In Teil 1 dieser Einführung ins Prototyping hatten wir als Beispiel damit begonnen, eine technische Lösung für die Rotor-Befestigung bei einem Windrad zu finden.

Statt einfach ohne Plan loszubauen, haben wir zuerst mal überlegt, wie wir stattdessen systematisch vorgehen können und schrittweise einer Lösung näherkommen.Dazu haben wir das Problem zuerst in Komponenten zerlegt und dann die einzelnen Anforderungen für die Rotor-Befestigung ermittelt. Nun nehmen wir die Anforderungen und bewerten diese.

Anforderungen bewerten

Dabei müssen wir zusätzlich beachten, für welche Situation die Anforderung überhaupt gilt:

  • Eure Idee dient nur für euch selbst und wir nur einmal gebraucht (Privates Einzelstück)
  • Sie soll für mich ein paar mal gebaut werden (Kleinserie)
  • Das Projekt dient als Prototyp für eine potentielle Fertigung (Proof-of-Concept / StartUp)
  • Das Projekt dient als Prototyp für eine spätere Fertigung (Vorbereitung zur Serien-Fertigung)

In Abhängigkeit von der Situation ist die Bewertung sehr unterschiedlich. Natürlich ist der Einsatz von Heißkleber und Duct-Tape bei einem Einzelstück in Ordnung, bei einem Prototypen für eine spätere Serien-Fertigung hingegen eher nicht. Warum? Was nützt Euch ein irgendwie funktionierender Prototyp, wenn wir immer noch nicht wissen, ob wir die Anforderungen in der späteren Serienfertigung erfüllen können.

Ich möchte hier kurz ein typisches Beispiel aus meiner Beratungs-Praxis erwähnen: Der Einsatz der Laser-Sinter-Technik (SLS). SLS-Teile lassen nahezu jede Geometrie zu. Ein Traum für Designer! Da werden dann im Prototypen wunderschöne Formen und Befestigungen entwickelt. Das Gehäuse ist kompakt und schön. So schön, dass andere deine Idee auch haben wollen und so der Prozess zur Serienentwicklung beginnt. Und dort lauert dann die große Überraschung. Die entwickelte Geometrie erfordert sündhaft teure Spritzgussformen oder komplizierte Fertigungsschritte. Dein neues Produkt stirbt an zu hohen Kosten, oder Du fängst bei 0 an.

Deswegen solltest Du zumindest versuchen, auch im Prototypen an eine mögliche spätere Fertigung bzw. die hierfür eingesetzten Technologien zu denken. Deswegen ist das FDM-3D-Druckverfahren besser als gedacht. Die Einschränkungen wie Stützmaterial, Ablösungen etc. sind viel näher an späteren Fertigungsverfahren. Für viele Projekte wird dies der Kunststoff-Spritzguss sein. Um gleich das richtige Design zu finden, bieten die ProtoLabs hervorragende Anleitungen und Hinweise an.

Wenngleich auch der umgekehrte Fall eintreten kann: Im Elektronik-Bereich wurschteln wir mit Lochraster-Platinen herum, während wir später in der Produktion maßgeschneiderte PCBs mit SMD Bausteinen einsetzen können. Wichtig ist, dass Du Dir vorher darüber ein paar Gedanken machst.

Für unsere Anforderungen haben wir festgelegt, dass unser Prototyp ein Proof-Of-Concept werden soll. Wir also schon unsere Anforderungen danach ausrichten sollten, ob diese sich später in der Massenfertigung umsetzen lassen. Wir erstellen dafür eine Matrix und bewerten diese qualitativ:

Anforderung Prototyp Massenfertigung
Geringe Kosten o +++
Geringes Gewicht ++ ++
Vibrationsarm ++ ++
Einfache Montage egal ++
Montagefehler erkennbar o ++
Demontage soll möglich sein ++ egal
Farbe Weiß egal +
Umweltfreundlich 0 +
Recyclebar egal ++
Drehzahlen ~ 1000 U/min + ++
Lange Lebensdauer egal ++
Witterungsbeständig egal ++
Sicherer Betrieb o ++
Super Aussehen egal

Ganz schön viel. Hättest du das gedacht? Nimm einfach mal eines deiner Projekte und überlege dir, was die Anforderungen waren.

Erkenntnis #3: Prototypen haben andere Anforderungen

Die Tabelle hilft uns nun, die richtige technische Lösung zu finden. Sie hilft uns aber auch, zu erkennen, was der Prototyp zusätzlich beherrschen muss. Hierzu zählt in der Regel stets die Demontierbarkeit. Gerade weil wir in Iterationen arbeiten, müssen wir in der Lage sein, Komponenten leicht auszutauschen. Das ist in der späteren Produktion meistens nicht mehr relevant. Hier können Nieten, starre Clipse oder auch Klebverbindungen zum guten – d.h. wirtschaftlichen – Ton gehören.

 

Die technische Lösung finden

Nein, das Rad muss man meistens nicht neu erfinden. Es gibt für viele technischen Anforderungen fertige Lösungen. In der IT-Welt heißen diese Design Patterns.

Erkenntnis #4: Design Patterns gibt es auch für Hardware. Sie heißen Normen

Für unseren Anforderungen müssen wir zunächst überlegen, wie man nach einer Lösung für unser Problem am besten sucht. Hier ist es stets eine gute Idee, nach anderen Dingen zu suchen, die ähnlich sind. Ich z.B. überlege stets, wo man dieses Problem in einem Auto oder Flugzeug vielleicht hat. Für unser Problem  kam mir sofort in den Sinn, dass z.B. die Räder am Auto ja auch auf einer Achse festgemacht werden oder die Bremsscheibe auf die Achse.

Dieser Trick hilft uns beim googeln dabei, die richtigen Begriffe zu finden, wie sie bei den Ingenieuren verwendet werden. Eine Suche nach Rotorblatt-Befestigung Norm bringt uns nur Lösungen zu Hubschraubern und vielleicht horizontalen Windrädern. Suchen wir aber nach Bremsscheibe Befestigung Norm stoßen wir schnell auf den Begriff Welle/Nabe-Verbindung. Bingo! Der dritte Treffer gibt uns eine Liste aller üblichen Verbindungen, die wir vielleicht nutzen können: Welle-Nade-Verbindungen Übersicht. Eine weitere gute Quelle sind weiterhin die guten alten Fachbücher. Für uns reichen diese meistens in einer alten Auflage und sind somit günstig.

Mit dieser Hilfe fallen bereits sehr viele möglichen Lösungen heraus. Zu kompliziert, nicht vibrationsarm usw. Wir entscheiden uns, die Lösung des ‚Kreiskeilspannsatzes‘ weiter zu verfolgen, da dieser in abgewandelter Form unseren Anforderungen sehr nahe kommt. Dabei klemmen sich einzelne Backen gegen die mittlere Welle. PLA ist dafür eigentlich nicht geeignet. Es ist nicht wirklich zäh wie z.B. Polyamid und die Kräfte zum Verbiegen sind sehr hoch. Aber bei kleinen Auslenkungen (<5%) kann man es für unsere Zwecke dennoch gut verwenden.

Der Test des Tests

Erkenntnis #5: Baue ruhig funktionale Vorab-Tests

Nun haben wir eine Lösungsidee, aber funktioniert es wirklich? Bevor wir nun an die finale Konstruktion gehen, entwickeln wir lieber einen kleinen Test oder simulieren es. CAD-Software angeworfen und im Keller ein passendes Rohr gefunden.

Die Welle/Nabe Verbindung für den Airfling S.

Innerhalb dieser Phase durchlaufen wir natürlich auch Iterationen. Am Anfang geht es meistens noch um das optimale Design und zum Ende hin verbessern wir noch die genauen Maße. In unserem Falle – und zu deiner Beruhigung – waren es dann doch einige Versuche. Aber stellt euch vor, wir wären vorher nicht planvoll vorgegangen: Wie viele Iterationen hätten wir dann durchlaufen?

Protoyping fehlgeschlagene Versuche

Und freudig stellen wir nach kurzer Zeit fest, dass unsere Lösung sehr gut geworden ist:

Protoyping: Die finale Version

Der entwickelte Verschluß läßt sich gut und schnell drucken, ist sehr stabil, vibrationsarm und sehr flach. Auch für eine spätere Serienproduktion sieht es gut aus: Hinterschneidungen gibt es nur bei der Klammer und die Rotorscheibe ließe sich sogar im Stanzverfahren herstellen. Beim Einsatz von Spritzguß-Maschinen können wir zusätzlich festhalten, dass die Anzahl der Halte-Klammern noch deutlich erhöht werden kann und somit die Festigkeit der Verbindung sich noch steigern lässt. Auch das Öffnen der Verbindung im späteren Betrieb könnten wir in der Serienfertigung über Sperren – wie beim Kabelbinder – leicht verhindern.

Vergleichen wir deswegen abschließend unsere Lösung nochmals mit unserem Anforderungskatalog:

Anforderung Prototyp Massenfertigung
Geringe Kosten yep! sehr, sehr günstig
Geringes Gewicht ja sehr gering
Vibrationsarm gut sehr gut
Einfache Montage ok sehr gut
Montagefehler erkennbar ja ja
Demontage soll möglich sein ja egal
Umweltfreundlich ja
Recyclebar ja
Drehzahlen ~ 1000 U/min passt ja
Lange Lebensdauer vermutlich ja
Witterungsbeständig ja
Sicherer Betrieb ok ja

Ausblick

Dieser Artikel ist aufgrund seiner Natur sehr theoretisch. In der nächsten Folge werden wir deswegen wieder technischer und praxisnäher. Wir werden uns Gedanken machen, wie wir mit Fertigungstricks eine Menge Geld und Zeit sparen können.

Nützliche Links

Kreativität und Struktur sind kein Widerspruch und beide sind lernbar. Hierzu gibt es unzählige Methoden und Techniken. Wenn Euch das Thema mehr interessiert, dann schaut doch in die folgenden Links, die ich sehr empfehlen kann:

Von Zufall nach Irrtum: Prototyping mit System Teil 2

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