Быстрое прототипирование: типы, процессы и преимущества

Что такое быстрое прототипирование?

Быстрое прототипирование — это быстрое изготовление физической детали, модели или сборки с использованием 3D-конструктирования (CAD). Создание детали обычно выполняется методом аддитивного производства, более известным как 3D-печать.

Быстрое прототипирование — это процесс создания объекта для быстрой оценки продукта. В инженерии прототип — это ранняя версия продукта. Быстрое прототипирование позволяет компаниям тестировать и анализировать технологии.

Когда дизайн максимально близок к предлагаемому конечному продукту, это называется прототипом высокой точности (high-fidelity), в отличие от прототипа низкой точности (low-fidelity), где прототип существенно отличается от конечного продукта.

Простыми словами, быстрое прототипирование — это метод тестирования. Вы можете проанализировать будущее продукта и его успех у клиентов. Анализ покажет, будет ли продукт хорошо работать. Компании используют этот процесс на каждом этапе разработки продукта.

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

ЧИТАЙТЕ ТАКЖЕ: Что такое 3D-печать?

В быстром прототипировании три основных этапа. Первый — создание прототипа. Разрабатывается решение для тестирования компанией.

Следующий этап — обзор. Многие компании делятся прототипом с пользователями и заинтересованными сторонами. Это позволяет получить обратную связь, чтобы исправить и улучшить продукт для клиентов.

Последний этап — доработка. На основе полученной обратной связи компания может отремонтировать или изменить продукт. Это также помогает улучшить будущие дизайны.

Как работает быстрое прототипирование?

Быстрое прототипирование, также известное как 3D-печать, — это технология аддитивного производства. Процесс начинается с получения виртуального дизайна из программного обеспечения для моделирования или CAD. Станок для 3D-печати считывает данные из CAD-чертежа и последовательно наносит слои жидкого, порошкового или листового материала, создавая физическую модель из серии поперечных сечений.

Эти слои, соответствующие виртуальным поперечным сечениям из CAD-модели, автоматически соединяются для создания окончательной формы.

Быстрое прототипирование использует стандартный интерфейс данных — формат STL — для перевода из CAD-софта в станок для 3D-прототипирования. STL-файл аппроксимирует форму детали или сборки с помощью треугольных граней.

Обычно системы быстрого прототипирования могут производить 3D-модели за несколько часов. Однако это может сильно варьироваться в зависимости от типа станка, размера и количества производимых моделей.

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

ЧИТАЙТЕ ТАКЖЕ: Что такое аддитивное производство?

Эти процессы включают:

• Вычитающее (Subtractive) — вырезание желаемой формы из блока материала путем фрезерования, шлифования или токарной обработки.
• Компрессивное (Compressive) — прессование в желаемую форму полутвердого или жидкого материала до затвердевания, например литьем, компрессивным спеканием или формовкой.

Различные типы быстрого прототипирования

Методы быстрого прототипирования:

• Стереолитография (SLA)
• Селективное лазерное спекание (SLS)
• Прямое лазерное спекание металла (DMLS)
• Моделирование методом наплавления (FDM)
• Порошковое струйное нанесение (Binder Jetting)
• Полиджетинг (Poly Jetting)

Существует десятки способов изготовления прототипов. По мере развития технологий прототипирования конструкторы постоянно ищут, какой метод или технология лучше всего подходит для их уникального применения.

1. Стереолитография (SLA) или фотополимеризация в ванне

Этот быстрый и недорогой метод стал первой успешной коммерческой технологией 3D-печати. Используется ванна с фоточувствительной жидкостью, которая твердеет слой за слоем под воздействием ультрафиолетового (UV) света под управлением компьютера.

SLA — это промышленная 3D-печать, или аддитивное производство, процесс, который строит детали в ванне с UV-отвердевающей фотополимерной смолой с помощью компьютерно-управляемого лазера. Лазер прослеживает и отвердевает поперечное сечение дизайна детали на поверхности жидкой смолы.

Отвердевший слой затем опускается чуть ниже поверхности жидкой смолы, и процесс повторяется. Каждый новый отвердевший слой прикрепляется к предыдущему. Процесс продолжается до завершения детали.

Преимущества: Для концептуальных моделей, демонстрационных прототипов и сложных дизайнов SLA позволяет производить детали со сложными геометриями и отличной отделкой поверхности по сравнению с другими аддитивными процессами. Стоимость конкурентоспособна, технология доступна от нескольких поставщиков.

Недостатки: Прототипы могут быть не такими прочными, как детали из инженерных смол, поэтому детали SLA имеют ограниченное применение для функционального тестирования. Кроме того, хотя детали проходят UV-цикл для затвердевания внешней поверхности, детали SLA должны использоваться при минимальном воздействии UV и влажности, чтобы не деградировали.

2. Селективное лазерное спекание (SLS)

Используется для прототипирования из металла и пластика. SLS использует порошковое гнездо для создания прототипа слой за слоем с помощью лазера, который нагревает и спекет порошковый материал. Однако прочность деталей не так хороша, как у SLA, а поверхность готового продукта обычно шершава и может требовать дополнительной обработки.

В процессе SLS компьютерно-управляемый CO2-лазер рисует на нагретом гнезде на основе нилонового порошка снизу вверх, где он слегка спекет (сплавляет) порошок в твердое тело. После каждого слоя ролик наносит свежий слой порошка на гнездо, и процесс повторяется.

SLS использует жесткий нилон или эластомерные порошки TPU, похожие на настоящие инженерные термопласты, поэтому детали обладают большей прочностью и точностью, но имеют шершавую поверхность и не хватает мелких деталей. SLS предлагает большой объем сборки, может производить детали со сложными геометриями и создавать прочные прототипы.

Преимущества: Детали SLS, как правило, точнее и прочнее, чем детали SLA. Процесс позволяет изготавливать прочные детали со сложными геометриями и подходит для некоторого функционального тестирования.

Недостатки: Детали имеют зернистую или песчаную текстуру, процесс имеет ограниченный выбор смол.

3. Прямое лазерное спекание металла (DMLS)

DMLS — это технология аддитивного производства, которая создает металлические прототипы и функциональные готовые к использованию детали. DMLS использует лазерную систему, которая рисует на поверхности атомизированного металлического порошка. Там, где она рисует, она сварщивает порошок в твердое тело.

После каждого слоя лезвие добавляет свежий слой порошка и повторяет процесс. DMLS может использовать большинство сплавов, позволяя создавать прототипы полной прочности, функциональные аппаратные элементы из того же материала, что и производственные компоненты.

Также есть потенциал, если учитывать технологичность производства, переходить к литью под давлением металлов при необходимости увеличения производства.

Преимущества: DMLS производит прочные (обычно 97% плотности) прототипы из различных металлов, которые можно использовать для функционального тестирования. Поскольку компоненты строятся слой за слоем, возможно проектирование внутренних особенностей и каналов, которые нельзя отлить или обработать другими методами. Механические свойства деталей равны свойствам деталей, полученных традиционными методами.

Недостатки: При производстве более нескольких деталей DMLS затраты могут возрасти. Из-за порошкового металлического происхождения прямого металлического процесса отделка поверхности этих деталей слегка шершава. Сам процесс относительно медленный и обычно требует дорогой постобработки.

4. Моделирование методом наплавления (FDM) или струйное нанесение материала

Этот недорогой и простой в использовании процесс можно найти в большинстве настольных 3D-принтеров не для промышленного использования. Используется катушка термопластичной нити, которая расплавляется в корпусе сопла под давлением, после чего полученная жидкая пластика наносится слой за слоем согласно компьютерной программе нанесения.

Хотя ранние результаты обычно имели низкое разрешение и были плохими, этот процесс быстро улучшается и является быстрым и дешевым, что делает его идеальным для разработки продуктов.

FDM использует метод экструзии, который расплавляет и повторно затвердевает термопластичную смолу (ABS, поликарбонат или смесь ABS/поликарбонат) в слоях для формирования готового прототипа. Поскольку используются настоящие термопластичные смолы, он прочнее, чем порошковое струйное нанесение, и может иметь ограниченное применение для функционального тестирования.

Преимущества: Детали FDM умеренно ценятся, относительно прочны и могут подходить для некоторого функционального тестирования. Процесс может создавать детали со сложными геометриями.

Недостатки: Детали имеют плохую отделку поверхности с выраженным ребристым эффектом. Это также более медленный аддитивный процесс, чем SLA или SLS, и имеет ограниченную пригодность для функционального тестирования.

6. Литье под давлением

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

Литые детали прочны и имеют отличную отделку. Это также стандартный производственный процесс для пластиковых деталей, поэтому есть преимущества в прототипировании тем же процессом, если ситуация позволяет.

Можно использовать почти любой инженерный пластик или жидкий силиконовый каучук (LSR), поэтому конструктор не ограничен материальными ограничениями процесса прототипирования.

Преимущества: Литые детали изготавливаются из ряда инженерных материалов, имеют отличную отделку поверхности и являются отличным предиктором технологичности на производственном этапе.

Недостатки: При быстром литье под давлением есть начальные затраты на оснастку, которых нет ни в аддитивных процессах, ни в станках с ЧПУ. Поэтому в большинстве случаев имеет смысл сделать один или два раунда быстрых прототипов (вычитательных или аддитивных) для проверки посадки и функции перед переходом к литью под давлением.

7. Порошковое струйное нанесение (Binder Jetting)

Эта техника позволяет печатать одну или несколько деталей одновременно, хотя детали получаются не такими прочными, как при SLS. Порошковое струйное нанесение использует порошковое гнездо, на которое сопла распыляют микрокапли жидкости для связывания частиц порошка и формирования слоя детали.

Каждый слой затем может быть уплотнен роликом перед нанесением следующего слоя порошка и повторением процесса. Когда деталь готова, ее можно отпечь в печи, чтобы сжечь связующее вещество и спекть порошок в цельную деталь.

8. Полиджетинг (Polyjet)

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

Преимущества: Этот процесс умеренно ценен, может создавать прототипы перелитые деталями с гибкими и жесткими материалами, может производить детали в нескольких цветовых вариантах и легко дублирует сложные геометрии.

Недостатки: Детали Polyjet имеют ограниченную прочность (сравнимую с SLA) и не подходят для функционального тестирования. Хотя PolyJet может создавать детали со сложными геометриями, он не дает представления о последующей технологичности дизайна. Также цвета могут желтеть при воздействии света со временем.

Сравнение процессов прототипирования

ПРОЦЕСС	ОПИСАНИЕ	ПРОЧНОСТЬ	ОТДЕЛКА	ПРИМЕРЫ МАТЕРИАЛОВ
Стереолитография	Лазерно-отвердеваемый фотополимер	2500-10000 (psi) 17.2-68.9 (МПа)	Аддитивные слои 0.002-0.006 дюйма (0.051-0.152 мм) типично	Термопластикоподобные фотополимеры
Селективное лазерное спекание	Лазерно-спеканный порошок	5300-11300 (psi) 36.5-77.9 (МПа)	Аддитивные слои 0.004 дюйма (0.102 мм) типично	Нейлон, TPU
Прямое лазерное спекание металла	Лазерно-спеканный металлический порошок	37700-190000 (psi)	Аддитивные слои 0.0008-0.0012 дюйма (0.020-0.030 мм) типично	Нержавеющая сталь, титан, хром, алюминий, Инконель
Моделирование наплавлением (FDM)	Наплавленные экструзии	5200-9800 (psi) 35.9-67.6 (МПа)	Аддитивные слои 0.005-0.013 дюйма (0.127-0.330 мм) типично	ABS, PC, PC/ABS, PPSU
Multi Jet Fusion	Струйный массив селективно спекет через гнездо нилонового порошка	6960 (psi) 48 (МПа)	Аддитивные слои 0.0035-0.008 дюйма (0.089-0.203 мм) типично	Черный нейлон 12
PolyJet	UV-отвердеваемый струйный фотополимер	7200-8750 (psi) 49.6-60.3 (МПа)	Аддитивные слои 0.0006-0.0012 дюйма (0.015-0.030 мм) типично	Акриловые фотополимеры, эластомерные фотополимеры
Станки с ЧПУ	Обработка фрезерными и токарными станками с ЧПУ	3000-20000 (psi) 20.7-137.9 (МПа)	Вычитательная обработка (гладкая)	Большинство товарных и инженерных термопластов и металлов
Литье под давлением	Литье под давлением с алюминиевой оснасткой	3100-20000 (psi) 21.4-137.9 (МПа)	Литая гладкая (или с выбранной текстурой)	Большинство товарных и инженерных термопластов, металл и жидкий силиконовый каучук

Почему быстрое прототипирование важно?

В современном быстром потребительском рынке компаниям нужно быстрее разрабатывать и запускать новые продукты, чтобы оставаться конкурентоспособными. Поскольку более быстрая разработка продуктов и технологические инновации — ключи к успеху компании, быстрое прототипирование становится важнейшим элементом в разработке новых продуктов. С помощью быстрого прототипирования достигаются следующие цели.

• Более быстрая разработка новых продуктов — прототипирование играет жизненно важную роль в процессе создания успешных продуктов, потому что ускоряет процесс разработки новых продуктов
• Ранняя валидация дизайна/концепции формы, посадки и функции дизайна
• Финальная верификация продукта против технических требований и бизнес-целей
• Позволяет функциональное тестирование для проверки целей концепции и финализации спецификаций
• Прототип дает конечному пользователю, клиенту, заказчику, участникам практичный опыт для получения обратной связи

Применение

Конструкторы продуктов используют этот процесс для быстрого производства репрезентативных прототипных деталей. Это может помочь в визуализации, проектировании и разработке производственного процесса перед массовым производством.

Изначально быстрое прототипирование использовалось для создания деталей и масштабных моделей для автомобильной промышленности, хотя позже оно было принято широким спектром приложений в различных отраслях, таких как медицина и авиакосмическая промышленность.

Быстрое оснасткирование — другое применение RP, где деталь от литой пробки или ультразвукового клинка датчика изготавливается и используется как инструмент в другом процессе.

Преимущества быстрого прототипирования

• Сокращение времени проектирования и разработки
• Снижение общей стоимости разработки продукта
• Исключение или снижение рисков
• Возможность функционального тестирования
• Улучшенное и увеличенное участие пользователей
• Возможность оценки эргономики и антропометрических факторов

Недостатки быстрого прототипирования

• Недостаточная точность
• Дополнительные начальные затраты
• Некоторые процессы быстрого прототипирования все еще дороги и неэкономичны
• Свойства материалов, такие как отделка поверхности и прочность, не могут быть воспроизведены
• Требуется квалифицированный труд
• Ограниченный спектр используемых материалов
• Упущение некоторых ключевых особенностей, потому что их нельзя прототипировать
• Путаница конечного пользователя, клиенты путают это с готовым проектом / непонимание разработчиком целей пользователя

Часто задаваемые вопросы

Что такое быстрое прототипирование?

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

Как работает быстрое прототипирование?

Быстрое прототипирование, также известное как 3D-печать, — это технология аддитивного производства. Станок для 3D-печати считывает данные из CAD-чертежа и последовательно наносит слои жидкого, порошкового или листового материала, создавая физическую модель из серии поперечных сечений.

Каковы различные типы быстрого прототипирования?

Различные типы быстрого прототипирования:

1. Стереолитография (SLA) или фотополимеризация в ванне.
2. Селективное лазерное спекание (SLS)
3. Моделирование методом наплавления (FDM) или струйное нанесение материала.
4. Селективное лазерное плавление (SLM) или плавление в порошковом гнезде.
5. Ламинированное объектное моделирование (LOM) или ламинирование листов.

Что такое пример быстрого прототипирования?

Распространенным и часто используемым примером быстрого прототипирования является 3D-печать. Возможность производства быстрой 3D-модели с помощью этого варианта печати может сэкономить много времени и затрат в производственном процессе.

Где используется быстрое прототипирование?

Быстрое прототипирование может использоваться на любом этапе цикла разработки продукта для любых компонентов или подкомпонентов. Прототипирование может повторяться множество раз в процессе нового продуктового дизайна, используя тестовые данные для достижения желаемой детали.

Как работает быстрое прототипирование?

Быстрое прототипирование использует стандартный интерфейс данных, реализованный в формате STL-файла, для перевода из CAD-софта в станок для 3D-прототипирования. STL-файл аппроксимирует форму детали или сборки с помощью треугольных граней. Обычно системы быстрого прототипирования могут производить 3D-модели за несколько часов.

Что такое быстрое прототипирование и его характеристики?

Быстрое прототипирование — это гибкая стратегия, используемая на протяжении всего процесса разработки продукта. С этим подходом создаются и тестируются трехмерные прототипы продукта или функции для оптимизации таких характеристик, как форма, размер и общая удобность использования.

Каково главное преимущество быстрого прототипирования?

Быстрое прототипирование предоставляет командам инженеров, дизайнеров и разработчиков четкие преимущества, такие как: возможность быстрее исследовать и реализовывать концепции. Эта эффективность во времени и затратах позволяет командам выйти за рамки простой визуализации продукта, облегчая понимание свойств и дизайна продукта.

Откуда произошло быстрое прототипирование?

Быстрое прототипирование в современном понимании имеет свои корни в 3D-печати, развитой в 1980-х годах как инновационный новый способ производства прототипов. С тех пор быстрое прототипирование расширило свое значение, чтобы охватывать ряд производственных техник, каждая из которых фокусируется на разных этапах разработки продукта.

Что такое цепочка процессов быстрого прототипирования?

Представленная здесь цепочка процессов быстрого прототипирования начинается с проектирования компонентов как трехмерных CAD-моделей. Мастер-модели реализуются как полимерные детали методами RP и затем копируются в силиконовые формы для непосредственного использования в качестве инструментов для процесса литья под низким давлением.

Является ли быстрое прототипирование тем же, что и 3D-печать?

Термин «быстрое прототипирование» отличается от 3D-печати/аддитивного производства. Быстрое прототипирование — это техника изготовления прототипной модели из CAD-файла. Другими словами, 3D-печать/аддитивное производство — это процесс, а быстрое прототипирование — конечный результат.

Что такое быстрое прототипирование в разработке продукта?

Быстрое прототипирование — это группа техник, используемых для быстрого изготовления масштабной модели физической детали или сборки с использованием трехмерных данных компьютерного конструирования (CAD). Используя 3D-печать, дизайнеры могут быстро итерировать между цифровыми дизайнами и физическими прототипами и быстрее выходить в производство.

Каковы недостатки прототипирования?

Недостатки использования модели прототипа:

• Эта модель дорогая.
• У нее плохая документация из-за постоянно меняющихся требований клиентов.
• Может быть слишком большая вариация в требованиях.
• Клиенты иногда требуют доставку готового продукта вскоре после просмотра раннего прототипа.

В чем разница между прототипированием и быстрым прототипированием?

То, что раньше занимало несколько недель при традиционном прототипировании, теперь занимает всего несколько часов с RP. В общем, быстрое прототипирование лучше всего подходит для проектов, требующих нескольких изменений дизайна или корректировок компонентов. Это также более идеально для сложных геометрий и жестких дедлайнов.

Каковы типы быстрого прототипирования?

Ниже приведены типы технологий быстрого прототипирования, доступные для инженеров-конструкторов продуктов: Аддитивное производство — Стереолитография (SLA), Селективное лазерное спекание (SLS), Прямое лазерное спекание металла (DMLS), Моделирование методом наплавления (FDM), MJF, Порошковое струйное нанесение и Полиджетинг.

Каковы применения быстрого прототипирования?

Быстрое прототипирование широко используется для планирования операций, диагностики, обучения, проектирования и производства индивидуальных имплантов. 3D-компьютерное конструирование и производство также используются для проектирования и разработки новых медицинских продуктов. Они сокращают время выхода на рынок и помогают в исследованиях.

Кто изобрел быстрое прототипирование?

Быстрое прототипирование в современном понимании часто считается изобретенным в 1980-х годах Хидео Кодамой и Чарльзом Халлом с разработкой 3D-печати.

Какие материалы используются в быстром прототипировании?

Новые материалы для прототипирования постоянно разрабатываются, которые все лучше и лучше соответствуют спецификациям конечных производственных материалов. ABS, акрил, полифенилсульфон, поликарбонат и нейлон — лишь некоторые из обычно используемых, которые предлагают выдающуюся функциональность, долговечность и прочность.

В чем разница между аддитивным производством и быстрым прототипированием?

Быстрое прототипирование означает быстрое производство прототипа. Аддитивное производство относится к любому производственному процессу, который делает продукты путем постепенного добавления материалов.

Что такое процесс быстрого производства?

Термин «быстрое производство» используется для обобщения различных методов и производственных процессов, служащих быстрому и гибкому производству прототипов и серийных деталей. Подразумевается, что производство будет подразумевать использование нестандартных инструментов, напрямую считывающих доступные CAD-данные.

Какие полимеры используются в быстром прототипировании?

Полидиметилсилоксан (PDMS) был основой для быстрого прототипирования в академическом сообществе микрожидкостной техники из-за своей низкой стоимости, надежности и простой фабрикации, которые особенно полезны в исследовательских стадиях.

В чем разница между прототипированием и быстрым прототипированием?

То, что раньше занимало несколько недель при традиционном прототипировании, теперь занимает всего несколько часов с RP. В общем, быстрое прототипирование лучше всего подходит для проектов, требующих нескольких изменений дизайна или корректировок компонентов. Это также более идеально для сложных геометрий и жестких дедлайнов.

В чем разница между быстрым прототипированием и быстрым оснасткированием?

«Быстрое прототипирование» относится к различным методам аддитивного производства, используемым для быстрого производства образцовых компонентов — в самом деле, именно здесь и возникло аддитивное производство. Быстрое оснасткирование — это другая технология, ускоряющая производство продуктов.