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Schnellprototyping-Engineering Schnellprototyping-Engineering Schnellprototyping-Engineering Schnellprototyping-Engineering
Schnellprototyping-Engineering wird eingesetzt, um voll funktionsfähige technische Prototypen herzustellen. Diese Prototypen dienen der Validierung struktureller und thermischer Eigenschaften sowie der Prüfung der Benutzerinteraktion während der Engineering-Validierungsprüfung (EVT). Durch Schnellprototyping-Engineering entfällt die Phase der Design-Validierungsprüfung (DVT). Feste Modelle können zudem die Grenzen und Einschränkungen des Fertigungsprozesses sowie das Verhalten der verwendeten Materialien unter Last aufzeigen. Im Vergleich zum üblichen Vorgehen verkürzt Schnellprototyping-Engineering die Zeit für die erste Design-Validierung um 30–50 % und reduziert die Anzahl erforderlicher Designanpassungen um 4–6 Wochen.
Beispiel: Schnellprototyping-Engineering verkürzte die EVT-Zeit in der Unterhaltungselektronikbranche um 42 %
42 % der für die EVT (Engineering Verification Test) vorgesehenen Zeit für die Entwicklung eines Smart-Home-Geräts wurden von einem führenden Unternehmen für Konsumelektronik-Design eingespart. Dies wurde durch den Einsatz eines kommerziellen 3D-Druckers zur Herstellung von Prototypen erreicht. Für das Smart-Home-Gerät war die Validierung von insgesamt 12 unterschiedlichen internen elektrischen, mechanischen und Firmware-Schnittstellen erforderlich; traditionell mussten hierzu innerhalb eines Zeitraums von 14 Wochen acht separate Prototypen gefertigt werden. Mithilfe des Rapid-Prototyping-Engineering konnten integrierte Gehäuseprototypen mit eingebetteter Schaltungstechnik innerhalb von 72 Stunden hergestellt werden. Während der EVT-Phase identifizierte die Prüfung der Prototypen elektromagnetische Störungen (EMI), die üblicherweise erst in der DVT-Phase (Design Verification Test) erkannt werden. Dadurch verkürzte sich der Validierungsprozess von traditionell 18 auf 10,5 Wochen und entfiel die Notwendigkeit kostspieliger Modifikationen an den Prototypen. Dieses Beispiel verdeutlicht die erhebliche Wirkung, die der Einsatz von 3D-Druck zur Durchführung von Additive Manufacturing auf die Validierung integrierter Systeme hat.
Rapid-Prototyping-Engineering hilft uns, Funktionen und Benutzerfreundlichkeit früher in der realen Welt zu testen
Praktiken des Rapid-Prototyping-Engineering verwandeln Designkonzepte innerhalb weniger Tage – statt Wochen – in physische Modelle. Dadurch wird das Testen von Funktion und Benutzerfreundlichkeit bereits ein integraler Bestandteil des eigentlichen Designprozesses. Noch bevor die endgültigen Werkzeuge hergestellt werden, können die Konstruktionsteams Prototypen testen, um zu verstehen, wie Nutzer mit dem Produkt interagieren werden. Das Testen realer Prototypen ermöglicht es den Teams, die tatsächliche Benutzerfreundlichkeit der Spezifikationen zu bewerten und kostspielige Fehlschläge in späteren Phasen des Designprozesses zu vermeiden.
CAD zu physischem Modell: Kompatibilität, Funktionalität und Design in einem einzigen Prozess testen
Moderne CAD-Systeme können direkt mit Schnellprototypensystemen verbunden werden, um aus einem virtuellen Entwurf innerhalb weniger Tage ein physisches Modell herzustellen. Dieser Prozess ermöglicht es, drei Aspekte des Entwurfs in einem einzigen Schritt zu validieren: Kompatibilität (die Teile passen zusammen), Funktionalität (das Modell hält den Belastungen im Einsatz stand) und Praktikabilität (das gefertigte Modell lässt sich tatsächlich herstellen). Ein Beispiel für die Anwendung dieses Verfahrens ist die Unterstützung bei der Konstruktion eines elektronischen Gehäuses, das während des Betriebs thermische Hotspots verhindert. Die Integration all dieser Systeme kann den Entwicklungsprozess um bis zu 60 % verkürzen (Branchenbenchmark, 2024).
Beleg: 68 % der MedTech-Startups berichteten über einen erfolgreichen Erstentwurf unter Einsatz einer iterativen Schnellprototypen-Entwicklung
In der MedTech-Innovationsumfrage 2024 gaben 68 % der Befragten an, durch die Einbindung iterativer Schnellprototypenerstellung in ihren Entwicklungsprozess regulatorische Zulassungen erhalten und MedTech-Geräte ohne umfangreiche Neukonstruktionen zur Erfüllung der Compliance-Anforderungen entwickeln zu können. Dadurch lässt sich bereits früh ein Design erstellen, sodass Tests zur Sterilisation, zum Flüssigkeitsweg sowie zur Interaktion mit der Ergonomie von Ärzten bzw. Patienten durchgeführt werden können. Ein Startup, das einen Prototypen für ein Infusionsgerät entworfen und einen Drucktest zur Überprüfung von Konstruktionslecks durchgeführt hatte, identifizierte einige Konstruktionsprobleme, die andernfalls eine Verzögerung des ersten klinischen Versuchs zur Folge gehabt hätten – diese Probleme waren jedoch bei den Computersimulationen nicht aufgefallen. Durch die iterative Nutzung der Benutzeroberfläche und die Einbeziehung der Endnutzer in die Testphase konnten diese Unternehmen im Durchschnitt je Entwicklungsprozess 150.000 US-Dollar einsparen und ihre Markteinführungszeit um bis zu 40 % verkürzen. Diese Fortschritte führten zu einer höheren Erfolgsquote bei der Erlangung regulatorischer Zulassungen sowie zu einem besseren Verständnis der Anforderungen der Nutzer – was sich insbesondere in der Gestaltung der Lösung widerspiegelt.
Risikominderung durch Rapid-Prototyping-Engineering
Kritische Schnittstellen- und Integrationsfehler während des Prototypings erkennen
Das Rapid-Prototyping-Engineering liefert nahezu in Echtzeit Feedback zu Integrations- und Schnittstellenproblemen, die in virtuellen Modellen oft unbemerkt bleiben. Einige Beispiele hierfür sind eine fehlerhafte Ausrichtung von Steckverbindern, eine thermische Kopplung zwischen Leiterplatten oder Blockierungsprobleme während der Betätigung. Da diese Probleme im physischen Bereich auftreten, bevor mit der Werkzeugherstellung begonnen wird, können Teams umfangreiche Neukonstruktionen vermeiden, die den Fertigungsprozess beeinträchtigen würden. Es hat sich gezeigt, dass die Kosten für Integrations- und Schnittstellenprobleme nach Beginn der Werkzeugherstellung 92 % höher liegen als die Kosten für solche Probleme in der Prototypenphase (McKinsey Product Development Report 2023). Funktionale Prototypen können zur Prüfung von Montage-, Wartungs- und Serviceprozessen eingesetzt werden und helfen dabei, Konstruktionsprobleme zu identifizieren. Wenn Modelle realen Lasten und Umgebungsbedingungen ausgesetzt werden, werden zuvor zu abstrakte Modelle deutlich handhabbarer, da sie Verhaltensweisen aufzeigen, die erst in einer späten Entwurfsphase korrigiert werden müssten. Modelle, die unter realistischen Lasten erstellt wurden, erfordern in den späteren Phasen des Entwurfs 67 % seltener Konstruktionsänderungen.
Die Engineering-Kompetenz im Bereich Rapid Prototyping stärkt die Abstimmung mit den Stakeholdern und die gemeinsame Validierung durch den Kunden.
Prototypen sind ein universelles Werkzeug, das mehrere Disziplinen umfasst. Sie helfen dabei, Lücken zwischen dem Design-Team, dem Engineering-Team, dem Fertigungsteam, den Investoren und den Endnutzern zu schließen. Während CAD-Zeichnungen und andere Entwürfe statisch und unbeweglich sein können, bieten physische Modelle einen gemeinsamen Kontext und ermöglichen die Bewertung sowie eine Einigung über Gestaltungselemente. Prototypen erlauben zudem eine gemeinsame Validierung durch Kunden: Prototypen der frühen Entwicklungsphase werden mit potenziellen Endnutzern getestet. Dadurch lässt sich das Design des Prototyps bewerten und prüfen, ob der Prototyp und seine Funktionen mit dem aktuellen Markt übereinstimmen. Die kollaborative Prototyperstellung ist eine Praxis, die dazu beiträgt, Änderungen in der Fertigung zu reduzieren, das Vertrauen der Stakeholder zu stärken und die Markteinführungsreife zu verbessern. Das Rapid-Prototyping-Engineering wandelt den veralteten und traditionellen Ansatz der Marktbewährung – nämlich eine abschließende Überprüfung am Ende der Entwicklung – in einen kontinuierlichen Verbesserungsprozess um.
Häufig gestellte Fragen
Was ist Rapid-Prototyping-Engineering?
Rapid-Prototyping-Engineering ist die Praxis, moderne Fertigungsverfahren einzusetzen, um bereits früh im Produktentwicklungsprozess reale Prototypen zu erstellen und so Designentscheidungen zu validieren.
Wie verkürzt Rapid Prototyping die Validierungszeiträume?
Da Designentscheidungen in Echtzeit validiert werden können, eliminiert Rapid Prototyping das Problem, auf Produktzyklen warten zu müssen, um frühere Designs zu iterieren.
Welche Vorteile bieten funktionale Prototypen in der EVT, DVT und PVT?
Die Verfügbarkeit funktionaler Prototypen kann helfen, Konstruktions-, Fertigungs- und Gebrauchstauglichkeitsprobleme früher zu identifizieren und damit das Risiko sowie die mit dem Validierungsprozess verbundenen Kosten zu reduzieren.
Wie unterstützen Prototypen die gemeinsame Kundenvalidierung?
Die Verfügbarkeit physischer Prototypen ermöglicht es den Zielendnutzern, konstruktives Feedback zum Design zu geben, und hilft dabei, die Produktdesignmerkmale vor dem Markteintritt besser an die Gebrauchstauglichkeit und die Marktanforderungen anzupassen.
Von welchen Branchen profitieren die meisten Vorteile durch Prototypen mit kurzen Durchlaufzeiten? Schnelles Prototyping dient der Reduzierung von Designanpassungen in späteren Entwicklungsphasen und beschleunigt den Marktzugang in Branchen wie Unterhaltungselektronik, MedTech und Industriedesign.