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Neue Verfahren der Prototypherstellung und ihre Integration in der Unternehmensstrategie

Im Marktpreis eines neuen Produkts schlagen die Kosten seiner Entwicklung deutlich zu Buche. Zudem ist oft für den Erfolg entscheidend, wie schnell es verfügbar ist. Moderne Strategien suchen deshalb durch vermehrten Einsatz von prototypischen Modellen den Entwicklungsprozeß zu beschleunigen. Weil Graphikcomputer und entsprechende Konstruktionsprogramme mehr und mehr das klassische Zeichenbrett ablösen, werden dazu auch Methoden entwickelt, aus den digitalen Daten direkt Modelle herzustellen. Diese sind zumeist aus Kunststoff oder Wachs und damit in erster Linie geeignet, die optische und haptische Qualität zu überprüfen. Doch gibt es mittlerweile erste Verfahren, auch Metalle zu verarbeiten. Damit lassen sich nicht nur funktionsfähige Prototypen herstellen, sondern auch die Werkzeuge für die spätere Serienfertigung oder gar die Produkte selbst in geringen Stückzahlen.

Durch eine rund zehnjährige gute Konjunktur war die deutsche Industrie an stetes Wachstum gewöhnt, als die jüngste globale Rezession einsetzte. Schlagartig wurde deutlich, daß nur solche Unternehmen im internationalen Wettbewerb bestehen, die permanent vier kritische Leistungsziele verfolgen: sich rasch, qualitätsbewußt, flexibel und dabei kostengünstig den weltwirtschaftlichen Tendenzen, neuen Absatzgebieten und den sich wandelnden Kundenwünschen zu stellen. Das erfordert insbesondere neue Methoden der Produktentwicklung. Der klassische, sequentielle Weg von der Idee über die Phasen Entwurf, Konstruktion, prototypische Erprobung und Fertigung zum Markt dauert oft zu lange.

Die Zeit, die beispielsweise ein Automobiltyp angeboten werden kann, ist in den letzten zehn Jahren durchschnittlich um 12,5 Prozent kürzer geworden; hingegen hat sich die Spanne, in der sich die erforderlichen Investitionen amortisieren, um fast 28 Prozent verlängert. Mit manchen Produkten muß der Hersteller mittlerweile in nur zwei bis drei Jahren genug verdient haben, um die Entwicklung neuer zu finanzieren.

Hinzu kommt, daß noch immer bis zu 75 Prozent aller Produktmängel während der Entwicklung verursacht werden und wegen mangelnden Qualitätsmanagements bis zu 80 Prozent davon bis zur Nutzungsphase unerkannt bleiben. Die Ursache sind organisatorische Mißstände wie hierarchische Strukturen, hochgradige Arbeitsteilung und zentralistisches Projektmanagement sowie die unzureichende informationstechnische Unterstützung der Arbeitsabläufe. Die Komplexität zeitgemäßer Produkte erfordert aber umfangreiches und interdisziplinäres Wissen auf allen Betriebsebenen und deshalb abgestimmtes Arbeiten im Team.

Für eine umfassende Optimierung eignet sich häufig ein Vorgehen, das als Simultaneous beziehungsweise Concurrent Engineering bezeichnet wird: ein weitgehendes Parallelisieren aller im Rahmen der Entwicklung anfallenden Tätigkeiten. Die Produktqualität wird dabei vor allem durch Expertengruppen gefördert, die sich jeweils einem Teilprodukt und dessen Relation zu allen anderen bis hin zum Serienanlauf widmen.

Nicht alle Entwicklungsaufgaben lassen sich jedoch gleichzeitig durchführen, weil die Eigenschaften des Endprodukts oft nicht von vornherein eindeutig festliegen und deswegen klare Verzweigungsknoten für einzelne Tätigkeiten fehlen. Dies gilt insbesondere für innovative und risikoreiche Produkte. Hier empfiehlt sich eher ein schrittweise aufbauendes, gesamtheitlich optimierendes Vorgehen mittels prototypischer Repräsentationen immer umfassenderer Produktdetails, an denen alle Beteiligten lernen und Verbesserungen anbringen können.


Rapid Prototyping

Diese Strategie der zielstrebig und kreativ marktorientierten Produktentwicklung basiert also auf dem Prinzip des Regelkreises als einer steten Abfolge von Planungs-, Ausführungs-, Überprüfungs- und Entscheidungsschritten. Weil ihr außer der Überschaubarkeit der Vorzug wesentlicher Zeitersparnis eigen ist, wird sie Rapid Prototyping genannt. Zentrales Element ist eben der Prototyp, an dem Konstruktionsparameter überprüft sowie produkt- und prozeßbezogene Unzulänglichkeiten innerhalb aller Phasen der Entwicklung aufgedeckt werden können (Bild 1). Jede Realisierung eines oder mehrerer Produktmerkmale wird deswegen heute als Prototyp verstanden. Man unterscheidet

- Designprototypen, die vor allem der optischen und haptischen Bewertung von Entwürfen dienen, also hohen Anforderungen hinsichtlich der ergonomischen und ästhetischen Eigenschaften genügen müssen,

- geometrische Prototypen, um Maß, Form und Lage der späteren Serienteile zu untersuchen, wobei also vor allem die Gestalt- und noch nicht die Materialeigenschaften bedeutsam sind,

- funktionelle Prototypen, die bereits einige der geforderten Produkteigenschaften repräsentieren und eine Überprüfung der damit zusammenhängenden Funktionen erlauben (oft sind sie bereits eine Komponente des eigentlichen Produkts), sowie

- technische Prototypen, die alle Funktionsforderungen an das Serienprodukt erfüllen und wie ein solches verwendet werden können.

Die so gewonnene Information fließt in die simultane Planung des Produktionsprozesses und auch in die nächste Entwicklungsphase ein.

Nicht alle Prototypen müssen im gewohnten Sinne gegenständlich zur Verfügung stehen. So lassen sich mit Programmen des Computer Aided Design (CAD) erste Entwürfe oder Konzepte visualisieren. Finite-Elemente-Simulatoren oder die virtuelle Realität sind oder werden sicherlich wichtige Gestaltungs-, Bewertungs- und Kooperationswerkzeuge. Alle diese Systeme ermöglichen ein Prototyping entsprechend den ersten drei genannten Kategorien.


Generative Fertigungsverfahren

Im allgemeinen aber ist das physische Modell die Basis aller Entscheidungen. Herkömmlicherweise arbeitet man es aus einem Grundmaterial heraus, sei es abtragend oder umformend. Die klassischen Verfahren wie Fräsen, Drehen oder Erodieren werden zwar durch den Einsatz von Computern immer schneller und flexibler, doch Material- und Zeitaufwand bleiben hoch. Das gilt gleichfalls für das Herstellen der sogenannten Urform, in der die Gestalt des zu produzierenden Teils endgültig festgelegt wird, wobei das Gußmodell oder die Gießform auch wieder umformend hergestellt werden muß.

Wesentlich direkter koppeln einige neue Technologien das Datenmodell und dessen physische Realisierung. Sie werden unabhängig von der verwendeten Technik im amerikanisch geprägten Fachvokabular meist ebenfalls als Rapid Prototyping oder als Solid Freeform Fabrication, Desktop Manufacturing oder Layer Manufacturing Technology benannt. Alle Begriffe entstanden im Umfeld der Stereolithographie und heben unterschiedliche Aspekte hervor: die schnelle Prototypen-Herstellung, die Möglichkeit, Freiformoberflächen zu erzeugen, die geringe Anlagengröße und den schichtorientierten Prozeß. Weil sie aber nur bedingt zutreffen – mittlerweile fertigt man damit auch schon die Produkte selbst in Kleinserien, zudem arbeiten manche Verfahren nicht schichtweise – und auch, um im Falle von Rapid Prototyping Strategie und Technik klar zu trennen, empfiehlt sich als Sammelbegriff die Bezeichnung generative Fertigungsverfahren. Darin kommt der Hauptunterschied zu klassischen Verfahren, die aufbauende Teileherstellung, deutlich zum Ausdruck.

Meist wird ein Modell damit schichtweise erzeugt. Die erforderlichen Prozeßsteuerdaten lassen sich direkt aus CAD-Geometriedaten generieren (Bild 2 links). Über das dreidimensionale Datenmodell wird dazu ein Netz aus ebenen Dreiecksflächen gelegt (Bild 2 rechts) und aus dieser ersatzweisen Produktbeschreibung in einstellbaren Abständen ein Satz paralleler Schnitte senkrecht zur Herstellungsrichtung berechnet. Deren Abstände korrelieren mit den Schichtdicken beim späteren Bauprozeß. So lassen sich Orte in einer bestimmten Schnittebene des Bauteils definieren, an denen weiteres Material angelagert wird, und zwar entweder flächendeckend oder bahnweise.

Art und Weise dieser Materialaddition unterscheiden die Verfahren. Sie lassen sich nach dem Ausgangszustand des Materials vor dem Bauprozeß klassifizieren (Bild 3). Die gängigsten sind Flüssigkeiten, Pulver und Feststoffe; aus der Gasphase lassen sich bisher nur im Labor sehr kleine Formteile herstellen.

Als erstes kommerzielles System wurde 1987 eine amerikanische Anlage zur Stereolithographie vorgestellt. Dieses generative Verfahren beruht auf der Polymerisation von flüssigen, unter ultraviolettem Licht aushärtenden Kunstharzen (Bild 4). Ein mittels dynamischer Spiegel gesteuerter Laserstrahl zeichnet ähnlich einem Plotter die einzelnen Schichten des Bauteils nacheinander auf die Oberfläche des Polymerbads. So wird das Werkstück sukzessive auf einer Plattform aufgebaut, die dabei nach und nach tiefer in das Harz absinkt. Diese Schichtdicke ist vorwählbar und beeinflußt Oberflächengüte, Formgenauigkeit und Bauzeit.

Inzwischen sind in Deutschland mehr als 60 Anlagen zur generativen Prototyp-Fertigung installiert, wobei die Stereolithographie mit etwa 90 Prozent am weitesten verbreitet ist. Die Anwendung solcher Verfahren nahm bisher durchschnittlich um jährlich 26,5 Prozent zu; Prognosen zufolge werden es künftig sogar 36 Prozent pro Jahr sein.


Folgetechniken

In kommerziell verfügbaren generativen Verfahren lassen sich inzwischen unterschiedliche Photopolymere, einige weitere Kunststoffe, Papier und Wachs verwenden. Obwohl durch Materialentwicklungen die Eigenschaften der Werkstücke fortwährend verbessert werden, sind zur Herstellung von funktionellen und technischen Prototypen sowie für Vervielfältigungen derzeit noch in anderen Zusammenhängen bewährte Folgetechniken erforderlich.

Beim Vakuumgießen wird das Kunststoff-Urmodell zunächst mit Angüssen und Steigern (zusätzlichen Hohlräumen als Reservoiren für das Gießmaterial, die das Schrumpfen beim Aushärten durch Nachfluß ausgleichen) versehen, anschließend in einem Formkasten fixiert und in einer evakuierten Umgebung mit Silikonkautschuk umgossen. Nach einer kurzen Aushärtezeit von etwa 15 Minuten in der Wärmekammer wird der Kautschukblock mit einem Skalpell aufgeschnitten und das Urmodell entfernt. Daraufhin reinigt man die Hälften und fügt sie wieder zusammen. Die endgültigen Prototypen aus Zweikomponentenharzen gießt man (um Blasenbildung zu vermeiden) im Vakuum aus.

Einen sehr genauen Guß in der verlorenen, also nur einmal verwendbaren Form erlaubt das schon in der Bronzezeit zur Perfektion entwickelte Wachsausschmelzverfahren. Da in neuerer Zeit auch andere Werkstoffe – bestimmte Harze – ausgeschmolzen werden, spricht man von Investment Casting (vom englischen investment, hier: Zuschuß an Material, und cast, Gußform). Es eignet sich selbst für komplizierte Strukturen. Das Urmodell wird mehrmals in ein Keramikbad getaucht; die Überzüge läßt man jeweils trocknen, schmilzt dann das Wachs oder Harz aus und brennt schließlich die so entstandene Formschale. Diese Form muß aber nach dem Ausgießen mit Metall zerstört werden. (Bild 5).

Urmodelle aus Wachs lassen sich auf verschiedene Weise herstellen, erfordern also nicht unbedingt ihrerseits eine Kunststoff-Form. Solche aus neuentwickelten ausschmelzbaren Harzen können bei speziellen Bauteilkonstruktionen auch mittels Stereolithographie oder Solid Ground Curing verfertigt werden (dabei bringt man in jedem Arbeitsschritt eine dünne Photopolymer-Schicht auf den schon ausgehärteten Teil auf, saugt nach der Belichtung noch flüssiges Polymer ab und füllt die entstandenen Freiräume mit Stützmaterial).

Der Sandguß ist ebenfalls ein Verfahren mit verlorener Form. Das Urmodell wird zunächst in einen – meist zweiteiligen – Formkasten eingebettet und mit Formsand umgeben, den man durch Pressen, Rütteln oder Stauchen verdichtet. Dann entnimmt man das Modell und legt unter Umständen Kerne ein, die Aussparungen und Hohlräume des Gußstücks bilden; nachdem der Kasten wieder geschlossenen ist, läßt sich das Zielmaterial eingießen.

Beim Metallspritzen wird eine niedrigschmelzende Metall-Legierung auf Zinn/Wismut- oder Zinkbasis in mehreren Zyklen und zunächst von einer Seite auf das Modell aufgespritzt. Dazu schmilzt man das Metall in der Spritzpistole mittels Lichtbogens oder Flamme auf und versprüht es durch ein Treibgas. Die so entstandene Schicht wird in ein geeignetes Material eingebettet (hinterfüttert), damit sich das Modell drehen läßt, ohne mechanische Spannungen zu erfahren. Dann wird die zweite Seite beschichtet. Mit solchen Formhälften lassen sich bis zu 1000 Prototypen aus Kunststoffen fertigen.

Beim Gipsformverfahren schließlich werden zuerst anhand des Urmodells zwei Formhälften aus Epoxydharz und damit dann ein Duplikat aus Silikon gefertigt. Mit diesem Positiv können anschließend mehrere Paare von Formhälften aus Gips hergestellt werden. Das Silikon läßt sich leichter als Urmodell-Materialien aus der Gipsform lösen; somit sind Hinterschneidungen möglich, ohne daß man das Teil zerstören müßte. In die Gipsformen kann man bei niedrigen Temperaturen schmelzende Metall-Legierungen eingießen. Dieses Verfahren ist zwar aufwendiger als der Sandguß, die Prototypen sind aber formgenauer und in ihrer Oberflächenqualität besser.


Integration in die Unternehmensstrategie

Vielfältige Technologien stehen somit für den schnellen Prototypbau zur Verfügung; zudem kann im konkreten Fall auch eines der klassischen Verfahren in Frage kommen. Deshalb muß das Unternehmen technische und organisatorische Lösungen suchen, die bezogen auf das Produkt den jeweils günstigsten Entwicklungsprozeß bieten (Bild 6). Im methodischen Bereich können sich Simultaneous Engineering und Rapid Prototyping ergänzen, etwa wenn eine hohe Produkt- und Prozeßkomplexität das Zerlegen in Teilaufgaben erfordert.

Denn letztlich kommt es nicht auf die Geschwindigkeit eines einzelnen Prozeßschrittes an, sondern auf eine gesamtheitlich optimale Schrittfolge. Auf eine darauf ausgerichtete Strategie muß sich ein Unternehmen durch entsprechende Strukturierung einstellen: Einzelne Geschäftseinheiten agieren selbständig mit gemeinsamen Zielen, was Wirtschaftlichkeit und Produktnutzen für den Kunden anbelangt. Es wäre also verfehlt, etwa nur eine Entwicklungsgruppe mit einem generativen Fertigungsverfahren auszustatten, aber sonst alles beim alten zu belassen. Eine solche Aufteilung und Delegation von Verantwortung greift vielmehr bis auf die Ebene des einzelnen Mitarbeiters durch. Weil sich somit auf allen Ebenen die Unternehmensstrukturen immer wieder gleich ausprägen, die Geschäftseinheiten also selbstähnlich sind, hat Hans-Jürgen Warnecke, Präsident der Fraunhofer-Gesellschaft, solche Gliederungen als fraktal bezeichnet.

Ein Auftrag an ein Entwicklungs-Fraktal wird durch eine Produktidee ausgelöst und endet mit dem fertigen Produkt. Technisches Kernelement der Gruppentätigkeit ist ein CAD-System, in dem alle Stationen der Entwicklung vollständig, transparent und konsistent dokumentiert werden. Bislang ist dies nur eine geometrische Beschreibung des Produkts, wird jedoch künftig alle Phasen seines Einsatzes oder Gebrauchs bis hin zur Entsorgung beinhalten. Alle computergestützten Produktionsschritte einschließlich der Überprüfung der Prototypen werden von diesem zentralen Datenmodell abgeleitet.

Im einfachsten Falle lassen sich die Geometriedaten direkt durch Konstruktion an einem 3D-CAD-System generieren. Alternativ können erste Werkstückbeschreibungen mit Designsystemen oder – bei Anwendung in der Medizintechnik – mit Computertomographen erzeugt und dann in das CAD-System eingelesen werden. Methoden der virtuellen Realität werden, wie gesagt, weitere Möglichkeiten der Produktgestaltung eröffnen.

Mitunter wird es auch künftig am besten sein, ein erstes Musterteil aus leicht formbarem Material wie Ton oder Holz von Hand zu modellieren. Die digitale Geometriebeschreibung ist dann noch nicht vorhanden oder weicht vom Muster ab. Weil Nachkonstruktionen per CAD-System sehr zeitaufwendig sind, erfassen optische Scanner an Koordinatenmeßtischen die Geometrie. Die Punktdaten werden zu einer gesamtheitlichen Beschreibung des Werkstücks aufbereitet. Diesen Vorgang bezeichnet man als Reverse Engineering; er läßt sich auch nach manueller Veränderung eines Prototyps anwenden.

Weil alle wesentlichen Aufgaben von der Zielorientierung über die Ausführung bis zur Bewertung von Produkt- und Prozeßmerkmalen an autonome Gruppen im Fraktal delegiert sind, erweitert die integrative Strategie deren Arbeitsinhalte und steigert die Motivation der Mitglieder. Eine derartige Auflösung der Unternehmenshierarchie reduziert die Komplexität der Abläufe und macht sie somit transparenter. Der Zeitgewinn verschafft nicht nur Vorsprung am Markt, sondern läßt auch genügend Spielraum für spätere Korrekturen und das kontinuierliche Aufnehmen neuer Ideen, fördert also Innovation.

Ein solches Rapid Product Development wird zwar heute in der Industrie als vordringlich eingestuft, oft aber nur halbherzig angegangen, weil das Management den Gesamtumfang des erforderlichen Maßnahmenbündels nicht erkennt. Investiert man lediglich in ein generatives Fertigungsverfahren, bewertet es aber unter rein operativen Gesichtspunkten (indem man etwa die Kosten der Stereolithographie mit denen einer numerisch gesteuerten Fräsmaschine vergleicht), unterliegt man leicht dem vermeintlichen Zwang zu schneller Amortisation. Geringeren Entwicklungs- und Herstellungsaufwand, höhere Qualität der Waren und größere Flexibilität am Markt erzielen dagegen nur Unternehmen, die ihre Produktentwicklung konsequent nach ganzheitlichen Mustern neu strukturieren.


Aus: Spektrum der Wissenschaft 4 / 1995, Seite 90
© Spektrum der Wissenschaft Verlagsgesellschaft mbH

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