Выбор правильного процесса быстрого прототипирования для успеха нового продукта

Успех или неудача прототипа зависит от выбора процесса быстрого прототипирования для разработки нового продукта. Существует множество способов изготовления прототипов — от простых картонных макетов до полностью обработанных металлических подсборок.

Прототипирование критически важно для любого инженерного дизайна, особенно НПР. Это процесс создания грубых моделей для тестирования функциональности, формы, размеров и т.д. Подробнее о типах прототипов и их важности читайте здесь.

Эта статья посвящена прототипам на уровне деталей — как изготавливать отдельные детали для создания системных прототипов.

5 ключевых факторов при выборе процесса быстрого прототипирования

Прототипы сильно различаются, так как каждый проект, продукт и элемент дизайна уникальны. Поскольку успех прототипа зависит от критериев выбора процесса, эти 5 факторов необходимо учитывать в начале.

1. Назначение (Purpose)
2. Качество (Quality)
3. Количество (Quantity)
4. Сложность (Complexity)
5. Бюджет/стоимость (Budget/cost)

Рассмотрим каждый фактор, чтобы понять его важность.

1. Назначение

В проекте инженерного дизайна прототипы создаются для четырёх целей по Ulrich и Eppinger (2008): Обучение, Коммуникация, Интеграция и Вехи (Milestones). Эти цели варьируются в зависимости от 4 стадий НПР. Каждая стадия имеет свои требования к характеристикам и функциональности для снижения рисков, что определяет требуемую точность прототипа (fidelity), то есть его качество.

Во-первых, от планируемых тестов или мер по снижению рисков: типы тестов, обратная связь клиентов и т.д. Если продукт пройдёт строгие испытания, полевые испытания и верификацию, выбор материала станет ключевым для выбора технологии прототипирования.

Во-вторых, любые функциональные аспекты, которые вы хотите видеть в прототипе. Планируете ли функциональные тесты или есть движущиеся части? Это диктует выбор и сборку.

В-третьих, изменения и модификации. Мало вероятно, что прототип сразу будет успешен. Нужно учитывать, насколько легко или трудно его модифицировать.

Стадия НПР

• Планирование продукта и уточнение задачи

  • На этой стадии нужны очень ранние макеты доказательства концепции, демонстрационные образцы и прототипы промышленного дизайна.
  • Техники прототипирования:
    • CNC-фрезеровка пены
    • Картонные макеты
    • 3D-печать деталей и сборок (FDM, SLA, SLS и др.)

• Концептуальное проектирование

  • Требуются масштабные детали или сборки с элементами пользовательского интерфейса и ограниченной функциональностью.
  • FDM-печать отлично подходит для ощущения формы и размера. Для большей точности — SLA, SLS, полиджет. Для металла — CNC. В некоторых случаях стоит рассмотреть листовую металлообработку.

• Конструкторская проработка (Embodiment design)

  • Фаза разработки полностью функциональных прототипов (форма, посадка, функция), где детали важны. Прототипы — рабочие сборки со множеством деталей.
  • Нужно больше одного экземпляра для тестов; стоит учитывать финальные производственные технологии для их имитации.
  • Для пластика — вакуумное литье и высокоточная 3D-печать (SLS, SLA).
  • SLM/DMLS идеальны для имитации литьёвых деталей (песок, кокильное, под давлением).

• Детальное проектирование

  • Прототипы на этой фазе используются для функциональных тестов и предпроизводственных пилотных серий.
  • Литьё под давлением можно прототипировать вакуумным литьём, механически обрабатываемые пластики — 3D-печатью.

2. Качество

Как обсуждалось, точность (fidelity) продукта диктует тип процесса и пост-обработки. Качество прототипа по сравнению с конечным продуктом также важно. Поскольку высокоточные прототипы дороже, их выбор должен обосновываться ROI.

Например, если на детали есть резьба, SLA лучше FDM, но дороже.

Срок службы прототипа также важен при выборе технологии. Если детали с крепежами будут часто использоваться, механическая обработка или металлические втулки лучше, чем 3D-напечатанные резьбы.

Выбор материала критически важен для качества. Если функциональные элементы связаны со специальными свойствами материала (поверхностная чистота, долговечность), аддитивные методы могут быть не лучшим выбором. Общие материалы для разных методов:

3D-печать	CNC	Вакуумное литье
Нейлон, PLA, ABS, ULTEM, ASA, TPU	ABS, Нейлон, Поликарбонат, PEEK	ABS, Нейлон, Нейлон HT
Алюминий, Нержавейка, Титан, Инконель	Алюминий, Нержавейка, Титан, Латунь	Н/Д

Если прототип состоит из нескольких деталей, допуски деталей нужно учитывать для лёгкости сборки.

3. Количество

Необходимое количество деталей критично для выбора процесса, так как некоторые технологии выгодны только для малых серий. При аддитивном производстве объём детали также влияет на стоимость: крупные детали печатаются дольше. Эвристические правила:

Пластиковые детали

Процессы прототипирования
Пластиковые детали		Количество
		Малое (единицы)	Среднее (десятки)
Размер	Малый	3D-печать	CNC (простые) 3D-печать (сложные)
	Крупный	3D-печать	Вакуумное литьё CNC

Металлические детали

Процессы прототипирования
Металлические детали		Количество
		Малое (единицы)	Среднее (десятки)
Размер	Малый	CNC 3D-печать	CNC Кокильное литьё
	Крупный	CNC	CNC

4. Сложность

Сложность детали и тонкость элементов также диктуют выбор процесса. Аддитивное производство хорошо для очень сложных мелких деталей, но сложность означает очень дорогое серийное производство.

Процесс	Допуск (мм)	Мин. толщина стенки (мм)
FDM	±0,20 – ±0,50	0,8 – 1,0
SLS/SLA	±0,20 – ±0,30	0,7 – 1,0
SLM/DMLS	±0,10	0,4 – 0,5
Binder jetting	±0,20	1,5 – 2,0
CNC *	±0,012	0,5
Вакуумное литьё	±0,1	0,9 – 1,0

Указанные допуски и минимальные толщины — типичные значения, сильно зависят от материала и дизайна элементов.

Детали, которые в серии будут произведены литьём под давлением или различными видами литья, можно прототипировать 3D-печатью, а механические детали — 3D-печатью или традиционными методами формования/вычитающего производства.

5. Стоимость

Наконец, доступные ресурсы; цель прототипа идет рука об руку с ресурсами. Время, деньги и человеко-часы на изготовление и отладку прототипов нужно учитывать при выборе технологии.

Подумать над:

• Часто время на пост-обработку или доводку низкокачественных прототипов больше, чем на высококачественные.
• Некоторые процессы (3D-печать) требуют пост-обработки, но она быстрее и дешевле; вакуумное литьё даёт детали, почти идентичные литью под давлением, и не требует пост-обработки, но дороже из-за стоимости инструментов.
• Стоимость CNC пропорциональна сложности детали, стоимость AM — объёму и размеру.
• Общая стоимость тесно связана с количеством, особенно для CNC из-за высоких затрат на наладку.

Резюме

Разработка новых инженерных продуктов почти всегда включает прототипирование для проверки идей, функций и т.д. Но качество тестирования и последующих решений сильно зависит от того, насколько хорошо прототип имитирует конечный продукт. Поэтому выбор правильного процесса прототипирования критичен для успеха.

Поняв 5 ключевых факторов, можно выбрать тип процесса. Существует множество способов изготовления прототипов, у каждого свои плюсы и ограничения. Правильный выбор — залог успеха.

Этапы выбора процесса быстрого прототипирования:

• Определить назначение прототипа
• Установить уровень приближения (качество и сложность)
• Описать метод оценки и план для определения количества
• Сдержать затраты в рамках бюджета прототипирования