Быстрое прототипирование с 3D-печатью: революция в литейных процессах

Влияние 3D-печати на песочное и инвестиционное литьё

3D-печать — один из многих достижений, позволяющих ускорить прототипирование.

Дизайнер, предприниматель или изобретатель получает идею и начинает процесс её воплощения. Сначала идея состоит из эскизов и планов, исследований и дизайна, но фокус дизайнера направлен на создание физического объекта. Нет замены держать макет или прототип и видеть видение оживающим. Прототипирование позволяет дизайнеру иметь уверенность в своей идее, выработать производственные дефекты и привлечь инвесторов или клиентов.

При первом запуске объекта в мир создатель должен вести свой новый продукт через вопросы интеллектуальной собственности, финальный анализ затрат, механические и эстетические вопросы, и ожидания инвесторов, клиентов или рынка. Хороший прототипирующий запуск даёт пространство для исследования всех этих вопросов.

К счастью, рост быстрого компьютерно-ведущего прототипирования упростил технические детали этого процесса, позволяя создателю производить наилучший возможный продукт.

История прототипирования

До подъема компьютерно-помощных технологий все металлические литейные прототипы строились из ręчно спроектированных моделей. После начальной фазы дизайна мастер-модельер рендерил чертеж в трёхмерную скульптуру. Для песочных отливок эти модели обычно делали из дерева, но иногда из металла или керамики. Некоторые модели рендерили из воска для инвестиционного литейного процесса. Эти свободные модели были первым общим рендерингом конечного объекта.

Эти модели не были идентичны прототипу, хотя они могли выглядеть похоже на конечный продукт. Модели часто слегка больше конечной модели, чтобы компенсировать усадку в процессе металлического литья. Они также могли быть разделены на секции, созданы как простые геометрические контуры для валовых форм, или иметь странные углы, спроектированные для компенсации деформации сокращающегося металла или для обеспечения отформовки модели из песочной формы.

Модели передавали эксперту-формовочнику на литейном полу, обычно для создания песочной формы, необходимой для прототипной отливки. Этап формовки был трудным, не таким простым, как просто вдавить модель в песок. Формовочник должен был вырезать линии разделки отливки, и разместить необходимые каналы и отверстия, которые позволили бы расплавленному металлу заполнить форму равномерно и полностью, и остыть без дефектов. Эти каналы включают шпрур, или вход, в который вливают жидкий металл; заливы, которые являются переменно размерными каналами, контролирующими скорость потока расплава; желобки, позволяющие жидкому металлу течь из одной области формы в другую; и risalеры, крупноёмкие бассейны, которые остаются горячими дольше отливки, и поэтому могут дозаправлять жидкий металл в отливку по мере её остывания и усадки, предотвращая образование полостей.

Из этой кропотливой работы как модельера, так и формовочника, металлические прототипы отливали.

Когда литейные рабочие раскачивали чистую металлическую отливку, оригинальный дизайнер мог оценить её. Эстетика, вес, финиш и посадка становились ясны. Если это был не просто декоративный объект, а что-то, спроектированное для выдержки механических нагрузок, дизайнер тестировал объект нагрузкой до заявленного допуска и выше, чтобы проверить инженерию. Литейные цехи также тестировали прототипы разрушением: отливку резали на куски, чтобы искать внутренние деформации.

Вывод дизайна в производство также делал инвестиции и возврат понятнее. Дизайнер или изобретатель мог использовать фазу прототипирования для бюджетирования и поиска эффективностей для полного производственного запуска.

После размышлений о прототипе во всех этих аспектах, изменения в дизайне могли потребоваться. Будь то изменения большие или маленькие, они обычно создавали часы работы снова для ремесленника-модельера, и для формовочника после.

Прототипирование был долгим и дорогим процессом.

Оцифровка и компьютерно-помощный дизайн

Подъём быстрого прототипирования сделал создание рабочей модели намного проще. Он также откладывает первый момент, когда нужен физический объект.

Чертежи и технические эскизы когда-то делались вручную. Теперь они оцифрованы через CAD-программы (Computer Assisted Design). Очень просто менять цифровые CAD-файлы много раз в процессе прототипирования, тогда как исторические чертежи были трудоёмкими для перерисовки.

CAD-чертежи можно превратить в сложные и хорошо воображаемые симуляции производственного запуска и конечного продукта. Они являются цифровым шагом прототипирования, создавая полную компьютерную модель, которая действует больше как начальный прототип, чем было возможно с пером и бумагой. CAD-файлы также могут использоваться компьютерными программами, имеющими производственную и производственную информацию. Если дизайнер отправляет CAD-файлы с объектом в литейный цех, металлурги могут использовать программы с огромными базами данных свойств металлов и формовочных процессов для оценки эскиза и предсказания возможных проблем. Проблемы, которые когда-то могли потребовать прототипирующего запуска для обнаружения, можно найти до того, как первый металл будет влит.

Эти программы также полезны для литейного цеха, помогая размещать шпруры, заливы, желобки и risalеры в местах, которые создадут наиболее твёрдую отливку, до того как модель попадёт на литейное поле.

Тем не менее, неважно, насколько сложные или хорошо воображаемые, они всё ещё абстракции. Людям часто нужен физический прототип, чтобы по-настоящему понять дизайн.

Макеты и предпроизводственные прототипы

С появлением 3D-печати макеты можно делать быстро и в любом масштабе, часто задолго до обращения к производителю. Теперь обычна практика, когда дизайнеры строят свои первые прототипы внутри компании. Будь то в миниатюре или в натуральную величину, дизайнер может держать макет своего проекта, чтобы увидеть, как всё может сложиться.

3D-печать — часть нового стиля быстро меняющегося «итеративного дизайна». 3D-модели можно печатать, критиковать, менять и перепечатывать всё в течение дня. Это быстро и дешево по сравнению со сложным процессом моделирования и металлического литья.

На литейном цехе быстрое прототипирование также может помочь создавать модели для вдавливания в форму новыми и новаторскими способами. Лазерно-направленная механическая обработка может изготовить модель из металла. 3D-печать может напрямую создавать модели для инвестиционного литья, что может быть эффективно для коротких или сложных серий.

Производственные прототипы

В конечном итоге прототипы должны быть сделаны из правильного материала в правильном размере и заказывается короткий производственный запуск у производителя. Прибытие цифровых технологий означает, что модельер и формовочник теперь каждый ведёт свою работу с помощью компьютерных программ, ускоряя эти шаги прототипирования. Всё ещё не всё изменилось. Свободная деревянная модель всё ещё обычно создаётся для первых прототипов песочного литейного производственного запуска (или восковая модель для инвестиционного литья). Эти рабочие модели будут сделаны и протестированы, как они всегда были.

Литейный цех всё ещё делает разрушительные тесты. Металлурги режут или сверлят некоторые отливки, чтобы убедиться, что они без дефектов, или что любые дефекты в пределах согласованных допусков. Когда литейный цех уверен, они отправляют образцы клиенту. Клиент затем финишит отливку как задумывал, и ставит её на работу. Выглядит и работает ли рабочий прототип как задумано? Может ли он выдержать ожидаемую нагрузку?

В новых изобретениях инноватору может потребоваться несколько раундов рабочих прототипов, чтобы поиграть с дизайном или материалом. Для более стандартных деталей рабочий прототип может быть доказательством концепции, которое найдёт клиентов или инвесторов для оплаты полного производственного запуска.

Скорость этих прототипирующих запусков усиливается появлением технологий вроде ультразвука и рентгена. Литейные цехи теперь могут тестировать неразрушающими способами, а также разрушающими. Техники могут проверять целостность металла без резки отливки. Это означает, что меньше прототипов можно сделать и всё ещё обеспечить полную проверку на производственной линии. Предметы, инспектированные литейным цехом неразрушающими способами, могут быть отправлены из литейного цеха клиенту для инспекции, финиша и нагрузочного тестирования. Быстрое прототипирование, тогда, также обеспечивается новыми неразрушающими опциями тестирования, которые позволяют меньше инвестиций в производственные прототипирующие запуски.

Соглашения о неразглашении и патенты

Не только технические вопросы затрагиваются быстрым прототипированием, но и вопросы интеллектуальной собственности. Как только дизайн покидает мастерскую дизайнера и входит в мир производства, интеллектуальная собственность становится проблемой.

Если продукт первого своего рода, изобретатель обычно планирует подать патент. Во многих ситуациях неразумно подавать патент до того, как рабочий производственный прототип был протестирован. И работа, вложенная в прототипирование, и тестирование дизайна после могут выявить дефекты, которые могли бы изменить патентную заявку.

Патенты публично анонсируются при подаче. Быстрое прототипирование разгоняет производственный цикл для всех. Некачественный патент может стать творческим кормом для конкурента, который может быстро запустить свои собственные НИОКР, используя патент как базу. Поэтому ожидание до конца прототипирования для патента часто является и затрато-защитной, и интеллектуально-собственностью-защитной. Изобретатель обычно не хочет тратить деньги на сложный патентный процесс, чтобы потом переделывать его с конкурентами на пятах.

Этот процесс может оставить изобретателя уязвимым, что кто-то в процессе прототипирования может скопировать их дизайн и вывести на рынок первым. Поэтому важно иметь хорошие отношения с репутабельным производителем и защищать дизайны чёткими соглашениями о неразглашении (NDA).

Быстрое прототипирование для лучшего дизайна

Другая сторона этой осторожности — бизнес-стремление выпустить продукт, даже если в ограниченных тестовых рынках или для бета-тестеров. Основатель LinkedIn Рид Хофман широко цитируется: «Если вы не стыдитесь первой версии вашего продукта, вы запустили слишком поздно».

Быстрое прототипирование помогает дизайнерам реализовать лучший продукт перед выходом на рынок. Легкость этой стадии может быть сиреновой песней, однако, которая заставляет дизайнеров подстраиваться, чтобы сделать вещи идеальными перед запуском. Важно помнить, что развитие не обязано заканчивать работу по уточнению и совершенствованию продуктов. Жизнь отливки может начинаться с дизайна и прототипирования, но часто порождает поколения продуктов, которые слегка меняют стиль, материал, метод литья, механическую способность, размер или функцию.

Previous Post: Metal Casting Design Metal Casting Process Next Post: Metal Casting Methods