Brauchen wir im digitalen Zeitalter noch physische Prototypen?

Digitalisierung zählt nicht nur im Maschinenbau zu einem der wichtigsten Innovationsfaktoren. Mit Pauken und Trompeten hält sie Einzug in zahlreiche Branchen und transformiert betriebliche Prozesse in vielerlei Hinsicht. Hierzu zählt unter anderem die Herstellung digitaler Prototypen, die geradezu eine Revolution von bisher verwendeten Produktionsabläufen versprechen. Sie  ermöglichen kürzere Entwicklungszeiten, eine Schonung von Ressourcen sowie die Einsparung von Kosten. 

In der Architektur ist die Arbeit mit digitalen Zwillingen heute bereits Best Practice. Planer und Fachingenieure arbeiten mit ihrer Hilfe ortsunabhängig zusammen und können ihre Entwürfe ohne immensen Materialeinsatz in Echtzeit testen und optimieren. Was bedeutet das nun aber für unsere Stahlbranche? Werden wir bei der Herstellung von Stahlprofilen künftig ebenfalls komplett auf physische Prototypen verzichten können? Lassen Sie uns dieser Frage im folgenden Artikel gemeinsam nachgehen.

Welchen Zweck erfüllt ein Prototyp?

Physische Prototypen sind funktionsfähige, aber vereinfachte Versuchsmodelle eines geplanten Produktes oder Bauteils. Sie ermöglichen im Rahmen des Entwicklungsprozesses die laufende Präzisierung und Verifizierung von Anforderungen. Unbeabsichtigte Wechselwirkungen zwischen einzelnen Produktkomponenten lassen sich mit ihrer Hilfe frühzeitig erkennen und in Folge mit vergleichsweise wenig Aufwand beseitigen. 

Für die Herstellung eines Prototyps sollte eine Produktidee jedenfalls so weit fortgeschritten sein, dass eine Planskizze erstellt werden kann. Darüber hinaus müssen im Vorfeld der Fertigung bereits Material und Produkteigenschaften des späteren Endprodukts feststehen, sowie die Art des Prototyps.   

4 Arten von Prototypen

Für die Herstellung von Prototypen kommen unterschiedliche Herstellungsverfahren zur Anwendung, in der Blechverarbeitung ist das beispielsweise Kanten oder man nutzt die Möglichkeiten des 3D-Drucks. Grundsätzlich gibt es vier verschiedene Arten von Prototypen:

1. Designprototyp: Dabei handelt es sich um ein Konzeptmodell zum Testen ergonomischer und ästhetischer Merkmale.
   
   
2. Geometrischer Prototyp: Hier wird ein passgenaues Modell zur Konkretisierung von Materialanforderungen gefertigt und für erste Versuche betreffend Montage und Verwendung eingesetzt.
   
   
3. Funktionsprototyp: Diese Variante dient zum Testen der funktionalen Eigenschaften eines Bauteils, das später in Serie gefertigt werden soll.
   
   
4. Technischer Prototyp: Ein Versuchsmodell, das dem zukünftigen Endprodukt bereits sehr stark ähnelt. In manchen Branchen ist die Erstellung eines technischen Prototyps rechtlich vorgeschrieben. So müssen etwa die Prototypen von Automobilherstellern mit genau jenen Verfahren und Werkzeugen hergestellt werden, die später auch bei der Serienfertigung zur Anwendung kommen.  

Da es sich bei physischen Prototypen naturgemäß um Einzelanfertigungen handelt, ist deren Herstellung oft mit einem beträchtlichen Kostenaufwand verbunden. Digitale Prototypen haben daher das Potenzial zum echten Game Changer.  

Was können digitale Prototypen?

Der Name ist Programm. Bei der Herstellung eines digitalen Prototypen entsteht das gesamte Produkt am Rechner - von der Konzeption über die Konstruktion bis hin zur Fertigung und Montage. Analog dazu werden Änderungen, Fehlerbeseitigungen und Optimierungen ebenso direkt am digitalen Produkt vorgenommen. Voraussetzung für eine zweckdienliche Nutzung ist die durchgängige Verfügbarkeit von Daten über alle Produktionsstufen hinweg. 

Digitale Prototypen sind mittlerweile Standard bei der Entwicklung von Autos, Flugzeugen oder langlebigen Konsumgütern. Auch in der mittelständischen Industrie sowie im Maschinenbau setzen sie sich immer mehr durch. Denn der finanzielle Aufwand für 3D CAD-Systeme und andere Lösungskomponenten wird seit Jahren immer geringer, während die Ergebnisse digitaler Simulationen immer genauer werden. 

5 Vorteile digitaler Prototypen

Digitale Modelle kommen der Realität immer näher und die Schere zwischen Simulation und Echtdaten wird praktisch täglich kleiner. Unternehmen profitieren daher bei der Verwendung digitaler Prototypen von folgenden fünf Vorteilen: 

1. Digitale Prototypen verursachen deutlich weniger Kosten als ihre physischen Pendants.
   
   
2. Verschiedene Konstruktionsvarianten können am Computer leicht ausgetestet bzw. optimiert werden und das simultan.
   
   
3. Digital erstellte Prototypen erleichtern die gemeinsame Arbeit über Abteilungs-, Firmen- oder geographische Grenzen hinweg. Auf diese Weise werden die besten Spezialisten ihres jeweiligen Fachgebiets ohne viel Aufwand in die Produktentwicklung mit einbezogen. 
   
   
4. Versuchsanordnungen und notwendige Tests werden mit digitalen Simulationen schneller aufgebaut und durchgeführt als mit physischen Modellen.
   
   
5. Notwendige Konstruktionsänderungen können in eine frühe Phase der Entwicklung vorgezogen werden, wo sie wesentlich geringere Kosten verursachen als zu einem späteren Zeitpunkt, z.B. weil die Produktion von Serienwerkzeugen noch nicht angelaufen ist. 
   
   

Wie entstehen Prototypen für rollgeformte Profile aus Stahl?

Die Herstellung eines Prototypen mit authentischen Produkteigenschaften für rollgeformte Sonderprofile ist eine aufwändige und kostspielige Angelegenheit. Genau das ist bei vielen Produkten jedoch gesetzliche Notwendigkeit und der Prototyp muss aus sicherheitstechnischen Gründen exakt dem fertigen Produkt entsprechen. 

Zur Fabrikation des Prototypen braucht es daher exakt die gleichen Werkzeuge und das gleiche Anlagensetup wie für die Herstellung einer regulären Serienproduktion. Ob man nun Rollprofile im Materialäquivalent von 50.000 Laufmetern machen möchte oder lediglich 5 Prototypen, spielt im Prinzip keine Rolle: die Kosten sind, bis auf die Anschaffung des Fertigungsmaterials, de facto dieselben.  

Prototyping bei Welser Profile

Wir wissen bereits: Die Erstellung eines physischen Prototypen mittels Maschinen bedeutet einen beträchtlichen Kostenaufwand für Rollformen. Aus diesem Grund empfehlen wir unseren Kunden für die Herstellung ihres physischen Modells stets die Zusammenarbeit mit einem kleineren Handwerksunternehmen. Bei Welser Profile übernehmen wir die Produktion von Prototypen nur auf ausdrücklichen Kundenwunsch, wenn dies eine Must-Have-Anforderung ist. 

Demgegenüber haben wir bereits für die Planungsphase eine Reihe an Tools und Best Practices etabliert, wie unsere Kunden möglichst effizient und kostensparend zu ihrem Wunschprofil kommen:

• Mit dem Welser Creator lassen sich neue Produktideen digital ausprobieren und ausgiebig auf Machbarkeit testen.
  
  
• Rapid Prototyping erlaubt in nur wenigen Stunden die Erstellung eines Modells, das in Optik, Form, Toleranz und Funktion einem Profil aus Stahl entspricht.
  
  
• Unsere Experten bieten umfassende Unterstützung in jeder Projektphase und helfen beim Entwickeln einer passenden und kosteneffizienten Lösung für Ihr Wunschprofil.
  
  

Flexible Produktanpassung beim Rollformen

Obwohl sich Maschinen zum Rollformen aus wirtschaftlichen Gründen kaum für die Erstellung eines Prototyps eignen, bietet das Rollformen selbst einen großen Vorteil: durch das modulare Design der maßgefertigten Werkzeuge kann jede einzelne Rolle unkompliziert ersetzt werden. 

Für geringfügige Änderungen am Produkt braucht es daher keine kostspielige Investition in einen komplett neuen Aufbau, sondern lediglich den Austausch einzelner Segmente und Fertigungsrollen. 

Fazit: Mit dem richtigen Mindset ist der physische Prototyp bald Geschichte

Die vielfältigen Möglichkeiten der Digitalisierung machen die Produktion physischer Prototypen weitgehend obsolet. Das setzt allerdings auch geeignete Rahmenbedingungen im Hinblick auf die digitale Kompetenz und Kooperation aller Akteure voraus. Außerdem braucht es entsprechende Anpassungen auf Seiten des Gesetzgebers und ein Umdenken der Industrie selbst. 

In einem ersten Schritt sollten Sie sich bei der Entwicklung eines neuen Produkts daher die Frage stellen: Brauchen wir in dieser Phase überhaupt einen physischen Prototypen? In den meisten Fällen lautet die Antwort: Nein. Eine digitale Simulation reicht völlig. Und zwar für jede einzelne Stufe im Entwicklungsprozess. 

Was ist also die beste Lösung? 

Bei Welser Profile ist das eine enge Zusammenarbeit, bereits sehr früh im Produktentwicklungsprozess. Denn digitale Errungenschaften und das Know-how unserer Experten führen auch ohne physische Prototypen zu optimalen Ergebnissen - und das zu deutlich geringeren Kosten.