CNC-Prototypen-Dienstleistungen für die Funktionsprüfung

Funktionstests erfordern Prototypen, die das Verhalten der endgültigen Teile unter realen Bedingungen genau reproduzieren. CNC-Bearbeitung bietet eine gangbare Lösung zur Herstellung von hochwertigen Prototypen unter Verwendung von Serienmaterialien. Diese Analyse vergleicht CNC mit alternativen Verfahren (3D-Druck, Urethanguss) hinsichtlich Genauigkeit, Lieferzeit, Materialeigenschaften und Kosten. Testdaten bestätigen, dass CNC-Prototypen eine dimensionale Genauigkeit von ±0,05 mm sowie Materialeigenschaften innerhalb von 5 % der Serienwerkstoffe erreichen. Fallstudien zeigen die erfolgreiche Validierung von tragenden Komponenten in Luftfahrt und Medizingeräten. Die Ergebnisse unterstreichen die Bedeutung von CNC-Prototyping für die funktionale Verifikation, wenn Materialintegrität und Präzision unabdingbar sind.

1 Einführung

Funktionale Tests verbinden die Designvalidierung mit der Serienproduktion. Mit zunehmender Produktkomplexität im Jahr 2025 erfordert die Simulation der Leistung unter realen Bedingungen Prototypen, die von den endgültigen Bauteilen nicht zu unterscheiden sind. Traditionelle, 3D-gedruckte Prototypen versagen oft unter mechanischer/thermischer Belastung aufgrund anisotroper Eigenschaften. Das CNC-Bearbeiten schließt diese Lücke, indem es Prototypen aus werkstoffgerechten Materialien ermöglicht (z. B. Aluminium 6061-T6, PEEK). Diese Studie quantifiziert die Wirksamkeit der CNC-Prototypenerstellung für die funktionale Verifikation anhand von vergleichenden Kennzahlen und industriellen Anwendungen.

2 Methodik

2.1 Experimenteller Rahmen

Fünf Testkomponenten wurden prototypisch hergestellt mit:

• CNC-Bearbeitung : 3- und 5-Achsen-Fräsmaschinen (Haas VF-2, DMG MORI)

• Additiver Fertigung : SLS (Nylon PA12), SLA (Somos Taurus)

• Unguss mit Polyurethan : Smooth-Cast 300

2.2 Validierungskennzahlen

• Maßhaltigkeit : CMM-Messungen (Mitutoyo Crysta-Apex)

• Materialverhalten : Zugversuche (Instron 5967), Temperaturwechsel (-40°C bis 120°C)

• Funktionelle Prüfung : Lastbeständigkeit (Hydraulikpresse), Dauerbeanspruchung

3 Ergebnisse und Analyse

3.1 Genauigkeit und Materialeigenschaftstreue

Tabelle 1: Vergleich der Prototypenverfahren

CNC-Prototypen behielten nach thermischen Belastungstests eine dimensionsstabile Genauigkeit von ±0,05 mm – besser als SLS (Verformung bis zu 0,3 mm) und Polyurethan (0,45 mm).

3.2 Ergebnisse der Funktionstests

• Luftfahrt-Bügel (Al 7075-T6) : CNC-Prototypen überstanden 15.000 Lastwechsel bei 120 % Betriebsbelastung; SLS-Bauteile versagten nach 3.200 Zyklen.

• Medizinischer Implantat (Ti-6Al-4V) : CNC-gefertigte Komponenten bestanden Biokompatibilitäts- und Abnutzungstests, während gegossenes Polyurethan Partikel abgab.

4 Diskussion

Werkstoffbedingte Leistungsfähigkeit : Der Einsatz isotroper Metalle/Konstruktionskunststoffe durch CNC ermöglicht eine vorhersagbare Fehleranalyse. Anisotropie bei SLS-Bauteilen erzeugt Spannungskonzentrationen, die in CAD-Modellen nicht erkennbar sind.

Einschränkungen : Höhere Anfangskosten im Vergleich zum 3D-Druck (durchschnittlich +35 %) machen CNC für nicht kritische visuelle Prototypen weniger geeignet. Geometrische Einschränkungen bestehen für innere Kanäle mit einem Durchmesser <0,8 mm.

Branchenrelevanz : CNC-Prototyping reduziert Werkzeugnacharbeit um 40–60 % für Anwendungen in der Automobil-/Luftfahrtindustrie. Entwickler von Medizinprodukten nutzen dies für Prototypen zur FDA-Zulassung, die Materialrückverfolgbarkeit erfordern.

5 Fazit

CNC-Bearbeitung bietet einzigartige Präzision (±0,05 mm) und Materials Genauigkeit für funktionale Prototypen. Die Fähigkeit, Metalle und Thermoplaste für Endanwendungen zu verarbeiten, ermöglicht eine zuverlässige Simulation mechanischer, thermischer und chemischer Eigenschaften. Empfohlen für:

• Kritische tragende Komponenten

• Regulierten Branchen (Medizintechnik, Automobilindustrie)

• Validierung von Hochvolumenproduktionen
  Zukünftige Forschung sollte hybride Ansätze (z. B. CNC + DED) für komplexe Innengeometrien untersuchen.