Руководство по быстрому прототипированию для разработки продукта

Создание прототипов - важная часть процесса разработки продукта, но традиционно оно было узким местом.

Дизайнеры и инженеры продуктов создавали бы импровизированные экспериментальные модели с помощью основных инструментов, но для создания функциональных прототипов и деталей производственного качества часто требовались те же процессы, что и для готовой продукции. Традиционные производственные процессы, такие как литье под давлением, требуют дорогостоящих инструментов и настройки, что делает малосерийные нестандартные прототипы непомерно дорогими.

Быстрое создание прототипов помогает компаниям превратить идеи в реалистичные доказательства концепции, преобразовать эти концепции в прототипы с высокой точностью, которые выглядят и работают как конечные продукты, и направляет продукты через серию этапов проверки к массовому производству.

Благодаря быстрому прототипированию дизайнеры и инженеры могут создавать прототипы непосредственно из данных САПР быстрее, чем когда-либо прежде, и быстро и часто корректировать свои проекты на основе реальных испытаний и отзывов.

Из этого руководства вы узнаете, как быстрое прототипирование вписывается в процесс разработки продукта и его приложений, а также какие инструменты быстрого прототипирования доступны сегодняшним командам разработчиков продукта.

Что такое быстрое прототипирование?

Быстрое прототипирование - это группа методов, используемых для быстрого изготовления масштабной модели физической детали или сборки с использованием данных трехмерного компьютерного проектирования (САПР). Поскольку эти детали или сборки обычно создаются с использованием методов аддитивного производства, а не традиционных методов вычитания, эта фраза стала синонимом аддитивного производства и 3D-печати. ​​

Аддитивное производство - естественное дополнение к прототипированию. Он обеспечивает практически неограниченную свободу форм, не требует инструментов и может изготавливать детали с механическими свойствами, близкими к различным материалам, изготовленным с использованием традиционных методов производства. Технологии 3D-печати существуют с 1980-х годов, но их высокая стоимость и сложность в основном ограничивали их использование крупными корпорациями или вынуждали более мелкие компании отдавать производство на аутсорсинг специализированным службам, ожидая недели между последующими итерациями.

Используя 3D-печать, дизайнеры могут быстро переключаться между цифровыми проектами и физическими прототипами и быстрее приступать к производству.

Появление настольной и настольной 3D-печати изменило этот статус-кво и спровоцировало массовое распространение, которое не показывает никаких признаков остановки. Благодаря собственной 3D-печати инженеры и дизайнеры могут быстро переключаться между цифровыми проектами и физическими прототипами. Теперь можно создавать прототипы в течение дня и выполнять несколько итераций дизайна, размера, формы или сборки на основе результатов реальных испытаний и анализа. В конечном итоге быстрый процесс создания прототипов помогает компаниям выводить на рынок более качественные продукты быстрее, чем их конкуренты.

Белая бумага

Введение в 3D-печать с настольной стереолитографией (SLA)

Ищете 3D-принтер для создания 3D-моделей в высоком разрешении? Загрузите наш технический документ, чтобы узнать, как работает SLA-печать и почему это самый популярный процесс 3D-печати для создания моделей с невероятной детализацией.

Загрузить информационный документ

Преимущества быстрого прототипирования

Быстрее осознавайте и изучайте концепции

Быстрое прототипирование превращает первоначальные идеи в концептуальные исследования с низким уровнем риска, которые в мгновение ока выглядят как настоящие продукты. Это позволяет дизайнерам выйти за рамки виртуальной визуализации, облегчая понимание внешнего вида дизайна и параллельное сравнение концепций.

Эффективно сообщайте идеи

Физические модели позволяют дизайнерам делиться своими концепциями с коллегами, клиентами и сотрудниками, чтобы передавать идеи способами, которые невозможно просто визуализировать на экране. Быстрое прототипирование обеспечивает четкую и действенную обратную связь с пользователями, которая необходима создателям для понимания потребностей пользователей, а затем для доработки и улучшения своих дизайнов.

Итеративное проектирование и мгновенное внесение изменений

Дизайн - это всегда итеративный процесс, требующий нескольких раундов тестирования, оценки и доработки, прежде чем перейти к конечному продукту. Быстрое создание прототипов с помощью 3D-печати обеспечивает гибкость, позволяющую быстрее создавать более реалистичные прототипы и мгновенно вносить изменения, улучшая этот критически важный процесс проб и ошибок.

Последовательные итерации прототипа робота захвата захвата и установки на принтерах Formlabs SLA.

Хорошая модель - это 24-часовой цикл проектирования:проектирование во время работы, 3D-печать прототипов деталей за ночь, очистка и тестирование на следующий день, корректировка дизайна, затем повторение.

Экономия затрат и времени

Благодаря 3D-печати отпадает необходимость в дорогостоящих инструментах и ​​настройке; на одном и том же оборудовании можно производить изделия различной геометрии. Быстрое создание прототипов собственными силами позволяет избежать высоких затрат и сроков, связанных с аутсорсингом.

Интерактивный

Рассчитайте экономию времени и средств

Попробуйте наш интерактивный инструмент ROI, чтобы узнать, сколько времени и средств вы можете сэкономить при 3D-печати на 3D-принтерах Formlabs.

Рассчитайте свою экономию

Тщательно протестируйте и минимизируйте недостатки дизайна

При проектировании и производстве продукции своевременное обнаружение и устранение недостатков конструкции может помочь компаниям избежать дорогостоящих изменений конструкции и инструментов в будущем.

Быстрое создание прототипов позволяет инженерам тщательно тестировать прототипы, которые выглядят и работают как конечные продукты, что снижает риски, связанные с удобством использования и производительностью, перед тем, как приступить к производству.

Приложения быстрого прототипирования

Благодаря разнообразию доступных технологий и материалов быстрое прототипирование поддерживает дизайнеров и инженеров на протяжении всего процесса разработки продукта, от начальных концептуальных моделей до проектирования, проверочных испытаний и производства.

Процесс разработки оборудования. Источник:Бен Эйнштейн, Bolt

Прототипы и концептуальные модели Proof-of-Concept (PoC)

Концептуальные модели или прототипы для подтверждения концепции (POC) помогают разработчикам продукта проверять идеи и предположения и проверять жизнеспособность продукта. Физические концептуальные модели могут продемонстрировать идею заинтересованным сторонам, вызвать обсуждение и стимулировать принятие или отклонение, используя концептуальные исследования с низким уровнем риска.

Создание прототипов PoC происходит на самых ранних этапах процесса разработки продукта, и эти прототипы включают минимальную функциональность, необходимую для проверки предположений перед переходом продукта на последующие этапы разработки.

Доказательство концепции должно быть простым, достаточным для имитации работы продукта. Например, POC для подставки для зарядки может быть просто корпусом, напечатанным на 3D-принтере, подключенным к стандартному USB-кабелю для зарядки.

Ключ к успешному концептуальному моделированию - скорость; дизайнерам необходимо генерировать множество идей, прежде чем строить и оценивать физические модели. На этом этапе удобство использования и качество имеют меньшее значение, и команды в максимально возможной степени полагаются на готовые детали.

Дизайнеры из швейцарской студии дизайна и консалтинга Panter &Tourron использовали 3D-печать SLA, чтобы перейти от концепции к презентации за две недели.

3D-принтеры - идеальные инструменты для поддержки концептуального моделирования. Они обеспечивают непревзойденное время обработки для преобразования компьютерного файла в физический прототип, позволяя дизайнерам быстро тестировать дополнительные концепции. В отличие от большинства инструментов для мастерских и производства, настольные 3D-принтеры удобны для работы в офисе, избавляя от необходимости в выделенном пространстве.

Похоже на прототипы

Внешне похожие прототипы представляют конечный продукт на абстрактном уровне, но могут не иметь многих его функциональных аспектов. Их цель - дать лучшее представление о том, как будет выглядеть конечный продукт и как конечный пользователь будет с ним взаимодействовать. Эргономику, пользовательские интерфейсы и общий опыт пользователя можно проверить с помощью внешне похожих на прототипы прототипов, прежде чем тратить значительное время на проектирование и разработку для полной реализации функций продукта.

Разработка похожего на прототип прототипа обычно начинается с эскизов, моделей из пенопласта или глины, а затем переходит к моделированию в САПР. По мере того, как циклы проектирования переходят от одной итерации к другой, прототипирование перемещается между цифровыми визуализациями и физическими моделями. По мере завершения дизайна группы промышленных дизайнеров стремятся создать внешне похожие прототипы, которые точно напоминают конечный продукт, используя фактические цвета, материалы и отделку (CMF), которые они указывают для конечного продукта.

Похоже на прототипы 3D-принтера Form 2 SLA с различными решениями для размещения картриджей.

Опытные прототипы

Параллельно с процессом промышленного проектирования инженерные группы работают над другим набором прототипов для тестирования, повторения и уточнения механических, электрических и тепловых систем, из которых состоит продукт. Эти похожие на рабочие прототипы могут отличаться от конечного продукта, но они включают в себя основные технологии и функции, которые необходимо разработать и протестировать.

Часто эти критически важные базовые функции разрабатываются и тестируются в отдельных подразделениях перед интеграцией в единый прототип продукта. Этот подсистемный подход изолирует переменные, что упрощает группам распределение обязанностей и обеспечивает надежность на более детальном уровне перед объединением всех элементов вместе.

Ранние прототипы широкоформатного SLA 3D-принтера Form 3L, похожие на рабочие.

Инженерные прототипы

Инженерный прототип - это место, где дизайн и инженерия встречаются для создания минимально жизнеспособной версии конечного коммерческого продукта, предназначенного для производства (DFM). Эти прототипы используются для лабораторного тестирования пользователей с избранной группой ведущих пользователей, чтобы сообщить о производственных намерениях специалистам по инструментам на последующих этапах и выступить в качестве демонстратора на первых встречах по продажам.

На этом этапе все большее значение приобретают детали. 3D-печать позволяет инженерам создавать прототипы с высокой точностью, которые точно представляют готовый продукт. Это упрощает проверку конструкции, соответствия, функционирования и технологичности перед тем, как вкладывать средства в дорогостоящие инструменты и переходить к производству, когда время и затраты на внесение изменений становятся все более непомерно высокими.

Производитель подводных камер Paralenz использовал 3D-печать для создания функциональных прототипов, которые прошли испытания на глубине более 200 метров ниже уровня моря.

Современные материалы для 3D-печати могут точно соответствовать внешнему виду, ощущениям и характеристикам материала деталей, изготовленных с помощью традиционных производственных процессов, таких как литье под давлением. Различные материалы могут имитировать детали с мелкими деталями и текстурами, мягкими на ощупь, гладкими поверхностями с низким коэффициентом трения, жесткими и прочными корпусами или прозрачными компонентами. Детали, напечатанные на 3D-принтере, можно обработать вторичными процессами, такими как шлифовка, полировка, покраска или гальваника, чтобы воспроизвести любой визуальный атрибут готовой детали, а также нарезать резьбу для создания сборок из нескольких деталей и материалов.

Инженеры Wöhler построили похожий на работу прототип влагомера из различных материалов с жестким корпусом и сенсорными кнопками.

Инженерные прототипы требуют обширного функционального тестирования и тестирования удобства использования, чтобы увидеть, как деталь или сборка будут работать в условиях нагрузок и условий использования в полевых условиях. 3D-печать предлагает инженерные пластмассы для высокопроизводительных прототипов, которые могут выдерживать термические, химические и механические нагрузки.

Проверка, тестирование и производство

Быстрое прототипирование позволяет инженерам создавать небольшие партии, разовые индивидуальные решения и узлы для проектирования, проектирования и проверки продукции (EVT, DVT, PVT), чтобы проверить технологичность.

3D-печать упрощает проверку допусков с учетом фактического производственного процесса, а также проведение всесторонних внутренних и полевых испытаний перед переходом к массовому производству.

Инструменты для быстрой печати на 3D-принтере также можно комбинировать с традиционными производственными процессами, такими как литье под давлением, термоформование или литье силикона, для улучшения производственных процессов за счет повышения их гибкости, маневренности, масштабируемости и рентабельности. Эта технология также обеспечивает эффективное решение для создания настраиваемых испытательных стендов и приспособлений для упрощения функционального тестирования и сертификации за счет сбора согласованных данных.

Компания Coalesce, разрабатывающая медицинские устройства, использует специальные приспособления для внутренних испытаний.

С 3D-печатью дизайн не должен заканчиваться, когда начинается производство. Инструменты быстрого прототипирования позволяют дизайнерам и инженерам постоянно улучшать продукты и быстро и эффективно реагировать на проблемы на линии с помощью приспособлений и приспособлений, которые улучшают процессы сборки или контроля качества.

Электронная книга

Как добиться успеха с помощью 3D-печати для быстрого прототипирования

В этой электронной книге рассматриваются шесть реальных примеров компаний, которые продвигают инновации и совершенствуют
традиционные процессы с помощью 3D-печати. ​​

Загрузить информационный документ

Инструменты и методы быстрого прототипирования

Аддитивное производство

Быстрое прототипирование стало синонимом аддитивного производства и 3D-печати. Доступно несколько процессов 3D-печати, из которых наиболее часто используются для быстрого прототипирования моделирование методом наплавления (FDM), стереолитография (SLA), селективное лазерное спекание (SLS).

Моделирование комбинированного осаждения (FDM)

FDM 3D-печать, также известная как производство плавленых волокон (FFF), представляет собой метод 3D-печати, при котором детали создаются путем плавления и экструзии термопластической нити, которую сопло принтера наносит слой за слоем в области сборки.

FDM - это наиболее широко используемая форма 3D-печати на потребительском уровне, чему способствовало появление 3D-принтеров для любителей. Однако профессиональные принтеры FDM также популярны как среди дизайнеров, так и среди инженеров.

FDM имеет самое низкое разрешение и точность по сравнению с другими процессами 3D-печати из пластика и не является лучшим вариантом для печати сложных конструкций или деталей со сложными функциями. Более качественная отделка может быть получена с помощью процессов химической и механической полировки. Некоторые профессиональные 3D-принтеры FDM используют растворимые опоры для устранения некоторых из этих проблем.

FDM работает со стандартными термопластами, такими как ABS, PLA и их различными смесями, в то время как более продвинутые принтеры FDM также предлагают более широкий спектр инженерных термопластов или даже композитов. Для быстрого прототипирования принтеры FDM особенно полезны для производства простых деталей, например деталей, которые обычно можно обработать.

Стереолитография (SLA)

3D-принтеры SLA используют лазер для превращения жидкой смолы в затвердевший пластик в процессе, называемом фотополимеризацией. SLA - один из самых популярных процессов среди профессионалов благодаря высокому разрешению, точности и универсальности материалов.

Напечатанный на 3D-принтере экспресс-прототип часов, созданный на 3D-принтере Form 3 SLA, рядом с конечным продуктом.

Детали SLA имеют высочайшее разрешение и точность, самые четкие детали и самую гладкую поверхность из всех технологий 3D-печати из пластика, что делает SLA отличным вариантом для высокоточных прототипов и функциональных прототипов, которые требуют жестких допусков.

Однако главное преимущество SLA заключается в универсальности библиотеки смол. Производители материалов создали инновационные составы фотополимерных смол SLA с широким диапазоном оптических, механических и термических свойств, которые соответствуют свойствам стандартных, инженерных и промышленных термопластов.

Благодаря Draft Resin 3D-печать SLA также является одним из самых быстрых инструментов для создания прототипов, до 10 раз быстрее, чем 3D-печать FDM.

Образец части

Запросить бесплатный образец части

Оцените качество Formlabs воочию. Мы отправим вам бесплатный образец детали.

Запросить бесплатный образец детали

Выборочное лазерное спекание (SLS)

Селективное лазерное спекание - это наиболее распространенная технология аддитивного производства для промышленных применений, которой инженеры и производители в различных отраслях доверяют благодаря своей способности производить прочные и функциональные детали.

В 3D-принтерах SLS используется мощный лазер для плавления мелких частиц полимерного порошка. Нерасплавленный порошок поддерживает деталь во время печати и устраняет необходимость в специальных поддерживающих конструкциях. Это делает SLS идеальным решением для обработки деталей сложной формы, включая внутренние элементы, поднутрения, тонкие стенки и отрицательные элементы. Детали, изготовленные с использованием SLS-печати, обладают превосходными механическими характеристиками, сравнимыми по прочности с деталями, изготовленными методом литья под давлением.

С помощью 3D-печати SLS можно создавать прочные, функциональные прототипы, похожие на рабочие, и инженерные прототипы для тщательного функционального тестирования продуктов.

При быстром прототипировании SLS 3D-печать в основном используется для изготовления прототипов, похожих на рабочие, и инженерных прототипов для тщательного функционального тестирования продуктов (например, воздуховодов, кронштейнов) и обратной связи с заказчиками.

Образец части

Запросить бесплатный образец части

Оцените качество Formlabs SLS воочию. Мы отправим вам бесплатный образец детали.

Запросить бесплатный образец детали

Инструменты ЧПУ

Инструменты с числовым программным управлением (ЧПУ) - в отличие от FDM, SLA или SLS - представляют собой субтрактивный производственный процесс. Они начинаются с твердых блоков, прутков или прутков из пластика, металла или других материалов, которым придана форма путем удаления материала путем резки, растачивания, сверления и шлифования.

Инструменты с ЧПУ включают в себя обработку с ЧПУ, при которой материал удаляется либо прядильным инструментом и фиксированной деталью (фрезерование), либо прядильной деталью с фиксированным инструментом (токарный станок). Лазерные резаки используют лазер для гравировки или резки широкого диапазона материалов с высокой точностью. В водоструйных резаках используется вода, смешанная с абразивом, под высоким давлением для резки практически любого материала. Фрезерные и токарные станки с ЧПУ могут иметь несколько осей, что позволяет им управлять более сложными проектами. Лазерные и водоструйные резаки больше подходят для плоских деталей.

Инструменты с ЧПУ могут формировать детали из пластика, мягких металлов, твердых металлов (промышленное оборудование), дерева, акрила, камня, стекла, композитов. По сравнению с инструментами аддитивного производства, инструменты с ЧПУ более сложны в настройке и эксплуатации, в то время как для некоторых материалов и конструкций могут потребоваться специальные инструменты, обработка, позиционирование и обработка, что делает их дорогостоящими для разовых деталей по сравнению с аддитивными процессами.

При быстром прототипировании они представляют собой идеальные простые конструкции, конструктивные детали, металлические компоненты и другие детали, которые невозможно или рентабельно производить с помощью дополнительных инструментов.

Сравнение средств быстрого прототипирования

	Моделирование наплавленного осаждения (FDM)	Стереолитография (SLA)	Селективное лазерное спекание (SLS)	Инструменты с ЧПУ
Разрешение	★★ ☆☆☆	★★★★★	★★★★ ☆	★★★★★
Точность	★★★★ ☆	★★★★★	★★★★★	★★★★★
Поверхность	★★ ☆☆☆	★★★★★	★★★★ ☆	★★★★★
Простота использования	★★★★★	★★★★★	★★★★ ☆	★★★ ☆☆
Сложные конструкции	★★★ ☆☆	★★★★ ☆	★★★★★	★★★ ☆☆
Объем сборки	До 300 x 300 x 600 мм (настольные и настольные 3D-принтеры)	До 300 x 335 x 200 мм (настольные и настольные 3D-принтеры)	До 165 x 165 x 300 мм (настольные промышленные 3D-принтеры)	Зависит от инструмента
Материалы	Стандартные термопласты, такие как ABS, PLA и их различные смеси.	Разновидности смол (термореактивных пластиков). Стандартные, инженерные (ABS-подобные, PP-подобные, силиконовые, гибкие, термостойкие, жесткие), литейные, стоматологические и медицинские (биосовместимые).	Технические термопласты, обычно нейлон и его композиты (нейлон 12 биосовместим + совместим со стерилизацией).	Пластмассы, мягкие металлы, твердые металлы (промышленное оборудование), дерево, акрил, камень, стекло, композиты.
Приложения	Базовые модели для проверки концепции, недорогое прототипирование простых деталей.	Quick prototypes, high-fidelity looks-like prototypes and functional works-like prototypes requiring tight tolerances and smooth surfaces.	Complex geometries, functional works-like prototypes and engineering prototypes.	Simple designs, structural parts, metal components.
Price Range	Budget printers and 3D printer kits start at a few hundred dollars. Higher quality mid-range desktop printers start around $2,000, and industrial systems are available from $15,000.	Professional desktop printers start at $3,500, large-format benchtop printers at $11,000, and large-scale industrial machines are available from $80,000.	Benchtop industrial systems start at $18,500, and traditional industrial printers are available from $100,000.	Small CNC machines start around $2,000, but professional tools go well beyond that. Basic engravers are available for less than $500, while mid-range laser cutters start around $3,500. Water jet cutters start around $20,000.

Get Started With Rapid Prototyping

Rapid prototyping is used in a variety of industries, by Fortune 500 companies and small businesses alike, to speed up development, decrease costs, improve communication, and ultimately create better products.

While 3D printing traditionally had been complex and cost-prohibitive, desktop and benchop 3D printers have made the technology accessible to any business.

Learn more about 3D printers and explore how leading manufacturers leverage 3D printing to save money and shorten lead times from design to production.