Выбор процесса быстрого прототипирования

Успех или неудача прототипа зависит от вашего выбора процессов быстрого прототипирования для разработки нового продукта. Существуют различные способы создания прототипов технических изделий:от простых картонных макетов до полностью обработанных металлических узлов.

Прототипирование имеет решающее значение для проектирования любого инженерного продукта, особенно для разработки нового продукта. Это процесс создания грубых моделей продукта, например, для проверки его функциональности, формы, размера и т. д. Узнайте больше о различных типах прототипов и их важности здесь.

Эта статья посвящена прототипам, состоящим из частей, т. е. тому, как отдельные части могут использоваться для создания прототипов продуктов на уровне системы.

5 ключевых факторов, которые следует учитывать при выборе процесса быстрого прототипирования

Прототипы различаются по многим параметрам, поскольку каждый проект, продукт и элемент дизайна продукта отличаются друг от друга. Поскольку успех любого прототипа будет зависеть от критериев выбора процессов прототипирования, эти 5 ключевых факторов следует учитывать в начале любого процесса быстрого прототипирования.

Цель
Качество
Количество
Сложность
Бюджет/стоимость

Давайте углубимся в эти ключевые факторы, чтобы понять, почему они важны при выборе вашего следующего процесса прототипирования.

1. Цель

По словам Ульриха и Эппингера (2008), в рамках проекта проектирования и разработки инженерного продукта прототипы создаются для четырех целей. Они учатся , Общение , Интеграция и Вехи . Эти цели прототипирования будут различаться в зависимости от того, на каком из 4 этапов разработки нового продукта (NPD) вы У каждого этапа NPD будут свои функции и требования к функциональности для устранения риска. Затем это определит тип точности требуемого прототипа, то есть качество прототипа, которое будет обсуждаться позже.

Во-первых, это будет зависеть от запланированных тестов или мероприятий по снижению рисков. например, типы тестов, отзывы клиентов и т. д. Если продукт будет проходить тщательное тестирование, внешнее развертывание и проверку продукта, то выбор материала будет играть ключевую роль в выборе методов прототипирования.

Во-вторых, любой функциональный аспект вы хотели бы, чтобы ваш прототип должен быть рассмотрен. Планируете ли вы функциональные тесты или у вас есть движущиеся части? Это будет определять выбор и сборку.

В-третьих, изменения и модификации . Маловероятно, что ваш прототип будет успешным без нескольких изменений. Итак, подумайте, насколько легко или сложно будет изменить прототипы, чтобы они заработали.

этап NPD

Планирование продукта и уточнение задачи
- На этом этапе обычно требуется очень ранняя проверка концептуальных макетов, демонстрационных установок и прототипов промышленного дизайна.
- Методы создания прототипов
  - Модели из пенопласта с ЧПУ
  - Картонные макеты
  - 3D-печатные детали и сборки (FDM, SLA, SLS и т. д.)

Концептуальный дизайн
- На этом этапе вам, вероятно, потребуются масштабированные части или сборки конструкции, а также некоторый пользовательский интерфейс и ограниченные функциональные возможности.
- Опять же, детали FDM отлично подходят для ощущения формы и размера. Если вам нужна большая точность, вы можете перейти на следующий уровень 3D-печати, то есть SLA, SLS и полиструйные детали. Если детали металлические, то ЧПУ на этом этапе — ваш лучший выбор. В некоторых случаях также стоит рассмотреть возможность изготовления листового металла.
Дизайн воплощения
- Это этап разработки, на котором вам необходимо изучить полностью функциональные (форма, соответствие и функции) прототипы, поэтому важны детали. На данном этапе более чем вероятно, что прототипы будут рабочими сборками, содержащими множество деталей.
- На этом этапе вам также потребуется более одного устройства для целей тестирования, а также стоит рассмотреть окончательные методы производства, чтобы их можно было смоделировать.
- Рассмотрите возможность вакуумного литья и 3D-печати с высоким разрешением, например SLS и SLA, для пластиковых деталей.
- Детали SLM/DMLS идеально подходят для имитации литья деталей (литье в песчаные формы, по выплавляемым моделям и под давлением).

Детальный дизайн
- Любой прототип, созданный на этом этапе, скорее всего, будет использоваться для функционального тестирования, а также для предварительных пилотных запусков.
- Прототипы деталей, изготовленных методом литья под давлением, можно создавать с помощью вакуумного литья, а обработанные пластиковые детали можно печатать на 3D-принтере.

2. Качество

Как обсуждалось ранее, верность или точность продукта required будет определять, какой тип процесса и постобработки вам потребуется. Также необходимо учитывать качество прототипа по сравнению с вашим конечным продуктом или подкомпонентом. Поскольку высокоточные прототипы стоят дороже, их следует рассматривать с точки зрения окупаемости инвестиций.

Например, если у вас есть резьба на детали, SLA лучше, чем FDM, но будет стоить дороже.

Жизнь прототипа также имеет решающее значение при выборе технологии. Например, если детали имеют крепежные детали, которые будут часто использоваться, то механически обработанные или металлические вставки будут лучшим вариантом, чем резьбовые или саморезные отверстия, напечатанные на 3D-принтере.

Выбор материала также играет жизненно важную роль с точки зрения качества прототипа. Если функциональные элементы связаны с особыми свойствами материала, такими как чистота поверхности и долговечность, то выбор деталей, изготовленных методом аддитивного производства, может быть не лучшим выбором. Общий выбор материалов для различных методов производства следующий:

3D-печать	ЧПУ	Вакуумное литье
Нейлон, PLA, ABS, ULTEM, ASA, TPU	АБС, нейлон, поликарбонат, PEEK	АБС, нейлон нейлон HT
Алюминий, нержавеющая сталь, титан, инконель	Алюминий, нержавеющая сталь, титан, латунь	Н/Д

Если прототип состоит из более чем одной детали, то для простоты интеграции необходимо учитывать допуски прототипных частей.

3. Количество

Количество необходимых деталей прототипа имеет важное значение при принятии решения о процессе, поскольку некоторые технологии прототипирования рентабельны только для небольших количеств. Для аддитивного производства объем деталей также играет решающую роль в стоимости, так как более крупные детали требуют больше времени для печати по сравнению с более мелкими деталями. Как правило, применяются следующие правила.

Пластиковые детали

Прототип процессов
Пластиковые детали		Количество
Пластиковые детали		Низкий (1)	Средний (десятки)
Размер	Маленький	3D-печать	ЧПУ (простая) 3D-печать (сложная)
Размер	Большой	3D-печать	Вакуумное литье Обработка с ЧПУ

Металлические детали

Прототип процессов
Металлические детали		Количество
Металлические детали		Низкий (1)	Средний (десятки)
Размер	Маленький	ЧПУ 3D-печать	Обработка с ЧПУ Литье по выплавляемым моделям
Размер	Большой	Обработка с ЧПУ	Обработка с ЧПУ

4. Сложность

Сложность детали и замысловатость функций также будут диктовать быстрый выбор процесса прототипа. Аддитивное производство хорошо подходит для производства очень сложных мелких деталей, но следует с осторожностью относиться к окончательному дизайну, поскольку сложное означает очень дорогое массовое производство.

Процесс	Допуск (мм)	Минимальная толщина стенки (мм)
FDM	±0,20 – ±0,50	0,8–1,0
SLS/SLA	±0,20 – ±0,30	0,7–1,0
SLM/DMLS	±0,10	0,4–0,5
струйная обработка связующего	±0,20	1,5 мм – 2,0 мм
ЧПУ *	±0,012	0,5
Вакуумное литье	±0,1	0,9–1,0

Обратите внимание, что эти допуски и минимальная толщина стенки являются типичными значениями и сильно различаются в зависимости от выбора материала и конструкции элемента.

Детали, которые в конечном итоге производятся методом литья под давлением, различные формы отливок, могут быть прототипированы с помощью 3D-печати, а обработанные детали могут быть напечатаны на 3D-принтере или изготовлены с использованием традиционных процессов формования или субтрактивного производства.

5. Стоимость

Наконец, доступные ресурсы; цель прототипа будет идти рука об руку с доступными ресурсами. Время, деньги и человеко-часы, необходимые для изготовления и работы прототипов, необходимо учитывать при выборе технологии быстрого прототипирования.

О чем следует подумать:

В большинстве случаев время, затрачиваемое на постобработку или доработку детали из низкокачественных прототипов, будет больше, чем в случае с высококачественными прототипами.
Некоторые процессы, такие как 3D-печать, могут потребовать некоторого времени на постобработку, но это относительно быстрее и дешевле, в то время как вакуумное литье позволяет получить детали, почти идентичные литью под давлением, и может использоваться без постобработки. Однако это будет дороже из-за стоимости инструментов.
Стоимость станков с ЧПУ пропорциональна сложности детали, а стоимость станков с ЧПУ прямо пропорциональна объему и размеру.
Общая стоимость также будет тесно связана с количеством, которое больше для такого процесса, как ЧПУ, из-за более высокой стоимости настройки.

Обзор

Разработка нового инженерного продукта почти всегда включает в себя создание прототипов для проверки идей, функций и т. д. Но качество вашего тестирования и последующего принятия решений будет сильно зависеть от того, насколько хорошо ваш прототип имитирует конечный продукт. Таким образом, выбор правильного процесса создания прототипа имеет решающее значение для успеха любого инженерного продукта.

Когда у вас будет четкое представление о пяти ключевых факторах, приведенных выше, вы сможете выбрать тип процесса для изучения. Существует так много способов создания прототипов, и у каждого процесса прототипирования есть свои преимущества и ограничения. Таким образом, правильный выбор жизненно важен для успеха прототипирования.

Этапы процесса быстрого выбора прототипа