Die drei wichtigsten Verfahren zur Herstellung von Prototypen – Vor- und Nachteile sowie Anwendungsbereiche von CNC, 3D-Druck und Formguss

Bei der AusübungPrototypenmodellIn dieser Branche spielt die Wahl des Fertigungsverfahrens eine entscheidende Rolle für die Genauigkeit, die Kosten, die Durchlaufzeit und die Leistungsfähigkeit des Prototyps und ist somit ein äußerst wichtiger Faktor bei den Forschungs- und Entwicklungsentscheidungen eines Unternehmens. Im Laufe jahrzehntelanger Entwicklung hat sich in der Prototypenfertigung ein Verfahren etabliert, das auf CNC-Präzisionsbearbeitung basiert,3D-DruckRapid Prototyping,Vakuum-GussverfahrenDies sind die drei wichtigsten Fertigungsverfahren. Jedes dieser Verfahren hat seine eigenen Vor- und Nachteile und erfüllt unterschiedliche Aufgaben, um der Prototypenfertigung in verschiedenen Szenarien und bei unterschiedlichen Anforderungen gerecht zu werden. Für Unternehmen gilt: Nur wenn sie die jeweiligen Eigenschaften, Unterschiede und Anwendungsgrenzen dieser drei Verfahren genau kennen, können sie die optimale Lösung auswählen und so den größtmöglichen Nutzen aus den Prototypen ziehen. In diesem Artikel werden die drei Kernverfahren für die Prototypenfertigung anhand der vier Dimensionen – Verfahrensprinzipien, Vor- und Nachteile, Materialanpassung sowie Anwendungsszenarien – eingehend analysiert, um Fachleuten der Branche eine umfassende Orientierungshilfe zu bieten.

I. CNC-Präzisionsbearbeitung: Der “Goldstandard” für hochpräzise Prototypen”

Die Präzisionsbearbeitung mittels CNC ist das in der Prototypenbranche am weitesten verbreitete und zugleich ausgereifteste Verfahren; sie gilt als “Goldstandard für hochpräzise Prototypen”. Das Kernprinzip besteht darin, mithilfe von Computerprogrammierung G-Code zu generieren, um damit dreiachsige, vierachsige und schließlich fünfachsige CNC-Bearbeitungszentren zu steuern, die präzise Zerspanungsvorgänge an blockförmigen Rohlingen aus Kunststoff, Metall und anderen Materialien durchführen, wobei schrittweise überschüssiges Material abgetragen wird, bis schließlich ein Prototyp entsteht, der den Konstruktionsanforderungen entspricht.

Kernkompetenzen:

Extrem hohe Genauigkeit, CNC-BearbeitungDie Genauigkeit liegt zwischen ±0,02 und ±0,05 Millimeter; bei einigen 5-Achsen-Anlagen kann sogar eine Genauigkeit von ±0,01 Millimeter erreicht werden. Dies ist die präziseste Option unter allen Prototypenfertigungsverfahren und erfüllt perfekt die extrem hohen Genauigkeitsanforderungen in Bereichen wie Luft- und Raumfahrt, Automobilindustrie und Medizintechnik.

Die Bandbreite der geeigneten Prototypenmaterialien ist äußerst groß und deckt nahezu alle gängigen Prototypenmaterialien ab, darunter Kunststoffe wie ABS sowie PC, POM und Acryl, darüber hinaus auch Metallwerkstoffe wie Aluminiumlegierungen, Edelstahl, Kupfer und Titanlegierungen. Insbesondere bei der Bearbeitung von hochfesten und hochharten Metallwerkstoffen zeigt es hervorragende Leistungen, was der 3D-Druck bei weitem nicht erreichen kann.

Hervorragende Leistung: Da CNC-Prototypen durch Zerspanung aus massivem Material gefertigt werden, entsprechen ihre strukturelle Festigkeit und ihre mechanischen Eigenschaften vollständig denen der Serienprodukte. Die Hitzebeständigkeit entspricht voll und ganz der von Serienprodukten, ebenso wie die Korrosionsbeständigkeit. Es können direkt strenge Funktionsprüfungen wie Montage-, Festigkeits- und Umweltprüfungen durchgeführt werden.

Die Nachbearbeitung ist einfach, die Oberfläche weist nach der Bearbeitung eine hohe Glätte und eine gute Haptik auf. Es lassen sich mühelos vielfältige Effekte wie Hochglanz, Matt, Sandstrahl und Galvanisierung erzielen, wobei sich die optische Haptik nicht von der der Serienprodukte unterscheidet.

Schwächen und Mängel:

Die Kosten sind relativ hoch, der Investitionsaufwand für die Ausrüstung ist beträchtlich, der Zeitaufwand für die Programmierung ist groß und die Materialausnutzung ist relativ gering. Dies führt dazu, dass die Kosten für Einzelstücke und Kleinserien bei der manuellen Prototypenfertigung numerisch höher sind als beim 3D-Druck.

Das Werkstück weist Hohlräume auf, hat komplexe gekrümmte Oberflächen, eine unregelmäßige Hohlraumform sowie einige kleine, tiefe Löcher. Angesichts dieser Strukturen ist die CNC-Bearbeitung äußerst schwierig, ja unter Umständen sogar gänzlich unmöglich.

Der Prozess ist relativ langwierig; die einzelnen Schritte – Programmierung, Aufspannen, Grobbearbeitung und Feinbearbeitung – sind äußerst aufwendig, sodass die Herstellung eines Prototyps in der Regel zwei bis fünf Tage dauert.

Anwendungsszenarien:

Für Prototypen aus Metall, die großformatig, hochfest und hochpräzise sind, ist die CNC-Bearbeitung das Verfahren der Wahl. Sie kommt vor allem in folgenden Bereichen zum Einsatz: Strukturteile für Fahrzeuge mit alternativen Antrieben, Motorkomponenten, Getriebegehäuse; Präzisionskomponenten für medizinische Geräte, chirurgische Instrumente; Bauteile für Luft- und Raumfahrzeuge, Strukturteile für Satelliten; Gehäuse für Industrieanlagen, Gelenke für Roboterarme; sowie Mittelrahmen und Gehäuse für Unterhaltungselektronik – all diese Anwendungen stellen extrem hohe Anforderungen an Präzision, Festigkeit und Oberflächenbeschaffenheit.

II. Rapid Prototyping mittels 3D-Druck: Der “König der Effizienz” bei Prototypen komplexer Strukturen”

Die additive Fertigung, auch bekannt als 3D-Druck, ist ein revolutionäres Verfahren zur Herstellung von Prototypen, das in den letzten zehn Jahren an Bedeutung gewonnen hat. Das Kernprinzip basiert auf dem Konzept der “schichtweisen Aufbauprozedur”, bei der ein 3D-Modell in einzelne Schichten zerlegt wird, anschließend mithilfe von Verfahren wie Laser, Schmelzverfahren oder Lichthärtung das Material Schicht für Schicht aufgetragen wird, um so die Form zu erstellen. Zu den derzeit in der Prototypenbranche vorherrschenden 3D-Drucktechnologien zählen SLA (Lichthärtung), SLS (selektives Lasersintern), FDM (Fusionsablageverfahren) und MJF (Multi-Jet-Fusion).

Kernkompetenzen:

Unbegrenzte Gestaltungsmöglichkeiten: Es gibt keine Einschränkungen bei der Zerspanung, sodass sich komplexe Strukturen, die mit CNC-Bearbeitung nicht realisierbar sind, mühelos herstellen lassen – beispielsweise Strukturen mit Hohlräumen, dünnen Wänden, ungewöhnlich geformten gekrümmten Oberflächen, innenliegenden Verbindungskanälen, zahlreichen Bohrungen oder integrierten Fügeelementen. Dies eignet sich hervorragend für innovative Designs und die Anforderungen komplexer Produkte.

Extrem schnell, keine Programmierung erforderlich, kein Spannen, kein Werkzeugwechsel – 3D-Modelle können nach dem Import automatisch gedruckt werden. Einfache Prototypen sind innerhalb weniger Stunden fertig, komplexe Prototypen können innerhalb von 1 bis 2 Tagen geliefert werden. Die Effizienz übertrifft die von CNC bei weitem und ist somit die beste Wahl für die schnelle Prototypenerstellung und bei dringenden Anforderungen.

Hohe Materialausnutzung, geringe Kosten pro Stück bei kleinen Stückzahlen, kein Formenbau erforderlich, kontrollierbare Kosten – diese Voraussetzungen eignen sich besonders gut für kleine Prototypenmengen von 1 bis 10 Stück und ermöglichen Unternehmen eine erhebliche Senkung ihrer Forschungs- und Entwicklungskosten.

Es bietet einen hohen Gestaltungsspielraum, unterstützt individuelle Anpassungen und ermöglicht die parallele Entwicklung mehrerer Versionen. Designer können ihrer Kreativität freien Lauf lassen, ohne sich Gedanken über fertigungstechnische Einschränkungen machen zu müssen.

Schwächen und Mängel:

Die Genauigkeit beim 3D-Druck liegt in der Regel bei plus/minus 0,1 bis 0,2 Millimeter, was eher gering ist; sie ist geringer als bei der CNC-Bearbeitung. Die Schichtstreifen sind deutlich sichtbar, und die Oberfläche muss nach dem Druck sorgfältig geschliffen und nachbearbeitet werden.

Es bestehen Unterschiede in den Eigenschaften: 3D-Druckteile weisen eine Schicht-für-Schicht-Struktur auf, und ihre mechanischen Eigenschaften, ihre Hitzebeständigkeit sowie ihre Festigkeit sind etwas geringer als bei massiven, zerspanten Teilen; zudem sind einige Materialien der Hochleistungsklasse nicht geeignet.

Aufgrund der räumlichen Beschränkungen der Formgebungsanlagen gibt es bestimmte Größenbeschränkungen, sodass große Prototypen zerlegt und wieder zusammengesetzt werden müssen, was sich auf die Gesamtgenauigkeit und Festigkeit auswirkt.

Anwendungsszenarien:

Kreative Designs für Unterhaltungselektronik und intelligente Wearables gehören zu den Anwendungsbereichen des 3D-Drucks für komplexe Strukturen, Kleinserien, schnelle Prototypenfertigung und Prototypen zur Designvalidierung. Komplexe Robotergelenke und bionische Strukturen fallen ebenfalls in diesen Anwendungsbereich. Auch Gehäuse für medizinische Geräte und individuell angepasste Implantate gehören dazu. Kultur- und Kreativprodukte, Skulpturen und Dekorationsgegenstände sowie Spielzeug gehören ebenfalls zu den Anwendungsbereichen. Auch in Szenarien wie der Verifizierung des Produktentwurfs in der Frühphase, der Designbewertung, der Präsentation auf Messen und der Patentanmeldung kommen 3D-gedruckte Prototypen zum Einsatz.

III. Vakuumabguss (Silikonabguss): Das “Kostenwunder” für die Testproduktion in kleinen Stückzahlen”

Das Vakuum-Reproduktionsverfahren, auch als Silikon-Reproduktion bekannt, ist ein Verfahren zur Herstellung von Prototypen in kleinen Stückzahlen. Der Kernprozess läuft wie folgt ab: Zunächst wird mithilfe von CNC-Fräsen oder 3D-Druck ein Prototyp gefertigt, anschließend wird der Prototyp mit Silikon ummantelt, um eine Weichform herzustellen, Anschließend werden in einer Vakuumumgebung flüssige Materialien wie PU, ABS oder Weichkunststoffe in die Form gegossen. Nach dem Aushärten des Materials erfolgt die Entformung, und schließlich werden die Kopien durch eine Nachbearbeitung fertiggestellt.

Kernkompetenzen:

Bei der Kleinserienfertigung mit Stückzahlen von 10 bis 1000 sind die Kosten im Vergleich zur CNC-Einzelteilbearbeitung und zum 3D-Druck deutlich geringer. Da die Werkzeugkosten niedrig sind und eine hohe Reproduzierbarkeit gewährleistet ist, eignet sich diese Methode sowohl für Markttests als auch für die Testproduktion in kleinen Stückzahlen und zeichnet sich durch niedrige Kosten bei kleinen Stückzahlen aus.

Extrem hohe Effizienz: Mit einer Silikonform lassen sich zwanzig bis fünfzig Teile herstellen. Der Produktionszyklus ist sehr kurz, sodass die Serienfertigung innerhalb von zwei bis drei Tagen abgeschlossen werden kann und der Bedarf an kleinen Stückzahlen schnell gedeckt werden kann.

Die Materialauswahl ist vielfältig und umfasst unter anderem reproduzierbaren Hartkunststoff, Weichkunststoff, transparente Materialien sowie hochtemperaturbeständige Materialien und vieles mehr. Die Haptik und die optische Anmutung entsprechen weitgehend denen von Serienprodukten, sodass sie sowohl den Anforderungen der Montage als auch denen der Funktionstests gerecht werden.

Die Detailtreue ist sehr hoch. Die Silikonform verfügt über eine gute Flexibilität und kann die feinen Strukturen des Originals sowie Schriftzüge und Rillen perfekt nachbilden, sodass die Nachbildung dem Original sehr gut entspricht.

Schwächen und Mängel:

Die Genauigkeit unterliegt gewissen Grenzen; die Reproduktionsgenauigkeit liegt bei etwa plus/minus 0,1 bis 0,3 Millimeter und ist damit geringer als bei CNC-Maschinen, sodass es bei der Serienfertigung zu geringfügigen Abweichungen kommen kann.

Die Lebensdauer von Silikonformen ist begrenzt; oft können sie nur zwanzig bis fünfzig Mal verwendet werden. Bei der Massenproduktion müssen die Formen daher häufig ausgetauscht werden, was dazu führt, dass ihre Lebensdauer als kurz erscheint.

Die Leistungsfähigkeit liegt auf einem durchschnittlichen Niveau; die Eigenschaften des Reproduktionsmaterials liegen zwischen denen des 3D-Drucks und denen der CNC-Bearbeitung. Seine Hitzebeständigkeit und Festigkeit sind im Vergleich zu massiven Werkstoffen etwas geringer, weshalb es sich nicht für Tests mit extrem hohen Leistungsanforderungen eignet.

Anwendungsszenarien:

Das Vakuumformverfahren wird bei der Testproduktion in kleinen Stückzahlen – also bei Auflagen von nur 10 bis 1.000 Stück – eingesetzt, dient der Marktprüfung und ist zudem die erste Wahl bei der Markteinführung von Produkten. Es wird vor allem in folgenden Bereichen eingesetzt: bei der Testproduktion kleiner Stückzahlen von Gehäusen für Haushaltsgeräte, bei der Testproduktion kleiner Stückzahlen von Digitalzubehör, bei der Serienfertigung von Fahrzeuginnenausstattungsteilen, bei der Serienfertigung von Fahrzeugtuningteilen, bei der Serienfertigung von Gehäusen für medizinische Geräte sowie bei der Serienfertigung von Verbrauchsmaterialien für medizinische Geräte; für die Markteinführung von Kultur- und Kreativprodukten in kleinen Stückzahlen sowie für die Markteinführung von Spielzeug in kleinen Stückzahlen; außerdem für Markttests neuer Produkte durch Unternehmen, für Messemuster, für kundenspezifische Anfertigungen und vieles mehr.