Kombinierte Kompetenz

Rapid Prototyping - Kostengünstige Produkte mit sinnvoller Gestaltung fordern die kombinierten Kompetenzen von Konstrukteuren, Designern und Produktionstechnikern heraus - von der Formgestaltung bis zur optimierten Kleinserienfertigung. Ein patentiertes Verfahren für Prototypen macht schnelle Produktentwicklung möglich.

29. April 2005

Neue Wege gingen Ingenieure bei Siemens Automation & Drives als sie ein tragbaren Gerät für die Datenerfassung und -übertragung in Intralogistik, Warenwirtschaft und Außendienst entwickelten: Die Konstruktion von Prototypen sollte in kürzester Zeit zugleich marktfähige Produkte liefern. Die Siemens-Designer hatten schon klare Vorstellungen über die äußere Form des Gerätes: Benötigt wurde ein robustes, ovales Kunststoffgehäuse für den industriellen Einsatz, das das ›Mobile Handterminal STG‹ tragbar und betriebssicher, griffig macht und zudem vor Spritzwasser schützt. Zudem sollte das zweiteilige Kunststoffgehäuse ein handy-ähnliches Datenerfassungsgerät mit Tastatur und Display aufnehmen, um mit einem Zentralcomputer zu kommunizieren. Für die optimierte Form des Kunststoffgehäuses wandten sich die Produktentwickler mit einem Design-Muster für drei Gehäuseteile in Form von CAD-Daten im CATIA-Format an die Firma Protoform in Fürth, die auf solche Entwicklungsprojekte sowie die Herstellung von Kleinserienauflagen spezialisiert ist.

Space Puzzle Molding

Die Franken verwenden dazu als einziges Unternehmen in Europa das patentierte Verfahren des ›Space Puzzle Molding‹, kurz SPM genannt. Dieses kombinierte Rapid-Tooling- und Rapid-Prototyping-Verfahren liefert in kurzer Zeit simplifizierte, kostengünstige Formwerkzeuge aus Aluminium. In manueller Einzelfertigung auf normalen Spitzgießmaschinen lassen sich damit Prototypen-Serien und Kleinserien von Kunststoffteilen aus Original-Kunststoff in der Qualität von Serienteilen produzieren. Das Verfahren ermöglicht Kleinserien von Prototypen, üblicherweise in Stückzahlen von 500 bis 1.000 Stück und erlaubt so die Überprüfung der Markt- und Praxistauglichkeit einer Konstruktion sowie Versuche aller Art vor dem Beginn der Serienproduktion. Besonders geeignet ist das SPM-Verfahren für komplexe Teile und komplizierte Geometrien und Formen, die in der Entwicklungsphase noch ›reifen‹ und abgeändert werden müssen. Es erleichtert somit eventuell notwenige Änderungen der Produkte während des gesamten Entwicklungsprozesses - bis zu einem Produkt, das so von Anfang an produktionsreif ist. Die Technologie arbeitet mit Spritzgieß-Formwerkzeugen, die alle gängigen Kunststoffmaterialien verarbeiten, auch mit Zusätzen. Technisch ermöglicht das Verfahren dabei alle üblichen Produktions-Techniken wie Gas-Innendruck- und Wasser-Injektionstechnik, Mehr-Kunststoff -Technik, die Insert- und Outsert-Technik und das Folien-Hinterspritzen. Das Ergebnis sind funktionsfähige Echtteile aus dem jeweiligen Original-Material, die in Material, Qualität und Aussehen den späteren Serienteilen entsprechen und auch als verkäufliche Erstserie auf den Markt gebracht werden können. Die wichtigste Aufgabe der Konstrukteure von Protoform war es, die Ergonomie- und Außenhaut-Vorgaben des Designers in ein produzierbares Kunststoffprodukt umzusetzen. Gefragt waren also die Erfahrungen von Formenbau-Konstrukteuren und Produktionstechnikern, um das komplette ›Innenleben‹ des Produktes zu gestalten. Im ersten Schritt übernahmen die Fürther die dreidimensionale CATIA-Konstruktion auf das hauseigene 3D-CAD-System Unigraphics NX 2. Siemens lieferte dazu die Datensätze der inbauteile, wie Elektronik-Platinen, Sendeteil, Antenne, Stromversorgungsteile, Batteriehalterungen, Tasten und Knöpfe. Die Konstrukteure aus Fürth mußten also dafür passende Dome und Halterungen schaffen, Schraub- und Verbindungslöcher einbringen sowie die notwendigen Entformungsschrägen für ein späteres Formwerkzeug berücksichtigen. Das eingesetzte CAD-System von Unigraphics ermöglicht solche Modifikationen ohne großen Aufwand. So erforderte die Anpassung der Aufnahmen und Halterungen an die inzwischen veränderten Elektronikkomponenten lediglich eine ›Korrekturschleife‹. Gefragt war bei alledem jedoch nicht allein die Erfahrung in der Produktion von Kunststoffprototypen: Im Zentrum der CAD-Konstruktion bei Protoform steht immer die Fertigung eines Spritzgieß-Formwerkzeugs, mit dem sich die Teile auch wirtschaftlich herstellen lassen. Im Falle des Datenerfassungsgerätes schlugen die Konstrukteure vor, ein ursprünglich geplantes drittes Teil, in dem das portable Tastaturresteil einrasten und gehalten werden sollte, nicht separat zu produzieren, sondern in das Gehäuse der Oberschale zu integrieren. Durch diesen Verbesserungsvorschlag konnte schon in der Prototypenproduktion ein drittes Formwerkzeug eingespart werden, und auch für die spätere Serienproduktion waren nunmehr nur noch zwei statt drei Formwerkzeuge erforderlich. Neben den erheblichen Kosten für die Formwerkzeuge vermied diese Lösung in der späteren Teile-Produktion zudem auch den gesamten Fertigungsschritt der Montage des dritten Teils mit all ihren Fehlermöglichkeiten, Kosten und Folgekosten. Trotz dieser vielfältigen Aufgaben erforderte die gesamte Teilekonstruktion der Ober- und Unterschale des portablen Handterminals sowie die nachfolgende Konstruktion der beiden SPM-Formwerkzeuge jedoch lediglich etwa 100 Konstrukteurs-Arbeitsstunden. In der eigenen Kunststoffspritzerei entstand danach mit den SPM-Werkzeugen eine verwendbare Pilot-Serie von fast 100 Stück, die in Bedienbarkeit, Optik und Haptik vollständig den Serienteilen entsprachen. Das gesamte Entwicklungsprojekt benötigte mit diesem Verfahren einem Zeitraum von nur vier bis fünf Wochen. Und für Protoform-Geschäftsführer Peter Hofmann ist klar, daß das SPMVerfahren nicht nur Zeit spart: »Die Gesamtkosten, mit allen Leistungen von der konstruktiven Produkt-Optimierung über die Formwerkzeugkonstruktion, die Umsetzung in NC-Programme, die Formwerkzeug-Fertigung und die Produktion der Erst-Serie von fast 100 Stück konnten hier noch unter 20.000 Euro gehalten werden.«

Wolfgang G. Trapp

Erschienen in Ausgabe: 03/2005