Prototyping von 3D-Modellen vor der Produktion unter Verwendung von CNC-Frästechniken

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Jede Großserienproduktion besteht aus aufeinanderfolgenden, sorgfältig abgestimmten Prozessen. Dies setzt eine gründliche Produktanalyse und Produktionsplanung voraus. Es sollen so wenig Ressourcen wie möglich (Zeit, Werkzeuge, Produktionsfläche, Maschinen, Materialien und menschliche Arbeit) verbraucht werden. Ineffizienzen in einer Großserienproduktion können andernfalls schleichende und beständige Mehrkosten verursachen und Folgeprozesse unnötig verschleppen. Prototyping gestattet die Möglichkeit, den gesamten Prozess optimal zu planen bevor es in die eigentliche Großserienproduktion geht.

Produkttests mittels Prototyping

Anhand von Prototyping lassen sich implementierte Teile, gesamte Bauteile oder das Produkt insgesamt testen, bevor mit der eigentlichen Produktion begonnen wird. Die Attribute des Produkts sowie die Wirtschaftlichkeit einer skalierten Produktion werden exakt nachvollziehbar. Das Ganze maximal authentisch und aussagekräftig, da ein Prototyp im Maßstab 1:1 aus den angedachten Zielmaterialien vorliegt. Einfache Computersimulationen und Visualisierungen können dies nicht erfüllen.

Wann wird im CNC-Fertigungsprozess auf Prototyping gesetzt?

Prototyping wird häufig verwendet, wenn das Zielprodukt aus teuren Materialien hergestellt werden soll und Produktionsfehler oder Ineffizienzen dementsprechend empfindlich zu Buche schlagen würden. Um das Konzept zu beurteilen, werden oft billigere Ersatzstoffe mit möglichst identischen Eigenschaften für den Prototyping-Prozess verwendet. Prototyping ist somit ein wichtiger Schritt für die Budgetplanung des gesamten Prozesses und eine wirtschaftliche Weichenstellung.

3D-Druck als sinnvolles Verifikationsverfahren

Wenn das implementierte Produkt oder die Komponente Teil eines größeren Systems ist oder vor Beginn der Produktion überprüft werden muss, bietet sich eine Modellierung im 3D-Druck als sinnvolle Differentialanalyse (analog oder vorbereitend zum Prototyp) an. Das Objekt kann oftmals aus den gleichen Datensätzen gedruckt werden, die für die CNC-Fräse konzipiert wurden. Der große Vorteil des 3D-Drucks ist die schnelle Vorbereitung des Ausdrucks. Er beschränkt sich auf wenige Einstellungen des Druckers. Die Überprüfung des gedruckten Modells kann dazu führen, dass in dieser Phase notwendige Änderungen am Modell oder am Design festgestellt werden. Prototypen-3D-Druck hilft somit, das Design besser zu analysieren als es allein auf Skizzen oder einem Computerbildschirm nachvollziehbar wäre.

Der 3D-Druck kann jedoch nicht immer Antworten auf alle Fragen liefern. Es wird Fälle geben, in denen aufgrund der Einschränkungen von 3D-Druckern kein besonders vorhersagefähiges Modell hergestellt werden kann. Die meisten 3D-Drucker haben einen kleinen Arbeitsbereich und dieser ist auf mehrere Dutzend Zentimeter pro Achse begrenzt, sodass keine Modelle mit größeren Abmessungen hergestellt werden können. Natürlich gibt es große, professionelle 3D-Drucker. Aber großformatige 3D-Drucker können sich als unwirtschaftlich erweisen und sind aufgrund ihrer materiellen Einschränkungen nicht für das eigentliche Prototyping in diesen Größenordnungen geeignet.

Vorbereitung der CAM-Bearbeitung basierend auf der CAD-Konstruktionen

Unter der Annahme, dass ein aussagekräftiges 3D-Modell im richtigen Format vorliegt, lässt sich nun der nächste Schritt im Planungsprozess vollziehen: die Ausführung von CAM-Bearbeitungen. Das heißt, dass nun die Auswahl geeigneter Fräswerkzeuge und Routinen erfolgt, wenn das digital vorbereitete Modell in einem probeweisen Produktionsprozess Wirklichkeit wird. In diesem Prozess wird die eigentliche Arbeit der CNC-Fräsmaschine geplant und es lassen sich genaue Beobachtungen bzgl. der zu verwendenden Werkzeuge, des Zeitaufwands sowie des materiellen Verschnitts machen. Der eigentliche Herstellungsprozess kann somit genau beurteilt und auf seine Skalierbarkeit in Richtung Großserienproduktion evaluiert werden. Wenn die vorherigen Schritte in der Entwurfsphase ordnungsgemäß ausgeführt wurden, sollte alles relativ reibungslos verlaufen. Es kommt jedoch vor, dass der CAM-Designer in diesem Stadium Korrekturen am Modell vorschlagen kann – wenn sich bspw. erweisen sollte, dass mit der aktuellen Geometrie des Produkts teurere Werkzeuge gekauft werden müssen oder ein Teil der Geometrie mit der CNC-Frästechnik überhaupt nicht möglich ist. Dann ist es geboten, zur Entwurfsphase zurückzukehren und zielführende Anpassungen am Produktmodell vorzunehmen.

Was muss ein gutes Prototyping Testmodell erfüllen?

Nachdem das Testmodell erstellt wurde, kann mit dessen Analyse fortgefahren werden. Wurde es korrekt erstellt und entspricht es den zuvor gemachten Einschätzungen bzw. Zielen? Folgende Faktoren sind in diesem Sinne für ein gelungenes Testmodell von Bedeutung:

• Die Maßstabstreue und möglichst identisches Gewicht entsprechend dem späteren Massenprodukt (insbesondere wenn das Bauteil Teil eines größeren Ganzen ist).
• Die Komplexität des Produktionsprozesses kann genau beurteilt werden (Bearbeitungszeit, Materialverbrauch, Auswahl der Werkzeuge usw.).
• Auch nachfolgende Abschnitte des Produktionsprozesses, wie Schleifen oder Lackieren, können nun rekonstruiert werden.
• Die Produktästhetik, sofern ästhetische Überlegungen mit Blick auf die spätere Zielgruppe wichtig sind.
• Die zu erwartende Logistik, von innerbetrieblicher Beförderung bis hin zur Verpackung, kann genau beurteilt und praktisch erprobt werden.
• Die Produkt-Ergonomie kann genau erfasst werden.

Überführung in die Produktion mit CNC-Fräsen

Wenn der Prototyp die angenommenen Erwartungen erfüllt oder gar übertrifft, kann mit der eigentlichen Produktion begonnen werden. Es kann jedoch durchaus vorkommen, dass während der Analyse des Prototyps weitere Potenziale oder Notwendigkeiten für Produktverbesserungen auffallen, die oft zu einer erheblichen Reduzierung der Bearbeitungszeit oder zur Verwendung billigerer Werkzeuge führen. Dies sind zuverlässige Beobachtungen, die nur mit dem Testmodell im Maßstab 1:1 festgestellt werden können. Somit liefert entsprechendes Prototyping enorm wichtige Einblicke dahingehend, ob das Produkt alle Erwartungen sowohl des Endbenutzers als auch der Produktionsfunktionen erfüllt. Mit einem Prototyp hat man die Möglichkeit, das Produkt umfassend zu testen, bevor mit der Produktion begonnen wird. Ein gut geplanter Prototyping-Prozess ermöglicht es, anschaulich ein fertiges Bauteil oder das gesamte Produkt in den Händen zu halten und eine optimale Produktion zu planen.

Veröffentlicht von:

Alexandra Rüsche

Alexandra Rüsche gehört seit 2009 der Redaktion Bauen-Wohnen-Aktuell.de an. Sie schreibt als Journalistin über Hausbau, Inneneinrichtung, Energiesparen, Gartengestaltung, Pflanzen und Haustiere, sowie Innovationen. Alexandra ist Mitglied im DPV (Deutscher Presse Verband - Verband für Journalisten e.V.). Sie ist über die Mailadresse der Redaktion erreichbar: redaktion@bauen-wohnen-aktuell.de

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