Konstruktion kappt Kosten

Prototyping - Ein Hersteller von Laborprodukten musste einen Mischer für Gewebeproben neu entwickeln und zur Produktreife führen. Die Zusammenarbeit mit einem Prototypen- und Kleinserien-Produzenten ermöglichte dabei eine Senkung der Produktionskosten um 80 Prozent.

10. Mai 2007

Eine wichtige Aufgabe der Lebensmittelanalyse ist die Untersuchung von Gewebeproben auf eine Kontamination mit den Erregern der Rinderkrankheit BSE, die eventuell auch den Menschen befallen können. Eine solche Massenuntersuchung erfordert deshalb einfach zu bedienende Untersuchungsgefäße, die jeweils nur einmal zum Einsatz kommen, um Kreuzkontaminationen zu verhindern.

Der Aufschluss der Proben geschieht dabei in einem sogenannten Mini-Mixer, einem Kunststoffgefäß in der Größe eines kleinen Joghurtbechers mit einem integrierten Mixstab, der die Gewebeprobe in einer Pufferlösung bei 20.000 Umdrehungen pro Minute zerkleinert.

Komplette Neukonstruktion

Probleme bereiteten bei diesem Verfahren die umständliche und nicht prozesssichere Bedienung und vor allem der Preis. Für den Hersteller waren dies Anlässe genug für eine Quasi-Neuentwicklung des Produkts. Die wichtigste Vorgabe im Pflichtenheft war dabei die Reduzierung der Herstellungskosten, weil der Mini-Mixer als Einweg-Produkt zum Einsatz kommen muss. Schon in einer frühen Entwicklungsphase konnten die Konstrukteure die Produktgestaltung erheblich verbessern, indem sie den Mischer-Deckel mit Schiebe-Öffnung durch einen Klappdeckel ersetzten. Zudem wurde das Gehäuse nicht mehr durch Verschrauben, sondern per Dichtlippe montiert und schnappend zusammengefügt.

Auch die Vorschrift des Pflichtenhefts nach einer Einhand-Bedienung wurde erreicht. Nach der gelungenen Konstruktion am CAD-Bildschirm musste allerdings ein Verfahren gefunden werden, mit dem sich erste Muster und eine kosten-günstige Kleinserie von mindestens 2.700 Stück für die Erprobung und Validierung produzieren ließen. Übliche Prototypen-Verfahren wie die Stereolithographie oder Laser-Sintern scheiden hier aus, weil sie nicht genügend Teile in der erforderlichen Qualität und nicht aus Originalmaterial liefern können, wie es für eine praxisnahe Erprobung erforderlich ist. Andere gebräuchliche Verfahren zur Prototypen- und Kleinserienproduktion wiederum sind zu aufwendig und verursachen hohe Kosten.

Die Produktentwickler wandten sich deswegen an einen bewährten Prototypen- und Kleinserien-Produzenten, die Protoform K. Hofmann GmbH in Fürth. Das Unternehmen ist Entwickler des Verfahrens des Space Puzzle Molding (SPM) für die schnelle Kleinserien-Produktion von Kunststoffteilen in Originalmaterial und Serienqualität.

Bis heute wurden mit diesem Verfahren mehr als 9.000 Projekte vom Bauteil bis zur kompletten Baugruppe realisiert und dabei marktfähige Teile in Kleinserien bis zu 3.000 Stück produziert.

Ruckzuck zum Prototyp

Das Verfahren verwendet unkomplizierte Formwerkzeuge aus Aluminium, die aus Einzel-Einsätzen dreidimensional zusammengesetzt werden und mit denen sich in teilmanueller Produktionsweise schnell Prototypen und Kleinserien mit bis zu 5.000 Teilen mit normalen Spritzgießmaschinen produzieren lassen. Die Spritzgieß-Formwerkzeuge lassen sich dabei in jeder Entwicklungsphase problemlos kostengünstig ändern, optimieren und modifizieren. Üblicherweise erlaubt das Verfahren die Kleinserienfertigung von Teilen mit Stückgewichten bis zu 2.200 Gramm.

Zunächst optimieren die Franken üblicherweise die bestehende CAD-Konstruktion nach produktionstechnischen Gesichtspunkten, um die Herstellungskosten in der Serienproduktion zu senken. Im Falle des Labormischers hatten die Konstrukteure hier schon gute Arbeit geleitstet, bestätigt der damalige Projektleiter Wolfgang Tykvart: »Das war eine nahezu perfekte Produktkonstruktion - durchdacht entwickelt, bestens Durchkonstruiert -, und wir bekamen perfekte CAD-Daten ins Haus.«

Dennoch fanden die Entwicklungstechniker beider Unternehmen gemeinsam noch einige Ansatzpunkte für eine Optimierung der Teile.

Beispielsweise erhielt das Unterteil nun eine Dichtfuge mit Klickfunktion, die gleichzeitig verbindet und abdichtet. Im Oberteil wurden eine Verstärkung und Entlüftung vorgesehen und als neues Design-Element eingebracht. Auch der Klappdeckel wurde unverlierbar per Filmscharnier direkt an das Oberteil angebunden. Hinterschnitte in der Konstruktion des Deckels, die die Produktion erschweren würden, wurden eliminiert. Daneben erhielt der Boden des Mini-Mischers eine DIN-gerechte Struktur und einen in der Ringnaht versteckten Anguss, der in der späteren Produktion zwangsentformt wird. Zudem wurde die Konizität aller Teile für das einwandfreie Entformen in der Spritzgieß-Serienproduktion korrigiert.

Nach der Produktion erster Einzelstücke der optimierten Produktkonstruktion mit SPMFormwerkzeugen erwies sich zudem das vorgesehene Polyamid-Material für den Misch-Behälter als weniger geeignet für die vorgesehene Gestaltung, weil es sich beim Entformen im warmen Zustand leicht verwarf.

Zum Einsatz kommt jetzt ein farbloses Polypropylen, das eine Reihe von Vorteilen bei Produkt und Anwendung bietet. Der neue »Prio-Clip« passt in eine Hand und wirkt nicht nur eleganter und hygienischer als sein Vorgänger, sondern besteht vor allem nur noch aus drei Funktionsteilen anstelle von acht.

Eng begrenzt war bei dem Projekt jedoch der Entwicklungs-Etat: Nur 15.000 Euro waren als Obergrenze angesetzt - für das gesamte Projekt, von der Produktoptimierung unter Großserien-Gesichtspunkten über die Formen-Fertigung nach dem SPM-Verfahren bis zur Produktion der Kleinserie von mindestens 2.700 Teilen. Dennoch benötigten die Fürther weniger als 500 Arbeitsstunden für Konstruktion, NC-Programmierung, Formenfertigung und Teileproduktion, und konnten ihren Kunden innerhalb eines guten Monats die gewünschte Stückzahl an Serienprodukten in Originalmaterial liefern. Entscheidend ist jedoch der Kostenvorteil:

Durch überlegte Entwicklung, sorgfältige Konstruktion und detaillierte Optimierung in der Prototypen-Phase konnten die Herstellungskosten für den Probenmischer auf ein Fünftel reduziert werden.

Wolfgang G. Trapp/bt

Erschienen in Ausgabe: 03/2007