Быстрое прототипирование и литейный цех

Влияние 3D-печати на литье в песчаные формы и литье по выплавляемым моделям

3D-печать — одно из многих достижений, позволяющих быстрее создавать прототипы.

Дизайнер, предприниматель или изобретатель получает идею и начинает процесс ее воплощения в жизнь. Сначала идея состоит из эскизов и планов, исследований и дизайна, но основное внимание дизайнера уделяется созданию физического объекта. Ничто не заменит держать макет или прототип и наблюдать, как видение воплощается в жизнь. Прототипирование позволяет дизайнеру быть уверенным в своей идее, устранять производственные недостатки и привлекать инвесторов или клиентов.

Во время первого запуска объекта в мир создатель должен управлять своим новым продуктом через вопросы интеллектуальной собственности, окончательный анализ затрат, механические и эстетические проблемы, а также ожидания инвесторов, клиентов или рынка. Хороший запуск прототипа дает возможность изучить все эти вопросы.

К счастью, развитие быстрого компьютерного прототипирования упростило технические детали этого процесса, позволив творцу создавать наилучший из возможных продуктов.

История прототипирования

До появления компьютерных технологий все литые металлические прототипы строились по шаблонам, разработанным вручную. После начального этапа проектирования мастер-модельер превращал рисунок в трехмерную скульптуру. Для литья в песчаные формы эти модели обычно делались из дерева, но иногда из металла или керамики. Некоторые модели были созданы из воска для литья по выплавляемым моделям. Эти свободные узоры были первой общей визуализацией конечного объекта.

Эти шаблоны не будут идентичны прототипу, даже если они будут похожи на конечный продукт. Выкройки часто немного больше конечной модели, чтобы компенсировать усадку в процессе литья металла. Они также могут быть разделены на секции, созданные как простые геометрические контуры для форм для зачистки, или иметь странные углы, предназначенные для компенсации деформации сжимающегося металла или для создания уклона для выемки рисунка из песчаной формы.

Выкройки передавались опытному формовщику в литейном цеху, обычно для создания песчаной формы, необходимой для отливки прототипа. Этап лепки раньше был сложным, не таким простым, как простое вдавливание рисунка в песок. Формовщик должен был вырезать линии разъема отливки, а также разместить необходимые каналы и отверстия, которые позволили бы расплавленному металлу равномерно и полностью заполнить форму и без дефектов остыть. Эти каналы включают литник или вход, в который заливается жидкий металл; затворы, которые представляют собой каналы переменного размера, которые контролируют скорость потока расплавленного материала; желоба, которые позволяют жидкому металлу перетекать из одной области формы в другую; и стояки, ванны большого объема, которые остаются горячими дольше, чем отливка, и поэтому могут подавать жидкий металл в отливку по мере ее охлаждения и усадки, предотвращая образование отверстий.

В результате этой кропотливой работы модельера и формовщика отливались металлические прототипы.

После того, как литейщики извлекли из формы чистую металлическую отливку, первоначальный конструктор мог ее оценить. Эстетика, вес, отделка и посадка станут ясны. Если бы это был не просто декоративный объект, а что-то, предназначенное для выдерживания механических нагрузок, дизайнер проверил бы объект, нагрузив его до указанного допуска и выше, чтобы проверить конструкцию. Литейщики также тестировали прототипы, уничтожая их:отливку разрезали на части, чтобы найти деформации внутри.

Внедрение дизайна в производство также сделало бы инвестиции и доход более ясными. Дизайнер или изобретатель может использовать фазу создания прототипа для составления бюджета и определения эффективности полного производственного цикла.

После всех этих размышлений о прототипе могут потребоваться изменения в дизайне. Независимо от того, были ли изменения большими или маленькими, они, как правило, снова требовали часов работы для моделиста-ремесленника, а затем и для формовщика.

Создание прототипа было долгим и дорогостоящим процессом.

Оцифровка и компьютерный дизайн

Развитие быстрого прототипирования значительно упростило создание рабочей модели. Это также задерживает первый раз, когда требуется физический объект.

Чертежи и технические эскизы когда-то делались вручную. Теперь они оцифровываются с помощью программ CAD (Computer Assisted Design). В процессе создания прототипа очень просто многократно изменять цифровые файлы САПР, в то время как перерисовывать исторические чертежи было трудоемко.

Чертежи САПР можно превратить в сложные и хорошо продуманные модели производственного цикла и конечного продукта. Это этап цифрового прототипирования, при котором создается полная компьютерная модель, которая больше похожа на первоначальный прототип, чем это было возможно с ручкой и бумагой. Файлы САПР также могут использоваться компьютерными программами, содержащими производственную и производственную информацию. Если дизайнер отправляет файлы САПР со своим объектом в литейный цех, металлурги могут использовать программы с обширными базами данных свойств металлов и процессов литья для оценки эскиза и прогнозирования возможных проблем. Проблемы, для обнаружения которых когда-то потребовался опытный образец, можно обнаружить еще до того, как будет залит первый металл.

Эти программы также полезны для литейщиков, помогая размещать литники, литники, направляющие и подступенки в местах, которые будут создавать наиболее прочную отливку, прежде чем шаблон попадет в литейный цех.

Тем не менее, какими бы сложными или хорошо воображаемыми они ни были, они все равно остаются абстракциями. Людям часто нужен физический прототип, чтобы действительно понять дизайн.

Мокапы и предварительные прототипы

С появлением 3D-печати макеты можно делать быстро и в любом масштабе, часто задолго до того, как свяжутся с производителем. В настоящее время дизайнеры часто создают свои собственные первые прототипы. В миниатюре или в масштабе дизайнер может держать макет своего проекта, чтобы увидеть, как все это может быть объединено.

3D-печать является частью нового стиля быстро меняющегося «итеративного дизайна». 3D-модели можно распечатать, подвергнуть критике, изменить и перепечатать в течение дня. Это быстро и дешево по сравнению со сложным процессом изготовления моделей и литья металла.

В литейном цехе быстрое прототипирование может также помочь в создании шаблонов, которые будут впрессовываться в форму новыми и нестандартными способами. Обработка с лазерным наведением может изготавливать узор из металла. С помощью 3D-печати можно напрямую создавать модели для литья по выплавляемым моделям, что может оказаться эффективным для небольших или сложных тиражей.

Производственные прототипы

В конце концов, прототипы должны быть изготовлены из нужного материала и нужного размера, а у производителя будет заказана небольшая партия продукции. Появление цифровых технологий означает, что и модельщик, и формовщик теперь руководствуются в своей работе компьютерными программами, что ускоряет эти этапы прототипирования. Но не все изменилось. Для первых прототипов литья в песчаные формы до сих пор обычно создается свободная деревянная модель (или восковая модель для литья по выплавляемым моделям). Эти рабочие модели будут изготовлены и испытаны, как всегда.

Литейный завод до сих пор проводит разрушающие испытания. Металлисты вырезают или вырезают сердцевину из некоторых отливок, чтобы убедиться в отсутствии дефектов или в том, что любые дефекты находятся в пределах согласованных допусков. Когда литейный завод будет уверен, они отправят образцы заказчику. Затем клиент заканчивает отливку, как он намеревался, и запускает ее в работу. Выглядит ли рабочий прототип так, как задумано? Может ли он справиться с ожидаемой нагрузкой?

В новых изобретениях новатору может потребоваться несколько раундов рабочих прототипов, чтобы возиться с дизайном или материалом. Для более стандартных деталей рабочий прототип может быть доказательством концепции, которая найдет клиентов или инвесторов, готовых заплатить за полный производственный цикл.

Скорость этих прототипов увеличивается с появлением таких технологий, как ультразвук и рентген. Литейные заводы теперь могут проводить неразрушающие испытания так же, как и разрушающие. Техники могут проверить прочность металла, не разрезая отливку. Это означает, что можно изготовить меньшее количество прототипов и при этом обеспечить полную проверку на производственной линии. Изделия, прошедшие неразрушающий контроль на литейном заводе, могут быть отправлены с литейного производства заказчику для осмотра, отделки и нагрузочных испытаний. Таким образом, быстрое прототипирование также обеспечивается новыми вариантами неразрушающего контроля, которые позволяют сократить инвестиции в серийное производство прототипов.

Соглашения о неразглашении и патенты

Быстрое прототипирование затрагивает не только технические вопросы, но и вопросы интеллектуальной собственности. Как только дизайн покидает мастерскую дизайнера и переходит в мир производства, интеллектуальная собственность становится проблемой.

Если продукт является первым в своем роде, изобретатель, как правило, планирует подать заявку на патент. Во многих случаях неразумно подавать патент до того, как будет протестирован работающий серийный образец. И работа, связанная с созданием прототипа, и последующее тестирование дизайна могут выявить недостатки, которые могут изменить патентную заявку.

Патенты публично объявляются при подаче заявки. Быстрое прототипирование нагревает производственный цикл для всех. Несовершенный патент может стать творческим стимулом для конкурента, который может быстро начать собственные исследования и разработки, используя патент в качестве основы. Таким образом, ожидание окончания создания прототипа для получения патента часто является защитой как стоимости, так и интеллектуальной собственности. Изобретатель, как правило, не хочет тратить деньги на сложный патентный процесс, чтобы просто переделывать его, а за ним следует конкуренция.

Этот процесс может заставить изобретателя чувствовать себя уязвимым, что кто-то в процессе прототипирования может скопировать его дизайн и первым вывести его на рынок. Поэтому важно иметь хорошие отношения с уважаемым производителем и защищать проекты четкими соглашениями о неразглашении.

Быстрое прототипирование для улучшения дизайна

Другая сторона этого предостережения — деловое стремление выпустить продукт, пусть даже на ограниченных тестовых рынках или для бета-тестеров. Основатель LinkedIn Рейд Хоффман часто цитирует слово "Если вас не смущает первая версия вашего продукта, значит, вы запустили его слишком поздно".

Быстрое прототипирование помогает дизайнерам создать лучший продукт перед выходом на рынок. Однако простота этого этапа может быть песней сирен, которая заставляет дизайнеров работать над тем, чтобы довести все до идеала перед запуском. Важно помнить, что разработка не должна заканчивать работу по доработке и совершенствованию продуктов. Жизнь отливки может начаться с проектирования и прототипирования, но часто порождает поколения продуктов, которые слегка меняют стиль, материал, метод отливки, механические свойства, размер или функцию.

Предыдущий пост:Дизайн литья металлаПроцесс литья металлаСледующий пост:Методы литья металла