Hardware-Prototyping nach dem Baukastenprinzip

Der schnelle Weg zum Produkt

Beim Rapid Prototyping zählt Geschwindigkeit und Flexibilität. Der 3D-Druck ist heute unverzichtbar, muss im Zeitalter der vernetzten Produkte jedoch durch ebenso flexible Mikroelektronik ergänzt werden. Interessante Lösungen gibt es schon, doch um sie zu finden, muss man erst einmal die Anforderungen kennen.

Die Erfindung des massenmarkttauglichen 3D-Druckers hat dem Rapid Prototyping einen ersten Turbo verpasst. Seitdem wurden viele weitere Lösungen in Bezug auf eine beschleunigte Produktentwicklung auf den Markt gebracht. Neben der beschleunigten Gehäuse- und Komponentenfertigung durch den 3D-Drucker konnten zudem mit Hilfe von kosteneffizienten und anwendungsfreundlichen Mikrocontrollern Entwicklungszeiten zusätzlich gekürzt werden. Die Prototypenentwicklung komplexer, digitalisierter und technisch umfangreicher Produkte ist bisher ein sehr langer, schwieriger und kostenintensiver Weg gewesen. Alle Funktionen müssen aufwendig programmiert werden und die Hardware ist häufig eine Spezialanfertigung. Um die Produktion von Speziallösungen zu umgehen, bietet der Markt bereits kostengünstige Alternativen. Bei der Auswahl der Hardware-Komponenten muss daher besonders gründlich verglichen werden. In diesem Zusammenhang sollten sich der Entwickler sowie der Einkäufer folgende Fragen stellen, welches Budget für die Entwicklung des Prototypen zur Verfügung steht. Ein gezielter Einkauf kostengünstiger Hardware ist dabei ein guter Anfang. Jedoch sollte dabei nicht die Qualität außer Acht gelassen werden. Wenn die Hardware Qualitätsmängel aufweist oder aber die Entwicklung mit der Hardware sehr aufwändig ist, kann dies in der späteren Produktentwicklung zu erheblichen Problemen führen womit die Kosten steigen.

Schnell muss es gehen

Beim Rapid Prototyping spielt der Zeit-Faktor eine große Rolle. Je länger die Entwicklung dauert, desto teurer wird das endgültige Produkt. Um jedoch später am Markt konkurrieren zu können, muss schon bei der Entwicklung ein straffer Zeitplan eingehalten werden. Die Hardware kann darauf positiven aber auch negativen Einfluss nehmen. Es ist daher empfehlenswert, Hardware zu verwenden, die einfach integriert und an die eigenen Ansprüche sowie Anforderungen angepasst werden kann. Programmiervielfalt bzw. freie Strukturen sind dabei sehr hilfreich. Wenn beispielsweise ein vorhandenes System frei programmiert und eigenständig an das eigene Produkt angepasst werden kann, kann die Entwicklungszeit deutlich reduziert werden.

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Erwartungen erfüllt?

Jedes Produkt erfüllt nach Produkteinführung vorab definierte Erwartungen. Während der Entwicklungsphase muss daher eine Primärfunktion definiert werden. Im Laufe der Planung werden oftmals weitere Potentiale entdeckt und verleiten dazu dem Produkt weitere Funktionen zu geben. Oft werden aber auch die Eigenschaften der Primärfunktion und die damit verbundenen Ansprüche an die Hardware geändert, um die optimale Lösung zu realisieren. Hardwareseitig sollte daher darauf geachtet werden, dass ein Lieferant bzw. Hardwarehersteller gewählt wird, der ein möglichst großes Sortiment an Sensoren, Aktoren sowie weitere hilfreiche Module besitzt und diese möglichst auch in verschiedenen Ausfertigungen. Muss der Lieferant aufgrund fehlender Module gewechselt werden, ist dies extrem aufwendig, da das gesamte Produkt mit einem komplett neuen System erneut ausgestattet und getestet werden muss. Der Prototypenbau verlangt daher nach einem System, das sehr flexibel und umfangreich ist, sodass ein Wechsel so gut wie ausgeschlossen werden kann. Planungssicherheit ist dabei ein zentraler Bestandteil.

Passenden Hersteller suchen

Anhand des definierten Hardwareprofils muss nun ein passender Lieferant gefunden werden. Dafür sollte ausreichend Zeit eingeplant werden. Hersteller sind zahlreich am Markt vertreten. Häufig ist die Hardware verschiedener Anbieter nicht miteinander kompatibel. Einige wiederum haben sich zudem auf eine spezielle Funktion fokussiert, wie z.B. auf Mikrocontroller zur Steuerung von Elektromotoren. Andere Systeme sind hingegen günstig und umfangreich.

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Modulares Baukastensystem

Ein System das sich für das Rapid Prototyping eignet, ist beispielsweise das modulare Baukastensystem von Tinkerforge. Programmierkenntnisse sowie elektrotechnische Kenntnisse sind für dessen Nutzung nicht zwingend erforderlich. Mittels eines Programms wird die Handhabung auch ohne geschriebenen Code ermöglicht. Hardwarearbeiten wie löten sind ebenfalls nicht mehr notwendig. Sogenannte Bricks werden im Baukastensystem wie Bausteine übereinander gesteckt und sind für die Kommunikation zwischen Computer und Bricklet zuständig. Die Bricklets werden per Kabel an einen Brick angeschlossen und besitzen unterschiedliche Funktionen. Im Anschluss muss der Aufbau via USB an den PC angeschlossen werden. Das Programm erkennt die einzelnen Module und vergibt ihnen in diesem Zug eigene Benutzerkennung (UID), über die jedes Modul einzeln angesteuert werden kann. Das System kann für Testaufbauten oder Kleinserien verwendet werden bei denen umfangreiche Sensoren und Eingabemethoden sowie Schnittstellen benötigt werden. Auch zur Steuerung von Motoren bietet Tinkerforge Mikrocontroller an.

Vision des Endprodukts

Produktmanager und Entwickler, die sich mit dem Prototypenbau beschäftigen, sind früher oder später auf der Suche nach passenden Komponenten für ihr Produkt. Diese müssen zuverlässig und kostengünstig sein, damit der Entwickler sich voll und ganz der Vision des Endproduktes widmen kann. Für die Realisierung eines Rapid Prototyping-Prozesses gilt, sich mit Fragen nach Budget, Zeit und Hardware zu beschäftigen, bevor der Prototypenbau beginnt. Ist dies geschehen, besteht eine hohe Chance auf eine erfolgreiche Produktentwicklung. Welcher Hardware-Hersteller dann der Richtige ist, muss aufgrund der Vielfalt der Anwendungsmöglichkeiten jeder Entwickler für sich selbst entscheiden.