnellere Produktion als bei additiven Prototypen ermöglicht
• Weniger kostspielige Werkzeuginvestition als Stahl
• Funktionstests sind möglich, aber eingeschränkt

Nachteile:

• Einschränkungen bei Prototypen mit besonderen Oberflächen
• Nicht so stark wie Stahl und die Lebensdauer hängt von der Formtemperatur, der Anzahl der Zyklen und der Komplexität des Teils ab
• Merkmale können aufgrund von Prozessbeschränkungen im Teil ausgelassen werden
• Gewisse Einschränkungen bezüglich der verwendbaren Materialien sowie der Oberflächentextur
• Wenig technische Unterstützung

Produktionsprototypen

Die meisten Hersteller wünschen sich ein Kunststoffprototyp-Teil, das auf Leistung validiert werden kann und die gleichen Eigenschaften wie das beabsichtigte Endprodukt aufweist. Wird die Komponente vor der Markteinführung in Produkttests eingesetzt, sollte auch die passende Oberfläche des geplanten Endprodukts in den Prototyp eingebracht werden.

Produktionsprototypen, die mit Stahlwerkzeugen hergestellt werden, gelten als Vorserienwerkzeuge, die maßhaltig sind, alle Teildetails enthalten und kein Entgraten oder andere Nachbearbeitungen erfordern. Designänderungen können am Werkzeug vorgenommen werden, um Anpassungen oder Optimierungen zu ermöglichen. Beim Spritzguss sollte das Teil über die gesamte Geometrie hinweg gleichmäßige Festigkeit aufweisen und die Materialstruktur soll durchgehend konsistent sein. Außerdem sind die Möglichkeiten für Materialoberflächen in den meisten additiven Rapid-Prototyping-Szenarien (3D-Druck) begrenzt.

Erfordert Ihr Teil eine spezielle Oberfläche, die die Funktionalität des Endprodukts unterstützt, erhöhen sich die Auswahlmöglichkeiten an Oberflächen deutlich und das Design wird bei der Wahl des spritzgegossenen Prototyp-Prozesses nicht beeinträchtigt.

Nach Abschluss der Prototypenfertigung und Finalisierung des Designs ist das Werkzeug bereit für die Produktion – so entfällt die Zeit zum Start des Werkzeugbaus und der -qualifizierung. Historisch gesehen waren die Vorlaufzeiten für Produktionsprototypen deutlich länger als bei anderen Methoden des Rapid Prototyping.

Neueste Entwicklungen in Technologie und Werkzeugbau haben es Herstellern ermöglicht, ihre Konzepte in einem drastisch verkürzten Zeitrahmen zu realisieren. Nutzt ein fortschrittlicher Spritzguss-Partner die neuesten Fortschritte im 3D-Druck zur Zeitersparnis gegenüber herkömmlichen Prototypentests, greifen alle Aspekte des Prototypprozesses für die bestmöglichen Ergebnisse ineinander.

Was sind die Vor- & Nachteile hochwertiger Kunststoff-Prototypen?

Vorteile:

• Ermöglicht schnelle und kostengünstige Tests von Produktkonzepten ohne Kompromisse bei der Qualität
• Ein Produktionsansatz wird während des gesamten Design- und Entwicklungsprozesses verfolgt
• Materialschrumpfung/-verzug kann im Designprozess eingeplant und während der Entwicklung überprüft werden
• Größte Materialauswahl, einschließlich abrasiver/gefüllter Materialien
• Am besten geeignet für Branchen mit hohem Testbedarf und Zertifizierungen, wie zum Beispiel die Medizintechnik
• Schutz von geistigem Eigentum und die Möglichkeit, aus dem Design- und Entwicklungsprozess zu lernen

Nachteile:

• Produktionsprototypen verwenden in der Regel einen komplexen und präzisen Prozess sowie Formen – oft ist das ein direkter Zwischenschritt vor der Serienproduktion
• Geringe Fehlertoleranz
• Oft sind die Kosten zunächst höher, doch auf lange Sicht überwiegen der Wert und die Vorteile in Bezug auf Qualität, Funktionalität, Erkenntnisse aus dem Prozess und Geschwindigkeit bis zur Serienfertigung

Unterschiede bei der Qualität von Kunststoff-Prototypen

Letztlich besteht der Hauptunterschied zwischen einem Rapid-Prototyp und einem hochwertigen Prototyp in der Qualität des Werkzeugs. Hochwertige Prototypen werden mit Stahlwerkzeugen gefertigt, während Rapid-Prototypen alternative Methoden verwenden – meist das additive 3D-Druckverfahren oder Aluminium.

Durch den Einsatz von Stahl in Produktionsprototypen und die Berücksichtigung von Serienmerkmalen im Werkzeug haben Ingenieure die Möglichkeit, das finale Design und die Materialauswahl vor Beginn der Großserienproduktion zu testen. Dieses Verfahren spart Kosten und steigert die Effizienz, da das Risiko, Fehler erst nach der Herstellung von Millionen Teilen zu entdecken, gesenkt wird.

Kaum eine Technologie hat die Produktentwicklung so beeinflusst wie 3D-Druck, Rapid Prototyping und hochwertige Prototypenfertigung. Weltweit finden Unternehmen immer neue kreative Anwendungsfelder, um mit diesen Technologien Komponenten zu validieren, Funktionen sicherzustellen und die Markteinführung zu beschleunigen. Mit der fortschreitenden Entwicklung dieser Technologien wird das Kunststoff-Prototyping noch effizienter und findet auch in bisher zurückhaltenden Branchen immer mehr Anwendung. Das Wachstum neuer Märkte und Industrien wird die Rolle des Kunststoff-Prototypings neu definieren und die Zukunft der Produktfertigung maßgeblich gestalten.

Wann benötigen OEMs Prototypen in Serienqualität?

Es gibt mehrere Gründe, warum ein OEM Prototypen aus Kunststoff in Serienqualität benötigt. In vielen Fällen werden Prototypen verwendet, um die Designabsicht und den Funktionsnachweis für eine Komponente oder ein Produkt zu validieren, bevor dieses in die Massenproduktion geht. So können potenzielle Designprobleme erkannt und sichergestellt werden, dass die Komponente oder das Produkt alle erforderlichen Sicherheits- und Leistungsstandards erfüllt.

Nachfolgend einige Szenarien, in denen ein OEM einen Prototyp in Serienqualität benötigt:

• Das Produkt soll in großen Mengen in Serie gefertigt werden. In diesem Fall ist es unerlässlich, sicherzustellen, dass das Design für Fertigung und Entwicklung optimiert ist, damit das Produkt aus den Serienmaterialien wie gewünscht funktioniert.
• Sie müssen vor der Massenproduktion eine Verbraucherstudie durchführen. Sie sollten seriennahe spritzgegossene Prototypen herstellen, um dem Endprodukt möglichst nahe zu kommen. Wenn Sie mehrere hundert spritzgegossene Prototypen produzieren, können Sie einen sehr genauen Verbrauchertest durchführen und auf Basis des Feedbacks vor der Serienfertigung noch Änderungen vornehmen.
• Ihr Produkt erfordert vor der Markteinführung umfangreiche Tests. In diesem Fall möchten Sie einen Prototyp testen, der dem finalen Bauteil so nah wie möglich kommt. Materialien und Produktionsverfahren sollten identisch sein, und falls das Produkt komplex ist, ist es vorteilhaft, den Prozess zu simulieren und alle Abläufe zu optimieren.
• Automatisierungs- und Montageprozesse aller Komponenten sollten vor Beginn der Produktion im großen Maßstab getestet werden. Wenn die Automatisierung auf falsche Spezifikationen ausgelegt ist, müssen Zuführsysteme angepasst werden. Diese Systeme sind teuer und müssen eventuell an die finalen Spezifikationen jeder Produktkomponente angepasst werden.
• Sie möchten Ihren Wiederverkäufern/Distributoren ein fertiges Produkt präsentieren. Kunden treffen ihre Kaufentscheidung möglicherweise nicht nur anhand einer Skizze oder einer teilweise ausgearbeiteten Idee. Der prüfbare Prototyp hilft, die Validität Ihres Produkts zu belegen und den Verkauf zu sichern.

Die Machbarkeits- oder Designvalidierung ist ein wesentlicher Faktor für jede Art von Prototyping. Schnelle Prototyping-Methoden wie 3D-Druck haben historisch geholfen, zu zeigen, wie eine Komponente oder Vorrichtung hinsichtlich Größe und Form aussehen könnte. Traditionelle Methoden reichen jedoch oft nicht aus, wenn es darum geht, zu zeigen, ob ein Designkonzept tatsächlich wie gewünscht funktioniert. Hält das vorgesehene Material allen Umwelteinflüssen und Bedingungen stand? Entspricht das gewählte Design optisch dem gewünschten Produktauftritt? Von Funktionalität bis Ästhetik sollte alles berücksichtigt werden.

Welche Schritte sind zur Erstellung eines Kunststoff-Prototyps in Serienqualität nötig?

Prototypen im Trial-and-Error-Verfahren zu entwickeln (also das Teil zum Prototyping zu schicken, zu analysieren, Änderungen vorzunehmen und dann alles zu wiederholen), ist riskant. Der Prozess kann mühsam und kostspielig 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 Prototyping und Entwicklung verbundenen Kosten senken.

Lassen Sie uns die Schritte zur Erstellung eines Kunststoff-Prototyps in Serienqualität betrachten:

1. Durchführung einer CAD-Überprüfung (computerunterstütztes Design) mit detaillierter Bedarfsanalyse.

Überlegen Sie genau, wie die Kunststoffkomponente funktionieren muss. Die Bedeutung dieses Schrittes kann nicht genug betont werden, denn wenn ein fehlerhaftes Produktdesign zur Fertigung freigegeben und teure Werkzeuge entwickelt werden, sind Verluste und Verzögerungen beim Markteintritt garantiert, sobald Probleme erkannt werden. Fragen, die Sie in diesem Prozess berücksichtigen sollten:

• Wird das Teil extremen Temperaturen ausgesetzt? Falls ja, muss das Material entsprechend angepasst werden.
• Mit welchen Chemikalien – falls überhaupt – kommt das Teil in Kontakt?
• Wird das Teil sichtbar verbaut oder handelt es sich um eine interne Komponente?
• Welche Eigenschaften muss das Teil haben? Flexibel? Robust? Geschmiert?
• Abgesehen von Temperaturen, welchen weiteren Einflüssen ist das Teil ausgesetzt?
• Gibt es Dichtflächen am Teil?

2. In diesem Schritt sollten DFM-Protokolle (Design for Manufacturing) eingeführt werden.

Die Zusammenarbeit mit einem Spritzguss-Partner, der über ausgeprägte DFM-Kompetenzen verfügt, ist entscheidend, damit jedes Detail berücksichtigt wird – von der Anschnittauswahl über Nebenbewegungen, Kühlüberlegungen bis hin zu den wesentlichen Merkmalen eines Teils und vielem mehr.

3. Die CAD-Überprüfung, Bedarfsanalyse und konsequente DFM-Umsetzung bestimmen, welche Werkzeugmethoden für den Prototypenbau eingesetzt werden können.

Fertigungsingenieure nutzen die Möglichkeiten moderner CAD-Software, um das richtige Werkzeug für den Prototypenbau auszuwählen und später die Belastungen der Serienproduktion zu bewältigen.

Einige CAD-Programme wie Solidworks verwenden Mold-Simulationsanalysen. Die Technologie kann potenzielle Fehlerquellen identifizieren, mögliche Hochspannungsbereiche ausmachen, die zu einem Designversagen führen könnten, und bewerten, wie sich ein Teil unter den erwarteten Belastungen verhält. Die Optimierung des Komponenten-Designs ohne physischen Prototypen ermöglicht eine schnelle und kosteneffektive Umsetzung der frühen Konstruktionsphase.

Schnelle Werkzeugherstellungsverfahren nutzen CAD-Methoden und Prüfergebnisse, um Formen und Werkzeuge für Kleinserien, Produktbewertungen und die Serienproduktion herzustellen. Die Entwicklungszyklen sind deutlich kürzer und kostengünstiger.

4. Das Werkzeug für einen seriennahen Prototypen kann schnell fertiggestellt werden, wenn der Spritzguss-Partner über einen standardisierten Formenpark verfügt und über Know-how und Zugang zu 3D-Druck für Metall- oder Stahlformen hat.

Viele Anbieter von Rapid Prototyping konzentrieren sich darauf, wie man etwas möglichst schnell herstellen kann – hingegen prüfen Spritzgießer, die Prototypen in Serienqualität fertigen, zuerst, wie die Leistung am besten sichergestellt werden kann.

Es gibt neue Rapid-Prototyping-Verfahren, mit denen heute Werkzeuge von Grund auf aufgebaut werden können – sogar aus Hochtemperatur-Harzen, die konventionellen Spritzgießumgebungen standhalten. Mehr dazu weiter unten.

Wie lange dauert die Herstellung eines Prototyps in Serienqualität?

Die Dauer eines Prototyping-Prozesses hängt von der Art der Komponente und ihrer späteren Verwendung ab. Beispielsweise können Anwendungen in der Sanitärtechnik, bei Haushaltsgeräten oder im Bereich der Filtration 12–16 Wochen in Anspruch nehmen, um die Kompatibilität beim Kontakt mit Wasser zu testen. Es ist unbedingt erforderlich zu verstehen, ob sich das Kunststoffmaterial durch wiederholten Kontakt mit Elementen wie Wasser zersetzt. Kleine Motoren, Garten- und Landschaftsgeräte, die Automobilbranche und weitere Bereiche müssen eventuell die Materialkompatibilität gegenüber Öl und Gas prüfen. Diese Faktoren bestimmen den Zeitrahmen, um einen spritzgegossenen oder produktionsnahen Prototypen herzustellen.

Im Idealfall sollte ein Prototyping-Prozess nur etwa ein bis zwei Monate in Anspruch nehmen, wobei einige aktuelle Fortschritte den Zeitrahmen auf unter 72 Stunden verkürzt haben.

Die Vorbereitung eines ersten Prototyps und einer CAD-Zeichnung für Designingenieure ist eine effiziente Möglichkeit, den Prozess so schnell wie möglich zu durchlaufen. Dies gibt den Ingenieuren ein klares Bild davon, wie Ihre Komponente aussehen und funktionieren soll.

Hier sind einige ungefähre Zeitpläne zur Entwicklung von Kunststoffprototypen, die Sie berücksichtigen sollten:

Warum spielt das Prototyping eine entscheidende Rolle im Spritzgussprozess?

Bevor auch nur eine einzelne Kunststoffkomponente, geschweige denn Tausende oder Millionen davon, hergestellt werden, müssen die technischen und gestalterischen Aspekte des Bauteils sorgfältig geprüft werden. Das Design sollte technisch ausgereift, hochfunktional und optisch am Produkt orientiert sein.

Heutzutage ist es entscheidend, diese drei wesentlichen Komponenten zu kombinieren und gleichzeitig eine effiziente Produktionskonsistenz zu erreichen. Von Design bis hin zu Funktionalität sollten OEMs, die Wert auf erstklassige Produkte legen, die Vorteile der Nutzung von Prototypen im Spritzgussprozess sorgfältig abwägen.

Zu den wichtigsten Funktionen des Prototypings gehören:

Einbindung wissenschaftlicher Spritzgusstechniken wie Formsimulationen

Das Nachbauen oder Anpassen von Werkzeugen ist ein kostenintensiver Prozess, der Zeit und Arbeitskraft erfordert. Wenn Sie mit einem nicht erprobten Design in die Produktion gehen, geraten Sie schnell in eine schwierige Lage. Formsimulationen senken, wie oben erwähnt, das Risiko und sollten abgeschlossen sein, bevor Prototypen gefertigt werden.

Verkürzung der Markteinführungszeit und Erhöhung des ROI

Prototyping ist eine Investition, und es ist selten, dass ein Kunststoffbauteil beim ersten Mal perfekt gelingt, ohne den gesamten Prozess durchlaufen zu haben. Die Wiederholung und das Schaffen einer weiteren Iteration können äußerst kostenintensiv sein.

Nach der Herstellung eines nicht-produktiven Prototyps können kleine Unzulänglichkeiten im Design auftreten, die das Echtzeit-Produkt schwächen, mindere Qualität verursachen oder ineffizient machen.

Wenn Sie bereits Hunderte oder sogar Tausende Produkte produziert haben, bevor Fehler erkannt werden, wissen Sie, wie kostspielig es sein kann, eine komplette Produktionscharge zu verschrotten oder gar eine Rückrufaktion zu veranlassen. Werden Fehler vor Produktionsbeginn nicht erkannt, gehen Zeit und Geld durch notwendige Werkzeuganpassungen verloren.

Welche Rolle spielt DFM im Spritzguss-Prototypenprozess?

DFM spielt eine entscheidende Rolle bei der Herstellung von produktionstauglichen Kunststoffprototypen, indem es die Validierung des Designs vor Beginn der Werkzeugherstellung sicherstellt.

DFM (Design for Manufacturability) bedeutet, ein Produkt so zu gestalten, dass die Fertigungseffizienz der eingesetzten Ausrüstung und/oder des Prozesses maximiert wird, um die niedrigsten Stückkosten bei höchster Qualität zu erreichen. Der wichtigste Grund für die Integration von DFM bei der Fertigung von Kunststoffteilen ist, dass 70 % der Fertigungskosten durch Design-Entscheidungen bestimmt werden.

Erfahren Sie mehr darüber, wie DFM in den umfassenden Spritzgussprozess integriert wird, in unserem Leitfaden: DFM im Kunststoffspritzguss

Die Rolle der Technologie bei der Entwicklung von Kunststoffprototypen

Technologie ist ein wesentliches Element im DFM, insbesondere wenn mit einem Spritzgießer gearbeitet wird, der auf wissenschaftliche Spritzgussverfahren spezialisiert ist. Der Einsatz von Formsimulationssoftware wie SOLIDWORKS® Plastics Premium, kombiniert mit Robotik und Prozessleitsystemen wie dem RJG eDart®, ermöglicht vorausschauende Einblicke, Prozessvalidierung und eine vollständige Prozessdokumentation.

Der Einsatz und die Integration von Technologien zur Unterstützung des DFM-Prozesses im Kunststoffspritzguss erfordern Kommunikation und Zusammenarbeit zwischen OEMs, Designingenieuren und Spritzgießern über verschiedenste Disziplinen hinweg.

Ein weiterer Grund, einen Spritzgießer mit DFM-Kompetenz zu wählen, ist die zunehmende Komplexität von spritzgegossenen Kunststoffteilen. Aspekte wie Toleranzen, Entformungsschrägen, Hinterschnitte und mehr müssen bereits in der Designphase berücksichtigt werden, um die Qualitäts- und Kostenanforderungen der Kunden zu erfüllen. Weitere Informationen hierzu finden Sie unten.

Welche Konstruktionsaspekte sollten Sie beim Kunststoffprototyp-Prozess im Auge behalten?

Wenn Sie mit dem DFM-Prozess für einen produktionstauglichen Prototypen beginnen, bieten Designstandards eine Orientierung, um ein echtes Verständnis dafür zu entwickeln, was nötig ist, um eine erfolgreiche Formgebung zu erreichen. Sie schaffen an vielen Stellen Effizienz im gesamten Entwicklungsprozess. Im Folgenden finden Sie einige Designvariablen, die unbedingt berücksichtigt werden sollten, da sie erheblichen Einfluss auf Produktionszeit und -kosten haben.

Komplexität bedenken

Wenn Ihr Kunststoffbauteil viele Variablen aufweist, sollte Ihr Prototyping-Partner Hinweise geben, was davon eliminiert werden kann. Erfahrene Ingenieure mit Prototyping- und Produktionserfahrung können zu diesen Entscheidungen beitragen und den effizientesten Projektumfang bestimmen.

Seitenbewegungen vermeiden

In der konzeptionellen Designphase (wenn die Geometrie des Teils festgelegt wird), ist oft noch nicht bekannt, ob ein Formwerkzeug eine Seitenbewegung benötigt. Dies kann den Fertigstellungstermin und die Kosten beeinflussen.

Eine Seitenbewegung erhöht nicht nur die Komplexität des Werkzeugs, sondern erfordert auch Zeit und Know-how, um richtig zu funktionieren. Wenn ein Teil so konstruiert werden kann, dass keine Seitenbewegung benötigt wird und trotzdem seine Funktion erfüllt wird, ist dies die beste Lösung.

Abgerundete Ecken einplanen

Das Vermeiden von scharfen Ecken im Prototyping-Design erfolgt durch einen Radius, der die Spannungen verteilt und den Fluss des geschmolzenen Kunststoffs optimiert. Während des Spritzgusses folgt der heiße Kunststoff den Radien und Ecken. Abgerundete Ecken erleichtern den Fluss, wohingegen scharfe Ecken zu eingebauten Spannungen führen – besonders beim Abkühlen, wenn die Oberseite des Teils schrumpft und das Material an den Ecken zieht. Die Zusammenarbeit mit einem erfahrenen Ingenieur zur Ermittlung von Verbesserungsbereichen führt zu stabileren und verformungsbeständigen Bauteilen.

Fügen Sie Ihrem CAD-Modell Entformungsschrägen hinzu.

Entformungsschrägen sind Neigungswinkel im Design, welche die Entnahme aus dem Werkzeug erleichtern. Die erforderliche Schräge ist abhängig von Materialdicke und Oberflächenstruktur.

Hier sind einige allgemeine Richtlinien für Entformungsschrägen:

• Verwenden Sie immer möglichst viel Schräge: 1–5 Grad an Ihrem Bauteil
• Richten Sie die Schräge in Ziehrichtung aus
• Mehr Schräge bei Strukturen: 2–3 Grad oder 3–5 Grad bei tiefer Struktur

Hinterschnitte möglichst vermeiden

Ein Hinterschnitt ist jede rückwärtige Geometrie, die das Entformen eines Teils verhindert und so die Herstellung verkompliziert. Das Reduzieren von Hinterschnitten oder deren vollständige Beseitigung vereinfacht den Werkzeugbau. Erfahrene Designingenieure können dabei helfen, Alternativen zu finden.

Materialdicke bewerten

Materialdicke ist einer der wichtigsten Faktoren im Design. Sie beeinflusst Funktion, Aussehen, Formbarkeit, Kosten und mehr. Dünnere Wände senken Materialeinsatz und Zykluszeit. Eine ideale Wandstärke ist ein Kompromiss zwischen Festigkeit und Gewicht des Teils.

Welche Kunststoffe/Harze eignen sich am besten für Kunststoffprototypen?

Die frühzeitige Abstimmung mit Ihrem Spritzgießpartner zur Auswahl des optimalen Harzes im Verlauf des DFM-Prozesses und der Entwicklung von produktionstauglichen Prototypen ist entscheidend für den späteren Produktionserfolg eines Bauteils.

Die Materialauswahl beeinflusst die Festigkeit und Flexibilität Ihres Spritzgussteils. Das frühzeitige Berücksichtigen spezifischer Anforderungen hilft, teure Änderungen im Nachhinein zu vermeiden. Dies gelingt, indem Sie die wichtigsten Unterschiede einiger der am häufigsten verwendeten Kunststoffe verstehen.

ABS (Acrylnitril-Butadien-Styrol)

Eigenschaften:

• Robust mit guter Schlagfestigkeit
• Leicht zu bearbeiten und erfüllt vielfältige optische Anforderungen
• Nicht optimal für Teile, die starker Hitze standhalten müssen
• Erschwinglicher Preis

Polycarbonate

Eigenschaften:

• Leicht zu verarbeiten und erhöht häufig die Bruchfestigkeit
• Von Natur aus transparent und ideal für hochfeste, glasähnliche Anwendungen (Schutzbrillen, Laboranwendungen usw.)
• Nicht geeignet für Bereiche, in denen eine größere Flexibilität oder farbliche Gestaltung gefordert wird

Glasfaserverstärktes Nylon

Eigenschaften:

• Verstärkter Thermoplast: Dem Basismaterial Nylon werden Glasfasern zur Steigerung der Festigkeit und Hitzebeständigkeit hinzugefügt
• Im Vergleich zu vielen anderen Werkstoffen schlechter elektrisch leitend
• Trotz hoher Schmelztemperatur anfälliger für Entzündung als manche andere Materialien

Polypropylen

Eigenschaften:

• Flexibler Thermoplast, geeignet für Industrie- und Konsumgüteranwendungen
• Bekannt für seine hohe Biegsamkeit und Formstabilität, auch bei häufigem Verbiegen
• Bietet Beständigkeit gegen Lösungsmittel, Chemikalien und UV-Strahlen

Acetal

Eigenschaften:

• Bietet ausgezeichnete Gleitfähigkeit und ist sehr steif
• Lässt sich im Spritzgussverfahren gut einfärben
• Bietet keine überdurchschnittliche Hitzebeständigkeit

Rosti ist bekannt für seine Kompetenz in der Materialauswahl, Beschaffung und Verarbeitung von hochhitzebeständigen und exotischen Kunststoffen.

Wenn Sie mehr über die besten Werkstoffe zur Entwicklung komplexer Kunststoffteile erfahren möchten, lesen Sie Rostis High-Temperature Plastic Guide.

Wie unterstützt Rostis Digital Innovation Lab die schnelle Fertigung von Produktionsprototypen?

Auf dieser Seite haben Sie viele Aspekte zur Entwicklung produktionstauglicher Prototypen kennengelernt sowie bedeutende Fortschritte in der Technologie und Bauteiloptimierung der letzten Jahre. Dank Entwicklungen im 3D-Druck, optimierten Werkzeugen für Kleinserien und Materialwissenschaft können Präzisionsteile innerhalb immer kürzerer Fristen entworfen, produziert und geliefert werden. Rosti engagiert sich dafür, diesen Prozess zu beschleunigen, um Stillstandzeiten in Fertigungszyklen zu reduzieren und es Herstellern zu ermöglichen, ihre Produktentwicklung schneller voranzutreiben und schneller am Markt zu sein.

Rosti hat deshalb über 1,3 Mio. USD in ein neues Innovation Lab in Asien (China) investiert sowie jüngst eine zweite Investition von 1,3 Mio. USD für ein Innovation Lab in Europa getätigt.

So funktioniert Rostis Digital Innovation Lab: Der Weg von der Idee zur Realität in 72 Stunden:

1. Rostis Ingenieure erhalten die 3D-Produktdaten und Spezifikationen des Kunden, und der Countdown beginnt. Die Anforderungen werden analysiert und Optimierungen zur Effizienzsteigerung und Kostenminimierung empfohlen. Das Prototyping einzelner Komponenten wird eingeleitet.
2. Das Rosti-Team greift auf Best Practices und eine umfangreiche Wissensdatenbank vergangener Projekte zurück, um digitale Simulationen zu entwickeln. Die Analyse der digitalen Simulationen optimiert nicht nur das Bauteildesign, sondern auch Formgebungsprozesse. Geprüft werden unter anderem Anschnitt, Kühlung, Verzug und Zykluszeiten.
3. Der Druck von Formeinsätzen und Kernen startet. Die Werkzeuge werden aus hochtemperaturbeständigen Harzen schichtweise aufgebaut, sodass sie konventionellen Spritzgussbedingungen standhalten.
4. Die Spritzgussteile werden per optischer Laservermessung geprüft. Vollständige Messberichte stehen binnen Minuten zur Verifikation der Produktionseignung und unterstützenden Analyse zur Verfügung.

Innerhalb von drei Tagen nach Upload des Designs erwacht das Kundendesign im vorgesehenen Layout zum Leben.

Wie profitieren Kunden in Nordamerika vom Rosti Digital Innovation Lab?

Rosti Nordamerika ist bekannt für exzellente DFM-Prozesse, modernste Fertigungsanlagen und Technologie sowie Ingenieurkompetenz. Dank Rostis globaler Präsenz und der Philosophie „globale Reichweite, lokale Nähe“ können Kunden auf kooperative Fertigungskompetenz und Lösungen in jedem Schritt der Entwicklung von Kunststoffteilen vertrauen – unabhängig vom Standort.

Neben dem Zugang zu digitalen Innovationslaboren weltweit steht den Kunden von Rosti North America derzeit ein speziell eingerichtetes Zentrum am Standort Germantown, Wisconsin in Entwicklung.

Mit einem globalen Netzwerk aus Ressourcen und Lieferanten sowie einem der engagiertesten, fachkundigsten und bestvernetzten Teams weltweit erhalten Kunden einen Expertenpartner – von der Konstruktion bis hin zum gesamten Produktionszyklus.