Что такое быстрое прототипирование? Типы и работа

Что такое быстрое прототипирование?

Быстрое прототипирование — это быстрое изготовление физической детали, модели или сборки с использованием трехмерного автоматизированного проектирования (САПР). Создание детали, модели или сборки обычно выполняется с помощью аддитивного производства, более известного как 3D-печать.

Быстрое прототипирование — это процесс создания чего-то, что можно использовать для быстрой оценки продукта. В инженерии прототип — это ранняя версия продукта. Быстрое прототипирование позволяет компаниям тестировать и анализировать технологию.

Когда дизайн близко соответствует предлагаемому конечному продукту, говорят, что это прототип с высокой точностью, в отличие от прототипа с низкой точностью, где между прототипом и конечным продуктом есть явное различие.

Другими словами, быстрое прототипирование — это метод тестирования. Вы можете проанализировать будущее продукта и его успех у клиентов. В итоге анализ подскажет, будет ли работать хорошо. Компании используют этот процесс на каждом этапе разработки продукта.

Эффективность делает процесс дешевле и быстрее. Это дает больше возможностей для гибкости и ошибок при создании продукта. В долгосрочной перспективе это более выгодно, чем другие методы.

БОЛЬШЕ: Что такое 3D-печать?

Существует три основных этапа быстрого прототипирования. Во-первых, это создание прототипа. Они делают это, разрабатывая решение для тестирования компанией.

Следующий шаг — рассмотрение. Многие компании делают это, делясь прототипом со своими пользователями и заинтересованными сторонами. Это позволяет им получать отзывы, чтобы они могли исправить продукт и улучшить его для своих клиентов.

Последний шаг – рафинация. Основываясь на отзывах, которые компания получает, они могут либо отремонтировать, либо изменить продукт. Это также поможет им улучшить дизайн в будущем.

Как работает быстрое прототипирование?

Быстрое прототипирование, также известное как 3D-печать, представляет собой технологию аддитивного производства. Процесс начинается с создания виртуального проекта из программного обеспечения для моделирования или автоматизированного проектирования (САПР). Машина для 3D-печати считывает данные с чертежа САПР и накладывает последовательные слои жидкости, порошка или листового материала, создавая физическую модель из серии поперечных сечений.

Эти слои, которые соответствуют виртуальному поперечному сечению модели САПР, автоматически объединяются для создания окончательной формы.

Rapid Prototyping использует стандартный интерфейс данных, реализованный в виде файла формата STL, для преобразования программного обеспечения CAD в машину для трехмерного прототипирования. Файл STL аппроксимирует форму детали или сборки с помощью треугольных граней.

Как правило, системы быстрого прототипирования могут создавать 3D-модели в течение нескольких часов. Тем не менее, это может сильно различаться в зависимости от типа используемой машины, размера и количества производимых моделей.

Хотя аддитивное производство является наиболее распространенным процессом быстрого прототипирования, для создания прототипов можно использовать и другие, более традиционные методы.

БОЛЬШЕ: Что такое аддитивное производство?

Эти процессы включают:

• Вычитание – При вырезании блока материала для создания желаемой формы путем фрезерования, шлифования или токарной обработки.
• Сжатие – Придание желаемой формы полутвердому или жидкому материалу перед затвердеванием, например, путем литья, спекания под давлением или формования.

Различные типы быстрого прототипирования

Типы методов быстрого прототипирования:

• Стереолитография (SLA)
• Селективное лазерное спекание (SLS)
• Прямое лазерное спекание металла (DMLS)
• Моделирование методом наплавления (FDM)
• Распыление связующего
• Полиструйная обработка

Существуют десятки способов создания прототипов. Поскольку процессы прототипирования продолжают развиваться, дизайнеры продуктов постоянно пытаются определить, какой метод или технология лучше всего подходит для их уникального применения.

1. Стереолитография (SLA) или фотополимеризация в ваннах

Этот быстрый и недорогой метод стал первым успешным методом коммерческой 3D-печати. Используется ванна со светочувствительной жидкостью, которая слой за слоем затвердевает с помощью управляемого компьютером ультрафиолетового (УФ) света.

SLA — это промышленная 3D-печать или аддитивное производство, процесс, при котором детали создаются в пуле фотополимерной смолы, отверждаемой под действием УФ-излучения, с использованием управляемого компьютером лазера. Лазер используется для трассировки и отверждения поперечного сечения конструкции детали на поверхности жидкой смолы.

Затем затвердевший слой опускается чуть ниже поверхности жидкой смолы, и процесс повторяется. Каждый вновь отвержденный слой прилипает к слою под ним. Этот процесс продолжается до тех пор, пока деталь не будет завершена.

Плюсы: Для концептуальных моделей, косметических прототипов и сложных конструкций SLA может производить детали со сложной геометрией и превосходной обработкой поверхности по сравнению с другими аддитивными процессами. Стоимость конкурентоспособна, а технология доступна из нескольких источников.

Минусы: Детали-прототипы могут быть не такими прочными, как изготовленные из инженерных смол, поэтому детали, изготовленные с использованием SLA, имеют ограниченное применение для функциональных испытаний. Кроме того, в то время как детали подвергаются УФ-циклу для отверждения внешней поверхности детали, встроенный SLA должен использоваться с минимальным воздействием УФ-излучения и влажности, чтобы они не разлагались.

2. Селективное лазерное спекание (SLS)

Используемый как для металлических, так и для пластиковых прототипов, SLS использует порошковый слой для создания прототипа слой за слоем с лазером для нагрева и спекания порошкообразного материала. Однако прочность деталей не так хороша, как SLA, а поверхность готового изделия обычно шероховатая и для ее доработки может потребоваться дополнительная обработка.

Во время процесса SLS управляемый компьютером CO2-лазер втягивается в очаг порошка на основе нейлона снизу вверх, где он слегка спекает (плавит) порошок в твердое тело. После каждого слоя валиком поверх кровати наносится новый слой пудры, и процесс повторяется.

SLS использует либо жесткий нейлон, либо эластомерные порошки TPU, аналогичные настоящим инженерным термопластам, поэтому детали обладают большей прочностью и точностью, но имеют шероховатую поверхность и лишены мелких деталей. SLS предлагает большой объем сборки, может производить детали очень сложной геометрии и создавать прочные прототипы.

Плюсы: Детали SLS, как правило, более точны и долговечны, чем детали SLA. Этот процесс позволяет изготавливать прочные детали со сложной геометрией и подходит для некоторых функциональных испытаний.

Минусы: Детали имеют зернистую или песчаную текстуру, и в процессе используется ограниченный выбор смолы.

3. Прямое лазерное спекание металлов (DMLS)

DMLS — это технология аддитивного производства, которая позволяет производить металлические прототипы и функциональные детали для конечного использования. DMLS использует лазерную систему, которая рисует на поверхности распыленного металлического порошка. Там, где он втягивается, он сваривает порошок в твердое тело.

После каждого слоя лезвие добавляет новый слой порошка и повторяет процесс. DMLS может использовать большинство сплавов, что позволяет создавать полноценные, функциональные прототипы из того же материала, что и серийные компоненты.

Он также имеет потенциал, если он разработан с учетом технологичности, для перехода на литье металлов под давлением при увеличении производства, если это необходимо

Плюсы: DMLS производит прочные (как правило, плотностью 97 процентов) прототипы из различных металлов, которые можно использовать для функционального тестирования. Поскольку компоненты строятся слой за слоем, можно спроектировать внутренние элементы и проходы, которые нельзя было бы отлить или обработать каким-либо иным образом. Детали по механическим свойствам аналогичны деталям обычной формы.

Минусы: При производстве нескольких деталей DMLS затраты могут возрасти. Из-за того, что в процессе прямого металлического производства используется порошкообразный металл, поверхность этих деталей слегка шероховатая. Сам процесс относительно медленный и обычно требует дорогостоящей постобработки.

4. Моделирование методом наплавления (FDM) или распыление материала

Этот недорогой и простой в использовании процесс можно найти в большинстве непромышленных настольных 3D-принтеров. Используется катушка термопластичной нити, которая расплавляется в корпусе напорного сопла перед нанесением полученного жидкого пластика слой за слоем в соответствии с компьютерной программой осаждения.

Хотя первые результаты, как правило, имели низкое разрешение и были плохими, этот процесс быстро совершенствуется, является быстрым и дешевым, что делает его идеальным для разработки продукта.

FDM использует метод экструзии, при котором термопластичная смола (АБС, поликарбонат или смесь АБС/поликарбонат) плавится и повторно затвердевает слоями для формирования готового прототипа. Поскольку в нем используются настоящие термопластичные смолы, он прочнее, чем распыление связующего, и может иметь ограниченное применение для функциональных испытаний.

Плюсы: Детали FDM по умеренной цене, относительно прочны и могут подойти для некоторых функциональных испытаний. Этот процесс позволяет изготавливать детали сложной геометрии.

Минусы: Детали имеют плохую чистоту поверхности, с ярко выраженным эффектом гофрирования. Кроме того, это более медленный аддитивный процесс, чем SLA или SLS, и его пригодность для функционального тестирования ограничена.

6. Литье под давлением           

Быстрое литье под давлением работает путем впрыскивания термопластичных смол в форму, как и при производственном литье под давлением. Что делает этот процесс «быстрым», так это технология, используемая для производства формы, которая часто изготавливается из алюминия вместо традиционной стали, используемой в производственных формах.

Литые детали прочны и имеют превосходную отделку. Кроме того, это стандартный производственный процесс для пластиковых деталей, поэтому создание прототипов в одном и том же процессе, если позволяет ситуация, имеет неотъемлемые преимущества.

Можно использовать практически любой технический пластик или жидкий силиконовый каучук (LSR), поэтому разработчик не ограничен материальными ограничениями процесса прототипирования.

Плюсы: Формованные детали изготавливаются из множества материалов инженерного класса, имеют превосходную чистоту поверхности и являются отличным показателем технологичности на этапе производства.

Минусы: Существует первоначальная стоимость инструмента, связанная с быстрым литьем под давлением, которое не происходит ни с одним из аддитивных процессов или с обработкой с ЧПУ. Таким образом, в большинстве случаев имеет смысл сделать один или два раунда быстрых прототипов (субтрактивных или аддитивных), чтобы проверить соответствие и функционирование, прежде чем переходить к литью под давлением.

7. Выброс связующего

Этот метод позволяет печатать одну или несколько деталей одновременно, хотя изготовленные детали не такие прочные, как изготовленные с помощью SLS. Струйная обработка связующим веществом использует слой порошка, на который форсунки распыляют мельчайшие капли жидкости, чтобы связать частицы порошка вместе и сформировать слой детали.

Затем каждый слой можно уплотнить валиком перед нанесением следующего слоя порошка, и процесс начинается снова. Когда деталь готова, ее можно отверждать в печи, чтобы сжечь связующее вещество и сплавить порошок в цельную деталь.

8. Полиджет

Polyjet использует печатающую головку для распыления слоев фотополимерной смолы, которые отверждаются один за другим с помощью ультрафиолетового света. Слои очень тонкие, что обеспечивает качественное разрешение. Материал поддерживается гелевой матрицей, которая удаляется после завершения изготовления детали. Эластомерные детали возможны с Polyjet.

Плюсы: Этот процесс имеет умеренную стоимость, позволяет создавать прототипы формованных деталей из гибких и жестких материалов, производить детали в нескольких цветовых вариантах и ​​легко дублировать сложные геометрические формы.

Минусы: Детали Polyjet имеют ограниченную прочность (сравнимую с SLA) и не подходят для функциональных испытаний. Хотя PolyJet может изготавливать детали со сложной геометрией, она не дает представления о возможной технологичности конструкции. Кроме того, цвета могут стать желтыми под воздействием света с течением времени.

Сравнение процессов прототипирования