Быстрое прототипирование:эволюция 3D-печати

Быстрое прототипирование с момента своего создания является одним из основных преимуществ аддитивного производства. В то время как прототипы могут занимать дни, недели или даже месяцы с использованием более ранних технологий, с аддитивным производством прототипы могут быть изготовлены практически за одну ночь, что значительно ускоряет этап проектирования и разработки продукта.

Возможность создавать концепцию или долговечность Функциональные прототипы в кратчайшие сроки делают 3D-печать идеальным решением для более быстрого перехода от идеи к производству. Сегодня мы рассмотрим эволюцию быстрого прототипирования и AM и их значение для стадии разработки продукта.

Что такое быстрое прототипирование?

Быстрое прототипирование означает быстрое изготовление моделей и прототипов с использованием данных САПР. Такие модели визуально и / или функционально тестируются и проверяются на этапе разработки продукта.

Быстрое прототипирование дает множество преимуществ, не в последнюю очередь потому, что оно обеспечивает рентабельный способ оценки и тестирования производительности перед выпуском конечного продукта. Хотя для создания прототипов можно использовать другие методы, такие как литье под давлением, это не всегда может быть правильным вариантом из-за высоких затрат на инструменты и невозможности быстро внести изменения в конструкцию.

Стремление к более инновационным дизайнерским решениям и ускорению вывода на рынок привело к разработке более эффективных процессов, особенно подходящих для быстрого создания прототипов - именно так впервые появилась 3D-печать.

Вывод прототипирования на новый уровень

С появлением 3D-печати у дизайнеров и инженеров появилась возможность вывести прототипирование на новый уровень. Эта технология не требует использования инструментов (устраняет необходимость в дорогостоящих инструментах), хорошо подходит для мелкосерийного производства и позволяет изготавливать детали в гораздо более короткие сроки. Это означает, что прототипы можно изготавливать намного быстрее и экономичнее, а поскольку все детали, напечатанные на 3D-принтере, происходят из цифровых файлов САПР, проекты также можно обновлять и настраивать гораздо проще.

Быстрое прототипирование также может помочь инженерам определиться с окончательным дизайном перед запуском в производство, что снижает вероятность дорогостоящих ошибок. Например, дизайнеры продукции Wöhler, немецкого производителя метрологии и контрольно-измерительной техники, недавно напечатали на 3D-принтере функциональный прототип прибора для измерения влажности древесины, эстетика которого близка к конечному продукту. Прототип устройства состоял из жесткого и гибкого компонентов и должен был быть изготовлен из разных материалов. Для этого компания использовала смолы инженерного класса для стереолитографии (SLA), чтобы создать прочный прототип, способный выдержать функциональные испытания без каких-либо повреждений.

Функциональные прототипы особенно важны на этапе разработки продукта, поскольку они дают возможность проверить механические свойства готовой детали.

Быстрое прототипирование:технологии 3D-печати

Появление технологий 3D-печати подняло понятие прототипирования на новый уровень. Функциональные прототипы теперь могут быть изготовлены за считанные часы из различных пластмасс и металлов, благодаря развитию технологии AM.

Стереолитография

Появление стереолитографии (SLA) в 1980-х годах ознаменовало начало эры быстрого прототипирования. Эта технология использует ультрафиолетовый лазер для отверждения и отверждения ультратонких слоев фотополимерной смолы и является выбором для прототипов, требующих точности или гладкой поверхности. Первые SLA-принтеры были большими и ненадежными машинами, производившими модели с шероховатой поверхностью. Однако три десятилетия спустя SLA превратилась в хорошо зарекомендовавший себя и экономичный инструмент для производства деталей с высокой точностью размеров и гладкой поверхностью. В настоящее время на рынке представлено множество предложений машин SLA, от настольных принтеров до более крупных промышленных машин. SLA также предлагает широкий выбор материалов с широким спектром предлагаемых полимерных материалов.

Хотя SLA считается одной из самых быстрых доступных технологий 3D-печати, последние достижения в технологиях полимеризации в чанах (к которым SLA принадлежит) привели к разработке потенциально более быстрых процессов. Одним из примеров является технология непрерывного производства жидких фаз (CLIP) компании Carbon. Представленный в 2015 году, CLIP можно использовать для создания функциональных прототипов и готовых деталей с механическими свойствами, разрешением и обработкой поверхности, которые очень похожи на детали, полученные литьем под давлением.

Селективное лазерное спекание

Селективное лазерное спекание (SLS) - еще одна ранняя технология 3D-печати, появившаяся в конце 1980-х годов. Процесс включает в себя сплавление пластмассового порошкового материала с помощью мощного лазера. Чаще всего он используется в таких отраслях, как авиакосмическая промышленность и медицина, где свойства материала прототипа имеют решающее значение.

Со временем SLS превратилась в зрелую производственную технологию, предлагающую сочетание высокой точности, скорости, долговечности и отсутствия необходимых поддерживающих структур - вот почему его обычно выбирают для более сложных функциональных прототипов. Хотя изначально с помощью этой технологии можно было производить только небольшие объекты, сегодня системы SLS могут производить прототипы различных размеров, причем некоторые из более крупных машин могут печатать детали длиной один метр и более. Широкий спектр материалов, от нейлона и керамики до различных металлов, также может использоваться с SLS, что делает его отличным вариантом прототипирования для коммерческих приложений.

Хотите узнать больше? Загрузите наш подробный технический документ о 3D-печати SLS здесь.

Системы SLS исторически были более дорогими для компаний (их стоимость исчислялась сотнями тысяч долларов). Однако в 2014 году срок действия патента на технологию истек, что привело к появлению более доступных альтернатив, таких как настольный 3D-принтер Formlabs Fuse 1.

Моделирование наплавленного осаждения .

С момента появления на рынке компанией Stratasys в 1990-х годах Fused Deposition Modeling (FDM) стало наиболее широко используемой технологией 3D-печати. Частично это объясняется истечением срока действия нескольких патентов на FDM в 2009 году, что с тех пор породило волну настольных 3D-принтеров FDM по значительно более низкой цене, что сделало эту технологию отличной отправной точкой как для любителей, так и для компаний.

С FDM нити термопласта выдавливаются на платформу для печати по одному слою за раз. Диапазон материалов, подходящих для FDM, также значительно увеличился:сегодня производители могут выбирать между термопластами с различными свойствами, от эластичного TPU до прочного и армированного ABS, до высокоэффективных материалов, таких как PEEK, что обеспечивает большую гибкость при производстве функциональных прототипов.

Полноцветное прототипирование и создание прототипов из нескольких материалов

Связующее и струйная обработка материалов

Появление в начале 2000-х годов цветной и мультимедийной 3D-печати создало захватывающие возможности для создания прототипов, которые являются точной копией конечной детали. Binder и Material Jetting - две ключевые технологии, которые все чаще используются для создания моделей, которые могут отображать внешний вид конечной детали. Многоцветные возможности этих процессов также помогают упростить такие этапы постобработки, как рисование. Основное различие между двумя технологиями заключается в том, что Binder Jetting использует связующий агент для сплавления пластиковых порошков, тогда как Material Jetting работает путем осаждения капель фотоотверждаемых смол.

С помощью Material Jetting можно напечатать в 3D не только прототипы разных цветов, но и детали, сочетающие в себе различные свойства материала (например, гибкий и жесткий одновременно). Это открывает множество возможностей для создания моделей, которые подходят и выполняют функции конечной детали. Например, 3D-принтер J750 от Stratasys - последняя разработка компании Material Jetting. J750 использует запатентованную технологию PolyJet от Stratasys и предлагает многоцветную и многоматериальную 3D-печать с 6 различными материалами одновременно.

Высококачественная цветная 3D-печать растет быстрыми темпами, особенно с появлением технологии HP Multi Jet Fusion (MJF), которая работает аналогично Binder Jetting. Говорят, что MJF добавляет еще больше точности, яркости цвета и качества поверхности 3D-печатным деталям, создавая функциональные нейлоновые прототипы всего за день. Технология Multi Jet также может использоваться для создания литьевых форм для изготовления деталей для испытаний, практически таких же, как и готовая деталь.

Металлическое прототипирование

Для некоторых приложений, например в аэрокосмической и автомобильной сферах, требуются единичные функциональные металлические прототипы для проверки характеристик детали. К счастью, благодаря 3D-печати создание прототипов стало экономичным не только из пластика, но и из металла. Сочетание сокращения отходов материала, производства без инструментов и большей свободы дизайна сделало 3D-печать металлом привлекательным вариантом для создания прототипов.

А разработки в области 3D-печати металлом повлияли на производство функциональных металлических прототипов. Markforged, например, имеет свою систему Metal X, способную печатать металлические детали с помощью литья под давлением (MIM) за меньшее время и по сравнению с традиционными металлическими 3D-принтерами.

Предостережение:использование традиционных технологий, таких как обработка с ЧПУ или литье, может быть предпочтительнее, когда требуются большие количества, хотя 3D-печать часто является более практичным выбором для небольших партий прототипов со сложными внутренними функциями.

Где используется быстрое прототипирование?

Медицина, автомобилестроение, авиакосмическая промышленность, товары народного потребления, что угодно - почти каждая отраслевая вертикаль уже извлекает выгоду из использования 3D-печати для производства прототипов.

Возьмем, к примеру, автомобильный сектор, где быстрое прототипирование остается основным применением аддитивных технологий. Производитель автомобилей Ford смогла сэкономить месяцы за счет использования 3D-печати для создания прототипов. Инженеры Ford могут использовать 3D-печать для одновременного изготовления нескольких копий прототипа, каждая из которых обладает уникальными характеристиками. Это позволяет им выполнять параллельное тестирование, ускоряя и улучшая разработку деталей. Недавно Ford приступил к быстрому созданию прототипов более крупных автомобильных деталей. Используя 3D-принтер Stratasys Infinite Build, компания планирует разрабатывать новые легкие детали с целью повышения топливной экономичности.

Быстрое создание прототипов с помощью 3D-печати также все чаще используется для разработки электроники, в частности печатных плат. (Печатная плата). PHYTEC , поставщик передовых решений для рынка промышленных встраиваемых систем, обратился к 3D-принтеру DragonFly 2020 от Nano Dimension для разработки функциональных печатных плат.

В машине используется технология 3D-печати из нескольких материалов, которая позволяет наносить проводящие чернила и печатать 3D-печатную плату за 12–18 часов - в 10–15 раз быстрее, чем заказ и изготовление печатных плат традиционными методами. Это позволяет компании получать функциональные прототипы на более раннем этапе разработки, существенно сокращая время цикла разработки и, в конечном итоге, улучшая качество конечного продукта.

RP и 3D-печать - все еще развиваются

3D-печать для быстрого прототипирования прошла долгий путь с 1980-х годов и превратилась в надежное производственное решение. Для компаний, плохо знакомых с этой технологией, 3D-печать предлагает идеальное решение для производства надежных, функциональных прототипов и ускорения этапа проектирования и разработки продукта. Ключевые вопросы будут заключаться в том, как интегрировать технологию в существующие структуры и процессы, чтобы компании могли более эффективно использовать преимущества цифровых производственных технологий.

Конечно, в то время как мы рассмотрели эволюцию 3D-печати для быстрого прототипирования, рынок также видит движение в сторону 3D-печати для конечных деталей. Забегая вперед, 3D-печать продолжит свое продвижение к конечному продукту, превратившись в гибкое производственное решение на всех этапах разработки и производства.