Руководство по быстрому прототипированию для разработки продукта

Введение

Быстрое прототипирование помогает компаниям превращать идеи в реалистичные доказательства концепции, переводит эти концепции в прототипы высокой точности, которые выглядят и работают как конечные продукты, и направляет продукты с помощью серии этапов валидации в сторону массового производства. Благодаря быстрому прототипированию дизайнеры и инженеры могут создавать прототипы непосредственно из CAD быстрее, чем когда-либо прежде, и выполнять быстрые и частые пересмотры своих проектов на основе реальных испытаний и обратной связи.

Из этого документа Вы узнаете, как быстрое прототипирование вписывается в процесс разработки продукта, о его применениях и о том, какие инструменты для быстрого создания прототипов доступны для современных разработчиков продуктов.
Скачать подробное руководство

Что такое быстрое прототипирование?

Быстрое прототипирование — это группа методов, используемых для быстрой сборки масштабной модели физической детали или сборки с использованием данных трехмерного автоматизированного проектирования (CAD). Поскольку эти части или сборки обычно строятся с использованием аддитивных методов, в отличие от традиционных методов вычитания, этот термин становится синонимом аддитивного производства и 3D- печати.

Аддитивное производство является естественным выбором для прототипирования. Оно обеспечивает практически неограниченную свободу форм, не требует инструментов и может производить детали со свойствами, которые точно соответствуют различным материалам, изготовленным с использованием традиционных методов производства. Технологии 3D-печати существуют с 1980-х годов, но их высокая стоимость и сложность в основном ограничены для крупных корпораций или вынуждают небольшие компании передавать на аутсорсинг производство на специализированные услуги, ожидая неделями между итерациями.

Появление настольной и стендовой 3D-печати изменило эту ситуацию и вдохновило на применение без малейших признаков прекращения этого процесса. Благодаря внутренней 3D-печати инженеры и дизайнеры могут быстро выполнять итерацию между цифровыми проектами и физическими прототипами. Теперь можно создавать прототипы в течение дня и выполнять быстрые итерации дизайна, размера, формы или сборки на основе результатов реального тестирования и анализа. В конечном счете, быстрое прототипирование помогает компаниям выводить лучшие продукты на рынок быстрее, чем их конкуренты.

Используя 3D-печать, дизайнеры могут быстро переключаться между цифровыми проектами и физическими прототипами и быстрее получать продукцию.

Зачем необходимо быстрое прототипирование?

РЕАЛИЗОВЫВАЙТЕ И ИССЛЕДУЙТЕ КОНЦЕПЦИИ БЫСТРЕЕ

Быстрое прототипирование выдвигает первоначальные идеи в исследованиях с низким уровнем риска, которые мгновенно выглядят как настоящие продукты. Это позволяет дизайнерам выйти за рамки виртуальной визуализации, упрощая понимание внешнего вида и сопоставляя концепции рядом друг с другом.

ЭФФЕКТИВНЫЙ ОБМЕН ИДЕЯМИ

Физические модели дают разработчикам возможность поделиться своими идеями с коллегами, клиентами и сотрудниками, чтобы передать идеи способами, которые невозможно использовать, просто визуализируя рисунки на экране. Быстрое прототипирование облегчает четкую и действенную обратную связь, которая необходима разработчикам для уточнения и улучшения их дизайна.

ИТЕРАТИВНОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ И МГНОВЕННОЕ ВНЕДРЕНИЕ ИЗМЕНЕНИЯ

Дизайн всегда является итеративным процессом, требующим нескольких раундов тестирования, оценки и уточнения перед тем, как превратиться в конечный продукт. Быстрое прототипирование с использованием 3D-печати позволяет гибко создавать более реалистичные прототипы, быстрее и мгновенно внедрять изменения, улучшая этот важный процесс проб и ошибок.

Последовательные итерации Sutrue, автоматизированного хирургического сшивателя, прототипированного на SLA принтерах Formlabs.

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

ЭКОНОМИЯ ВРЕМЕНИ И ДЕНЕГ

При использовании 3D-печати нет необходимости в дорогостоящих инструментах и настройках; одно и то же оборудование может использоваться для создания различных геометрий. Собственное прототипирование устраняет значительные затраты и сокращает время, связанные с аутсорсингом.

ТЕСТИРОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ И МИНИМИЗАЦИЯ НЕДОСТАТКОВ ДИЗАЙНА

В дизайне и изготовлении изделий раннее обнаружение и устранение недостатков дизайна могут помочь компаниям избежать дорогостоящих изменений дизайна и изменений инструментария в будущем.

Быстрое прототипирование позволяет инженерам тщательно тестировать прототипы, которые выглядят и работают как конечные продукты, снижая риск проблем с удобством использования и технологичностью, прежде чем переходить к производству.

Применение быстрого прототипирования

Благодаря множеству доступных технологий и материалов, быстрое прототипирование с использованием 3D- печати поддерживает дизайнеров и инженеров в разработке продуктов, начиная от первоначальных концептуальных моделей до проектирования, валидации и производства.

КОНЦЕПТУАЛЬНЫЕ МОДЕЛИ

Концептуальные модели или прототипы доказательной концепции (POC) помогают разработчикам продуктов обосновывать идеи и предположения и проверять жизнеспособность продукта. Модели физической концепции могут продемонстрировать идею заинтересованным сторонам, создать дискуссию и ускорить принятие или отклонение решений с помощью исследований концепции с низким риском.

Ключом к успешному моделированию концепции является скорость; дизайнеры должны создавать множество идей, прежде чем строить и оценивать физические модели. На этом этапе удобство и качество имеют меньшее значение, и команды максимально полагаются на готовые детали.

3D-принтеры — идеальные инструменты для поддержки концептуального моделирования. Они обеспечивают непревзойденное время обработки, чтобы преобразовать компьютерный файл в физический прототип, что позволяет дизайнерам быстрее тестировать больше концепций. В отличие от большинства инструментов для мастерских и производства, настольные 3D-принтеры удобны для офиса, что избавляет от необходимости выделять специальное отдельное пространство.

Дизайнеры швейцарской дизайнерской и консалтинговой студии Panter&Tourron использовали SLA 3D-печать для перехода от концепции к витрине за две недели.

Производитель камеры для дайвинга Paralenz использовал 3D-печать, чтобы создать реалистичные прототипы, которые выдерживали тестирование на глубине более 200 метров ниже уровня моря.

ФУНКЦИОНАЛЬНОЕ ПРОТОТИПИРОВАНИЕ

Когда продукт переходит на последующие этапы, детали становятся все более важными.

3D-печать позволяет инженерам создавать высокоточные прототипы, которые точно представляют конечный продукт. Это упрощает проверку дизайна, пригодности, функциональности и технологичности, до инвестиций в дорогостоящие инструменты и перехода к производству, когда время и затраты на внесение изменений станут все более высокими.

Усовершенствованные материалы для 3D-печати могут точно соответствовать характеристикам внешнего вида, ощущениям и материалам деталей, изготовленных с использованием традиционных производственных процессов, таких как литье под давлением. Различные материалы могут моделировать детали с тонкой детализацией и текстурами, гладкие и низкофрикционные поверхности, жесткие и прочные корпуса или мягкие и прозрачные компоненты. 3D-печатные детали могут быть обработаны вторичными процессами, такими как шлифование, полировка, покраска или гальванизация, чтобы воспроизвести любой визуальный атрибут конечной детали, а также быть обработанными для создания сборок из нескольких деталей и материалов.

Инженерные прототипы требуют обширного функционального тестирования, чтобы увидеть, как деталь или сборка будут работать при воздействии нагрузок и использовании в полевых условиях. 3D-печать предлагает технические пластмассы для высокопроизводительных прототипов, которые могут выдерживать тепловые, химические и механические нагрузки. Эта технология также обеспечивает эффективное решение для создания пользовательских тестовых объектов с целью упрощения функционального тестирования и сертификации путем сбора согласованных данных.

Инженеры Wohlers создали реалистичный прототип влагомера из нескольких материалов с жестким корпусом и мягкими сенсорными кнопками

Компания по разработке медицинских устройств Coalesce  использует специальные приспособления для внутреннего тестирования.

3D-печатные монтажные приспособления на автоматизированной производственной линии в Pankl Racing Systems.

ПРЕДВАРИТЕЛЬНАЯ ПОДГОТОВКА И ПРОИЗВОДСТВО

Наличие отличного прототипа — это только половина задачи; дизайн должен быть неоднократно проверен и быть экономически целесообразным, чтобы стать успешным конечным продуктом. Проектирование с учетом технологических требований (DFM) уравновешивает эстетику и функциональность конструкции, сохраняя при этом требования конечного продукта. DFM облегчает производственный процесс для снижения производственных издержек и поддержания стоимости детали ниже требуемого уровня.

Быстрое прототипирование позволяет инженерам создавать малосерийные партии, одноразовые пользовательские решения и подсборки для проектирования и сборки для проверки дизайна (EVT иDVT) и технологичности.

3D-печать упрощает проверку допусков с учетом фактического производственного процесса и проведение комплексных внутренних и полевых испытаний перед переходом к массовому производству. 3D-печатные детали также поддерживают производство, наряду с инструментами прототипирования, формами, монтажными и установочными приспособлениями для производственной линии.

При исопльзовании 3D-печати дизайн не должен заканчиваться, когда начинается производство. Средства быстрого прототипирования позволяют дизайнерам и инженерам постоянно совершенствовать продукты и быстро и эффективно реагировать на проблемы на линиях с монтажными и установочными приспособлениями, которые улучшают процессы сборки или контроль качества.

Инструменты быстрого создания прототипа: FDM / SLA / SLS

В течение последних нескольких лет 3D-принтеры с высоким разрешением стали более доступными, более простыми в использовании и более надежными. В результате технология теперь доступна для большего количества предприятий, но выбор между различными конкурирующими решениями 3D-печати может быть затруднен.

Какая технология подходит для Вашего конкретного приложения? Какие материалы доступны? Какое оборудование и обучение Вам нужно для начала? Что насчет затрат и отдачи от инвестиций?

Далее мы рассмотрим три наиболее распространенные технологии для 3D-печати пластиков: моделирование методом наплавления (FDM), стереолитография (SLA) и селективное лазерное спекание (SLS)

МОДЕЛИРОВАНИЕ МЕТОДОМ НАПЛАВЛЕНИЯ (FDM)

 Моделирование методом наплавления является наиболее широко используемой формой 3D-печати на потребительском уровне, вызванной появлением любительских 3D-принтеров. FDM 3D-принтеры создают детали путем плавления и экструдирования термопластичной нити, которую печатная головка закладывает слоями в области сборки.

FDM работает с рядом стандартных термопластов, таких как АБС, ПЛА их различные смеси. Этот метод хорошо подходит для базовых концептуальных моделей, а также для быстрого и недорогого прототипирования простых деталей, таких как детали, которые обычно могут быть обработаны.

FDM имеет самые низкие разрешение и точность по сравнению с SLA или SLS и не является лучшим вариантом для печати сложных конструкций или деталей со сложными объектами. Высококачественная отделка может быть получена путем химического и механического полирования. Промышленные 3D-принтеры FDM используют растворимые опоры для смягчения некоторых из этих проблем и предлагают более широкий спектр технических термопластов, но они также имеют высокую цену.

СТЕРЕОЛИТОГРАФИЯ (SLA)  

Стереолитография была первой в мире технологией 3D- печати, изобретенной в начале 1970-х годов и до сих пор является одной из самых популярных технологий для профессионалов. SLA использует лазер для отверждения жидкого полимера в затвердевший пластик в процессе, называемом фотополимеризацией.

Детали SLA имеют наивысшее разрешение и точность, самые четкие детали и гладкую поверхность среди всех технологий пластиковой 3D-печати, но основное преимущество технологии SLA заключается в ее универсальности. Изготовители материалов создали инновационные составы полимеров SLA с широким спектром оптических, механических и тепловых свойств, в соответствии со стандартными, инженерными и промышленными термопластами.

SLA — отличный вариант для очень подробных прототипов, требующих жестких допусков и гладких поверхностей, таких как формы, шаблоны и функциональные детали. SLA широко используется в различных отраслях промышленности от проектирования и дизайна продукции до производства, стоматологии, ювелирных изделий, моделирования и образования.

Запросите бесплатный образец детали и самостоятельно оцените качество SLA

 СЕЛЕКТИВНОЕ ЛАЗЕРНОЕ СПЕКАНИЕ (SLS)

Селективное лазерное спекание является наиболее распространенной технологией производства присадок для промышленного применения.

3D-принтеры SLS используют мощный лазер для спекания мелких частиц полимерного порошка. Неиспользованный порошок поддерживает деталь во время печати и устраняет необходимость в специализированных опорных конструкциях.

Это делает SLS идеальной технологией для сложных геометрий, включая внутренние объекты, подрезы, тонкие стенки и негативные объекты. Детали, изготовленные с использованием SLS-печати, имеют отличные механические характеристики, прочность которых напоминает детали, изготовленные методом литья под давлением.

Наиболее распространенным материалом для селективного лазерного спекания является нейлон, популярный инженерный термопластик с превосходными механическими свойствами.

Нейлон легкий, прочный и гибкий, а также устойчивый к ударам, химикатам, теплу, ультрафиолетовому излучению, воде и грязи.

Сочетание низких затрат на партию, высокой производительности и установленных материалов делают SLS популярным выбором среди инженеров для функционального прототипирования и экономичной альтернативой литьевому формованию для производства с ограниченным тиражом или параллельного производства.

Детали FDM имеют видимые линии слоев и могут показывать неточности вокруг сложных функций. Этот пример был напечатан на промышленном 3D- принтере Stratasys uPrint с растворимыми носителями (цена на машину начиналась от 15900 долларов США).

Детали SLA имеют острые края, гладкую поверхность и минимальные видимые линии слоев. В этом примере деталь была напечатана на Formlabs Form 2 настольном SLA 3D-принтере (цена начинается с $3 499).

Детали SLS имеют слегка шероховатую поверхность, но почти не имеют видимых линий слоев. В этом примере деталь была напечатана на Formlabs Fuse 1 настольном SLS 3D-принтере (цена начинается с 9 999 долларов США).

СРАВНЕНИЕ ТЕХНОЛОГИЙ FDM, SLA, И SLS

Каждая технология 3D-печати имеет свои сильные и слабые стороны и требования и подходит для различных приложений и бизнеса. В следующей таблице приведены некоторые ключевые характеристики и соображения.

	Моделирование методом наплавленияFDM	СтереолитографияSLA	Селективное лазерное спеканиеSLS
Разрешение
Точность
Обработка поверхности
Пропускная способность
Сложные дизайны
Простота использования
Плюсы	СкоростьНизкозатратные потребительские машины и материалы	Высокая стоимость Высокая точность Гладкая поверхностьРазнообразие функциональных применений	Крепкие функциональные детали Свобода дизайнаНет необходимости в опорных конструкциях
Минусы	Низкая точность Низкие деталиОграниченная совместимость дизайна	Средний объем построенияЧувствительность к длительному воздействию УФ-излучения	Грубая поверхностьОграниченные варианты материала
Применения	Недорогое быстрое прототипирование Основные концептуальные модели	Функциональное прототипирование Стоматологические примененияПрототипирование и литье ювелирных изделий Моделирование	Функциональное прототипированиеМалосерийное, опытное или индивидуальное производство
Объем печати	До 200 x 200 x 300 мм (настольные 3D-принтеры)	До 145 x 145 x 175 мм (настольные 3D- принтеры)	До 165 x 165 x 320 мм (стендовые 3D-принтеры)
Материалы	Стандартные термопласты, таких как ABS, PLA и их различные смеси.	Различные полимеры (термореактивные пластмассы) Стандартные, технические (АБС- подобные, ПП-подобные, гибкие,жаропрочные), литьевые, стоматологические и медицинские (биосовместимые)	Инженерные термопластики Nylon 11, Nylon 12 и их композиты
Обучение	Незначительное обучение по установке, эксплуатации машины и отделке ; умеренная подготовка по обслуживанию	«Подключи и работай». Незначительное обучение по установке, обслуживанию, эксплуатации машины и отделке	Среднее по объему обучение по установке, обслуживанию, эксплуатации машины и отделке
Объект — требования	Кондиционированная среда или, предпочтительно, индивидуальная вентиляция для настольных машин.	Настольные машины подходят для офисной среды	Рабочая среда с умеренными требованиями к пространству для стендовых систем
Вспомогательное оборудование	Система удаления опор для машин с растворимыми носителями (опционально автоматизированная), отделочные инструменты	Станция пост-отверждения, моечная станция (опционально автоматическая), отделочные инструменты	Станция пост-обработки для очистки деталей и восстановления материала

ЗАТРАТЫ И ВОЗВРАТ ИНВЕСТИЦИЙ

В конечном счете, Вы должны выбрать технологию, которая имеет наибольший смысл для Вашего бизнеса.

В последние годы цены значительно снизились, и сегодня все три технологии доступны в компактных, доступных по цене системах.

Расчет затрат не заканчивается первоначальными расходами на оборудование. Материальные и трудовые затраты оказывают существенное влияние на стоимость каждой детали в зависимости от приложения и Ваших производственных потребностей.

Ниже приводится подробная разбивка по технологиям:

	Моделирование методом наплавленияFDM	Стереолитография SLA	Селективное лазерное спекание SLS
Стоимость оборудования	Настольные принтеры среднего ценового диапазона начинаются от 2000 долл. США, а промышленные системы — от 15 000 долл. США	Профессиональные настольные принтеры начинаются от 3500 долларов США, а крупномасштабные промышленные машины доступны от 80 000 долларов США	Стендовые системы начинаются от 10 000 долл. США, а промышленные принтеры — от 100 000 долл. США
Стоимость материала	$ 50- $ 150 / кг для большинства стандартных и технических нитей и $ 100-200 / кг для вспомогательных материалов	$ 149- $ 200 / л для большинства стандартных и инженерных полимеров	$ 100 / кг для нейлона. SLS не требует опорных структур, и неиспользованный порошок можно использовать повторно, что снижает материальные затраты.
Потребности в рабочей силе	Ручное удаление опор (может быть в основном автоматизировано дляпромышленных систем с растворимыми опорами). Для качественной отделки требуется длительная постобработка.	Прмоывка и последующее отверждение (могут быть в основном автоматизированы)Простая пост-обработка для удаления следов опор.	Простая очистка для удаления избыточного порошка.