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Ideen (be)greifbar machen

Umsetzen, testen und verbessern: Durch Prototyping zum Ziel.

ProduktionDesign

Was ist ein Prototyp eigentlich?

Bisher existiert deine Idee nur im Geiste oder als technische Zeichnung? Um den nächsten Schritt hin zum Testen oder letztendlich zur Serienfertigung und Umsetzung zu gehen muss aber etwas Handfestes her: Ein Prototyp. Ein Prototyp ist ein Vorab-Exemplar oder Versuchsmodell. Prototyping ist dabei in den meisten Fällen weniger das Ziel, sondern eher die Methode um Schritt für Schritt zum Ziel zu gelangen. Dieser iterative Arbeitsprozess setzt sich demnach zusammen aus Prototyping, Testen, Verbessern, Prototyping, Testen, Verbessern usw. Somit ist Prototyping kein linearer Prozess, sondern vielmehr durch ausprobieren und testen geprägt. Häufig steht zu Beginn eine Problemstellung, deren Lösung sich mit Kreativität und Akribie angenähert wird. Das Video Smart Design Objectified illustriert dies recht gut.

Auch wenn ein Prototyp etwas Handfestes sein soll, so ist es nicht zwangsläufig etwas zum in die Hand nehmen. Denn auch in der Softwareentwicklung gibt es Prototypen, die als Alpha- oder Betatests bezeichnet werden. Darüber hinaus lassen sich Dienstleistungen durch Prototypen veranschaulichen und in der Realität testen. Dieser Artikel bezieht sich im Folgenden jedoch hauptsächlich auf materielle Produkte. Die meisten Überlegungen können aber auch für Dienstleistungen oder Fertigungsprozesse angewandt werden.

Es gibt verschiedene Arten von Prototypen, die auch unterschiedliche Funktionen erfüllen. Der Designprototyp und der Präsentationsprototyp sind hauptsächlich zur Veranschaulichung der Idee da, während der Vorfertigungsprototyp bereits alle Funktionen des fertigen Produktes abbildet. Trotzdem sind Prototypen keine in Stein gemeißelten Rohmodelle und immer offen für Veränderungen. Je nach Entwicklungsstand und Art des Produktes bedarf es eines anderen Prototyps. Erst wenn ein Prototyp gebaut wurde, kann man sehen die Idee in der angedachten Weise umsetzbar ist oder ob Modifikationen vorgenommen werden müssen. Im Prozess der Prototypenerstellung kann man so viel über das Produkt und mögliche Verbesserungen lernen.

Zu was braucht man überhaupt einen Prototyp?

Prototypen erfüllen mehrere Funktionen. Sie werden vor allem dafür eingesetzt, eine Idee zu veranschaulichen. Oftmals werden erst beim Erstellen eines Prototypen Probleme klar, derer man sich zuvor noch gar nicht bewusst war. Abstrakte Vorstellungen werden auf einmal real indem man den Prototypen nicht nur zweidimensional ansehen, sondern vor allem auch anfassen kann! Dies ist enorm wichtig um eine Idee im wahrsten Sinne des Wortes zu begreifen. Es hilft auch dabei, den Nutzer besser in den Entwicklungsprozess mit einzubeziehen. Sobald eine Idee in Form eines Prototypens materialisiert ist, kann man den Nutzer in der Interaktion mit diesem Prototypen beobachten und neue, wichtige Erkenntnisse für die Weiterentwicklung gewinnen. Feedback und Diskussionen rund um einen Prototypen helfen somit auf dem Weg zur Konkretisierung und Optimierung einer Idee. Die Idee kann veranschaulicht werden und ermöglicht das Sammeln erster praktischer Erfahrungen bei begrenztem finanziellem Risiko.

CAD
CAD bedeutet Computer Aided Design, also computergestützte Gestaltung. CAD-Modelle sind nichts anderes als technische Zeichnungen in elektronischer Form. Ihr Vorteil liegt darin, dass bei Änderungen nicht die komplette Zeichnung neu erstellt werden muss. Außerdem erlauben diese Programme auch die Anfertigung von 3D-Modellen und die Simulation von Herstellungsprozessen. Gängige Programme sind AutoCAD und Rhino3d. Ein Video von Autodesk gibt einen ersten Eindruck, wie ein solches Programm aufgebaut ist.

Vor allem um Investoren oder potenzielle Kunden von der Idee zu überzeugen, ist ein Prototyp weitaus aussagekräftiger als jede technische Zeichnung oder ein CAD-Modell. Auch für Lizensierungen braucht man häufig einen guten Prototyp, um praxisnah argumentieren zu können.

Quellen
  • Byers, T. & Dorf, R. (2011). Technology Ventures: From Idea to Enterprise. New York.
  • Fischer, A., Sauer, H. et al. (1987). Dabei Handbuch für Erfinder und Unternehmer: Von der Idee zum Produkt und zur Vollbeschäftigung. VDI-Verlag: Düsseldorf. 
  • Rapp, A. (2011). Von der Idee zum Produkt für Dummies. Wiley-VCH Verlag: Weinheim.
 

So vielfältig wie Prototypen an sich sind, ist auch ihre Herstellung. Vom selber basteln im Hobbykeller bis zur Hightech Fertigung im Industriebetrieb ist alles möglich. Bevor man sich für eine Herstellungsmethode entscheidet sollte zunächst geklärt werden ob man die Herstellung in die eigene Hand nehmen möchte oder sich professionelle Hilfe holt. Bei Eigenanfertigung kann man viele Erkenntnisse über seine Idee gewinnen. Doch selbst wenn man seinen Prototyp selbst herstellt ist es empfehlenswert seine Arbeit überprüfen zu lassen. Frei nach dem Vier-Augen-Prinzip können hier viele wichtige Einsichten gewonnen werden. Wenn aber die Komplexität oder die nötigen Ressourcen dies unmöglich machen, gibt es mehrere Methoden wie man weiter vorgehen kann. Eine Möglichkeit ist es, sich gezielt Hilfe für einzelne Teilschritte zu holen, wie zum Beispiel durch einen Handwerker. Eine andere Möglichkeit ist die Fertigung komplett in die Hand eines darauf spezialisierten Ingenieurbüros zu geben. Diese verfügen meist über großes Know-How und die neuesten Fertigungstechniken. Außerdem kann hier eine professionelle Dokumentation der Entwicklungsprozesse erstellt werden, die bei der Serienfertigung sehr hilfreich sein kann.

Nachdem man sich für einen Herstellungsweg entschieden hat, muss man sich nun mit der Herstellungsmethode und den zu verwendenden Materialien beschäftigen. Dabei bestimmt die Materialwahl zumeist auch schon den Herstellungsweg. Folgende Gesichtspunkte sind entscheiden für die Wahl des richtigen Materials:

  • Kosten für die Beschaffung und Verarbeitung
  • Verfügbarkeit
  • Haltbarkeit in Relation zur Nutzungsdauer
  • Umweltverträglichkeit und Sicherheit (Giftigkeit etc.)
  • Äußere Erscheinung 
  • Entsorgung des Materials

Es steht eine Unzahl an verschiedenen Materialien zur Verfügung, aus denen das Richtige anhand der oben genannten Kriterien ausgewählt werden sollte. Eine grobe Unterteilung der Materialien in vier Gruppen lässt sich wie folgt vornehmen:

  • Metalle
  • Polymere und Elastomere
  • Verbundwerkstoffe
  • Keramiken und Gläser 

Wenn das Material der Wahl gefunden ist, steht die Umsetzung an. Wie bereits erwähnt geben gewisse Materialien den Herstellungsweg bereits vor. Wie zum Beispiel Holz das Schreinern, Kleben und Nageln.

Es gibt diverse Methoden einen Prototypen herzustellen. Neben den klassischen Methoden wie Basteln, Glasblasen, Nähen oder Schreinern, gibt es auch ein paar modernere Methoden, auf die an dieser Stelle genauer eingegangen wird.

Rapid Prototyping

Das Rapid Prototyping ist eine Art des 3D-Drucks. Hier werden Kunststoffunikate aus Photopolymerharz relativ preisgünstig hergestellt. Dazu wird die Geometrie des Prototyps in das CAD-Programm eines Computers übertragen und dann mittels Lasern das Bauteil aus Photopolymerharz hergestellt, das durch die Einwirkung des Lasers aushärtet. Mit einer solchen Anlage können schnell und mit hoher Präzision fast beliebig geformte Kunststoffteile erstellt werden. Der Preis richtet sich dabei nicht nach der Komplexität des Teiles sondern nach dem gewählten Material und dem Aufwand zur Bearbeitung der Computerdatei. Im Internet finden sich viele Unternehmen die Rapid Prototyping anbieten, z.B. rapidprototyping.de oder FKM Laser Sintering.

Es funktioniert inzwischen auch andersrum: Mittels 3D-Scan kann ein Objekt schnell digitalisiert werden.

Laser cutting

Laser cutters brauchen ein 2D-Bild nach dessen Maßen das Produkt letztlich geformt bzw. geschnitten wird. Die Linien in einem einfachen Paint-Bild dienen dabei dem Laser als Schnittvorlage. Laser cutting funktioniert nach demselben Prinzip wie das Ausschneiden eines Kreises aus einem Papier. Die gezeichnete Linie dient als Schnittvorlage. Laser cutting ist ein relativ einfaches und günstiges Verfahren. Im Internet finden sich viele Anbieter, wie zum Beispiel A.L.L. Lasertechnik oder Universal Laser Systems.

CNC machines

Wenn man etwas aus Materialien herstellen möchten, die sich beliebig formen lassen wie Holz oder Metall, dann sind sogenannte CNC machines eine gute Lösung. Diese Maschinen bearbeiten das Material durch Schneiden, Schleifen oder Ähnlichem. Um zum Endprodukt zu gelangen, wird hier aus einer Basisform etwas „entfernt“, dies funktioniert etwa wie bei einem Bildhauer, der einen Marmorblock bearbeitet. Einfache CNC machines sind oft nur Halterungen für einen frei bewegbaren Dremel oder dergleichen. Unabhängig vom Aufsatzkopf können sich CNC machines in alle drei Dimensionen bewegen (x, y und z). Damit kann sehr präzise gearbeitet werden. Teure Modelle haben sogar bis zu fünf Bewegungsachsen. Für den Hobbygebrauch ist My DIY CYN ein gutes Gerät, etwas professioneller ist ShopBot Desktop.

Vom Prototyp zum fertigen Produkt

Jetzt ist es an der Zeit den Schritt vom Erfinder zum Unternehmer zu machen. Durch stetige Dokumentation und Verbesserungen werden hier die letzten Stufen hin zur Serienfertigung genommen. Im Gegensatz zur Herstellung eines Prototyps ist bei der Serienfertigung ein hoher Automatisierungsgrad wichtig. Ebenso sind die Herstellungskosten bei der Serienfertigung von größerer Bedeutung. Dies wird allein aus der Menge der zu fertigenden Produkte deutlich. Der Herstellungspreis hat aber auch großen Einfluss auf den Endpreis eines Produktes und sollte deshalb möglichst gering gehalten werden.

Solange ein Produkt nur als Prototyp besteht und noch nicht in Serie gegangen ist, sind Änderungen sowohl am Design als auch an der Funktionsweise verhältnismäßig günstig und einfach durchführbar. Deshalb sollte der Prototyp in dieser Phase genauesten Kontrollen unterzogen werden. Bei der Qualitätskontrolle ist vor allem auf folgende Mängel zu achten:

  • konstruktive Mängel
  • falsche Vorhersage der Einsatzbedingungen
  • Überbeanspruchung
  • fehlerhafte Reparaturen oder Wartung
  • falsche Verwendung
  • Fehler bei der Fertigung

Als nächster Schritt steht die Auswertung des Testprotokolls und die damit verbundene Beseitigung der oben genannten Mängel an. Dabei sollten auch die Lebensdauer des Produktes so festgelegt werden, dass für diese Zeitspanne eine einwandfreie Nutzung garantiert werden kann.

Das Ziel sollte stets ein ideales Produkt sein. Um diesem Ideal möglichst nahe zu kommen, gibt es einige Regeln, die man beachten sollte. Zum einen sollten Hilfsfunktionen weitestgehend eliminiert werden. Auch die Anzahl der einzelnen Teile und damit auch die der möglichen Fehlerquellen sollte gering gehalten werden. Ein ideales Produkt nutzt soweit möglich natürliche physikalische Effekte wie die Erdanziehung oder den Magnetismus. Außerdem ist es hilfreich Funktionen zu integrieren: es ist besser wenn eine Funktion nur durch eine einzelne Einheit bewerkstelligt wird als wenn mehrere Einheiten des Entwurfes dieselbe Funktion übernehmen. Bei dem Weg zum idealen Produkt gibt es kein Patentrezept. Ein Grundprinzip, dass man stets vor Augen halten sollten ist: Weniger ist mehr! Weniger Teile, weniger Komplexität, weniger Redundanz.

Nachdem alle Verbesserungen in den Prototypen eingearbeitet sind, sollte man ihn von externen und unabhängigen Personen testen lassen um eine andere Sichtweise auf das Produkt zu bekommen. Hierbei ist es sinnvoll, Vertreter der potentiellen Zielgruppe als Tester zu suchen, da diese die konkreten Nutzerbedürfnisse kennen.

Nach der Einarbeitung dieser Erkenntnisse steht das fertige Produkt. Trotzdem sind noch einige Schritte notwendig bevor das Produkt in Serie produziert werden kann. So ist es wichtig, einen Testverkauf in relativ geringer Stückzahl zu starten. Zwar ist dies recht kostenintensiv, es können jedoch wertvolle Informationen über Logistik, Vertrieb und Verpackung gewonnen werden, die einen entscheidenden Einfluss auf den Erfolg des Produkts haben. So kommen nur sehr wenig Produkte ohne Verpackung aus, wie zum Beispiel Autos. Für alle anderen Produkte gilt: Die Verpackung ist der erste Eindruck, den der Verbraucher von dem Produkt bekommt. Darüber hinaus ist es wichtig auf die Einhaltung gesetzlichen Regeln und Normen zu achten. Andernfalls könnten Änderungen und Anpassung im Nachgang sehr teuer werden.

Ein letzter Schritt bevor man mit dem Produkt an den Markt gehen kann ist das Fertigen einer sogenannten Nullserie. Bei einer Nullserie wird das Produkt in großer Stückzahl produziert, letztlich aber nicht verkauft. Bei dieser abschließenden Qualitätskontrolle können letzte Schwächen bei der Fertigung erkannt und behoben werden.

Quellen
 

 

Im Frühjahr 2015 eröffnete in Garching bei München der erste Techshop in Deutschland. Auf 1500qm bietet diese High-Tech Werkstatt verschiedenste Maschinen, Werkzeuge und Software zum Prototypenbau und zur Kleinserienfertigung. Unter anderem gibt es dort Lasercutter, 3D-Drucker, Wasserstrahlschneider, CNC Maschinen, ein Elektroniklabor und eine komplette Holzwerkstatt. Zusätzlich werden professionelle Kurse, Workshops und Anleitungen durch Fachpersonal angeboten. Hier können Bastler, Tüftler, Künstler, Erfinder, Gründer aber auch Handwerker und Studierende sich kreativ austoben. Die Mitgliedschaft ist kostenpflichtig. Weitere Informationen gibt es auf der Internetseite von der Unternehmertum.

Ein kurzes Video über den Techshop in San Francisco gibt einen Eindruck, wie ein TechShop aussieht:

  

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