Google ATAP изнутри: решение проблем с подготовкой к серийному производству с помощью 3D-печати

Лаборатория передовых технологий и проектов Google (ATAP) представляет собой единый центр для реализации аппаратных проектов. Эта лаборатория отличается прогрессивными взглядами на продукцию и производство, и использует такие подходы к решению проблем, которые любая компания может перенять уже сегодня: от итеративного мышления на каждом этапе разработки до технологического инструментария, позволяющего гибко и творчески подходить к решению задач.

В одном случае такой подход привел к технологическому нововведению, которое позволило отказаться от сложной цепочки поставок на этапе утверждения модели при подготовке к серийному производству переносного устройства, произведенного по технологии переформования. Используя Formlabs High Temp Resin, материал для 3D-печати, отличающийся высокой теплоскойкостью, они преодолели разрыв между созданием прототипа и производством, сократив время изготовления ключевого компонента на 85 % и сэкономив при этом более 100 000 долларов США.

Посмотрите видеоролик, чтобы узнать, как в Google ATAP использовали аддитивное производство для преодоления разрыва между созданием прототипа и производством, используя 3D-принтеры Formlabs и полимер High Temp Resin для решения проблемы с подготовкой к серийному производству сложного переносного устройства, произведенного по технологии переформования.

«Мы пытаемся понять не только то, как изделия будут выглядеть в будущем, но и то, каким будет производство. Аддитивное производство действительно играет в этом важную роль и напрямую связано со многими проектами, над которыми мы работаем», — говорит Брайан Аллен, технолог-проектировщик Google ATAP, который специализируется на 3D-печати и передовых производственных технологиях.

«Я очень рад, когда мы можем обнаружить что-то новое, что происходит в 3D-печати — новый материал, новый процесс, — а затем применить его к разрабатываемым проектам по-новому, делая что-то эффективнее, быстрее, лучше или эстетичнее».

Пример из практики: проблема подготовки к серийному производству

Наши сотрудники не знали, что делать. Они готовили к серийному производству переносное устройство, изготавливаемое по технологии переформования, и нуждались в более быстрых результатах. Процесс был новым, цепочка поставок была сложной, и они должны были преодолеть эти сложности и подготовить изделие к поставке.

«У нас были электронные компоненты, которые были переформованы, а затем переформованы еще раз, и в результате мы получили этот гибкий, водонепроницаемый предмет, который могли использовать в переносном устройстве», — рассказывает Девид Бердсли, руководитель опытной мастерской в лаборатории Google ATAP.

Переформовка — это распространенный производственный процесс. Если говорить о детали без электронных компонентов, изготовленной по методу переформовки, то завод может произвести тысячи опытных образцов по очень низкой себестоимости. Но специалисты лаборатории ATAP повторно переформовывали уже переформованный электронный компонент — модуль печатной платы со сложной электроникой, которая поставлялась с другого завода. Поэтому опытные образцы были дорогими, а их производство зависело от того, как быстро первый завод мог производить и поставлять модули печатных плат.

Переформовка — это процесс литья под давлением, который обычно требует начальной настройки инструмента на заводе-изготовителе для новых деталей, которые называют опытными образцами. По мере калибровки параметров литья эти опытные образцы могут быть недозаполненными, переполненными или иметь косметические недостатки. При устранении неполадок инженеры-технологи следят за правильностью отсечек, давления и всех параметров формовки.

Производство переносного устройства начинается с добавления компонентов на печатную плату. Эту печатную плату инкапсулируют в систему формовки под низким давлением, которая превращает ее в пластмассовый блок. Печатная плата и гибкий кабель образуют электронный узел, который проходит процесс переформовки с термопластичным полиуретаном (ТПУ) и силиконовым каучуком. Затем модуль печатной платы подвергается окончательной переформовке.

В процессе подготовки к производству сотрудники поняли, что стоимость опытных образцов будет намного выше, чем у обычной детали, изготовленной методом литья под давлением. Но они не ожидали проблем с цепочкой поставок: чтобы получить электронные узлы после переформовки, необходимые для проведения этих испытаний, требовалось три недели. Бердсли нужно было сократить этот срок, чтобы нарастить производство и поставить готовую продукцию.

«Может потребоваться сделать сотни и тысячи образцов, чтобы довести продукт до совершенства. Но проблема в том, что если делать это с рабочей электроникой с настоящими платами, которые были начинены электронными компонентами, отправлены на переформовку, а затем возвращены обратно, получается целая цепочка поставок», — объясняет Бердсли.

«Идеи закончились, и я просто смотрел, как впустую тратились доллары и недели, пока мы пытались придумать, как довести инструмент до ума. Как мы докажем, что это сработает, прежде чем начнем устанавливать туда рабочие электронные компоненты?»

Нужно было найти процесс и материал, которые подходили бы для модуля печатной платы. Замена должна была быть одновременно точной по размерам и полностью повторять форму настоящей детали, чтобы можно было определить характеристики заполнителя, и достаточно прочной, чтобы можно было выполнить отсечку, не ломая и не отклоняя ее, приводя к образованию заусениц.

«Мы знали, что должны были использовать материал, который выдерживал бы давление в сотни ньютонов при температуре более 250 °C», — говорит Бердсли. — «Мы искали материал с высокой жесткостью и устойчивостью к высоким температурам».

Бердсли обратился за помощью к Аллену, и они придумали план.

Решение: 3D-печать замещающих деталей из полимера High Temp Resin

Параметры не оставляли пространства для маневров. Аллен решил попробовать печатать на стереолитографическом (SLA) 3D-принтере Form 2 заменители (замещающие детали) из полимера High Temp Resin. Он знал, что будет испытывать пределы возможностей этого материала: готовые детали должны были впрыскиваться при температуре 270 °C и давлении более 1800 бар — выше граничной температуры деформационной теплостойкости, указанной для полимера High Temp Resin.

«Для того, чтобы получить небольшой размер детали и необходимые отсечки, нам нужна была эта разрешающая способность. Именно сочетание разрешающей способности и высокой термостойкости позволило нам использовать для этого принтер Form 2», — говорит Аллен. «Мы можем выбирать из множества других производственных технологий, но возможность изготавливать эти детали очень важна для нашей лаборатории».

Сотрудники быстро приступили к работе, печатая определенное количество моделей по ночам.

«У нас не было времени переделывать САПР. Я открыл ее, экспортировал файл STL и загрузил его в программу PreForm. Как только мы получили первую партию для подтверждения, мы просто запустили ее. В первом цикле мы сделали 200 деталей, а затем еще 100», — рассказывает Аллен.

PreForm — это бесплатное программное обеспечение Formlabs для подготовки моделей к печати, которое можно использовать для компоновки партий моделей на платформе. Когда они набрали темп, Аллен напечатал 250 замещающих деталей партиями по 10 штук, каждая из которых заняла около четырех часов, что позволило сотрудникам изготовить за выходные сотни деталей.

Аллен установил поддерживающие конструкции на модели из полимера High Temp Resin так, чтобы следы от них оставались только на моделях, а не на оформляющих поверхностях. Это гарантирует, что детали не потребуют дополнительной шлифовки или отделки помимо стандартной мойки и финальной полимеризации перед использованием.

Напечатанные на 3D-принтере модели идеально подходят для замены электронных узлов. Этот процесс позволил сократить срок изготовления замещающих деталей с трех недель до трех дней, а себестоимость одной такой детали снизилась со 100 долларов до 80 центов.

«Это позволило нам перехватить процесс на последующих этапах реализации проекта и исключить ряд подготовительных шагов. За счет этого мы просто отказались от трех–четырех подготовительных этапов. Это сэкономило кучу времени», — рассказывает Бердсли.

Девид Бердсли показывает, как его сотрудникам удалось, по его выражению, «перехватить процесс», исключив четыре производственных этапа, что дало им возможность сконцентрироваться на быстром доведении модели до совершенства на заключительном этапе переформовки. Замещающие детали, напечатанные на 3D-принтере, позволили отказаться от сложной цепочки поставок и сократить время изготовления с трех недель до трех дней.

Поскольку печатные детали были невероятно дешевыми, сотрудники лаборатории смогли предоставить их больше, чем затребовал завод, чтобы иметь возможность продолжать разработку до получения удовлетворительных результатов.

«Мы смогли выполнить отсечку на детали, напечатанном на 3D-принтере и впрыскивать в него материалы под высоким давлением, не воспламенив его — это по-своему уникально. Если бы у нас не было принтера Form 2, мы бы не смогли этого сделать», — признается Бердсли.

«Когда мы наконец перешли к полному производственному циклу, то были уверены, что это сработает», — добавляет Аллен.

Краткий обзор: Что удалось достичь сотрудникам Google ATAP? Используя стереолитографический 3D-принтер Formlabs Form 2 и полимер High Temp Resin, они смогли:

• напечатать на 3D-принтере замещающие детали из полимера High Temp Resin, выдержавшие переформовку и впрыскивание ТПУ при температуре более 250 °C и давлении более 1800 бар;

• сэкономить примерно 100 000 долларов на производстве электронных компонентов — и даже больше, если учитывать затраты на рабочую силу;

• отказаться от сложной цепочки поставок и сократить цикл испытаний для подготовки модулей печатных плат к серийному производству с 3 недель до 3 дней.

«Когда мы наконец перешли к полному производственному циклу, то были уверены, что это сработает».

Брайан Аллен

3 урока по применению 3D-печати в производстве от Google ATAP

Несмотря на то, что процесс производства переносного устройства в данном случае был уникальным, то, как сотрудники лаборатории подошли к задаче, использовали технологии для ее решения и задумались о применении 3D-печати, может оказаться ценным опытом для компаний любого размера. Ознакомьтесь с этими тремя вдохновляющими выводами, которые мы вынесли из нашего разговора с технологом-проектировщиком Google ATAP Брайаном Алленом и руководителем опытной мастерской Девидом Бердсли.

Подходите к каждому этапу разработки, от создания прототипа до поставки готового изделия, с точки зрения итераций.

«В нашей работе есть одна по-настоящему уникальная особенность: мы рассматриваем весь производственный процесс как процесс создания прототипа. Мы выполняем циклы прототипирования на каждом этапе производства, а не говорим: "Хорошо, вот этап создания прототипа, вот этап цепочки поставок, а вот запуск нового продукта". Мы применяем процесс разработки и подход на основе итераций на протяжении всего процесса подготовки продукта, а не только в его начале», — говорит Аллен.

«Когда ты применяешь прототипирование на каждом незначительном этапе подготовки к производству — именно тогда появляется понимание и можно решить задачи до того, как они превратятся в серьезные проблемы», — добавляет Бердсли.

Не стоит изолировать технологии. Рассматривайте любое оборудование как часть совокупности инструментов для решения проблем, которые помогут найти оптимальное решение для любой задачи.

«Мы никогда не пытаемся заменить процесс полностью, мы всегда копаем глубже и говорим: "Хорошо, какое полезное применение можно найти этому оборудованию? Что это оборудование делает лучше всего, и как мы можем это применить?" То, что мы не сосредотачиваем все внимание на одном процессе или определенном оборудовании, позволяет нам видеть преимущества различных материалов и процессов и применять их соответствующим образом», — говорит Аллен.

«Мы рассматриваем 3D-печать как еще один инструмент в наряду с ЧПУ, литьем и более традиционными производственными процессами. Это помогает нам думать о том, как применять эти новые технологии в производстве».

3D-принтер Form 2 входит в комплект инструментов в лаборатории Google ATAP, который инженеры и разработчики используют для решения сложных задач и реализации амбициозных аппаратных проектов.

Начните с решения одной задачи.

«В проектировании деталей до сих пор существует так много ограничений. Для лабораторий, которые хотят начать использовать аддитивное производство: выберите задачу, которая является частью большей проблемы. Вместо того, чтобы пытаться напечатать инструмент полностью, просто попробуйте напечатать замещающую деталь. Возьмите одну задачу и извлеките из нее уроки», — говорит Аллен.

Узнайте, как инженер-технолог компании Ashley Furniture воплотил идею по применению 3D-печати, изготовив 700 деталей непосредственно на предприятии.

Узнайте больше о принтере Form 2, инженерных полимерах и способах их применения

3D-принтер Form 2 и полимер High Temp Resin относятся к инструментам в лаборатории Google ATAP, которые инженеры и разработчики используют для решения сложных задач и реализации амбициозных аппаратных проектов.

«Все крупные компании с большими мастерскими считают: "О, нужно купить это дорогое оборудование". У нас такое есть, и оно и вправду чудесное. Но дело в том, что мы пользуемся Form 2 каждый день», — сообщает Бердсли. — «Точность, скорость, конечная обработка, возможность быстро получить готовую модель. Это действительно впечатляет.»

Узнайте больше о 3D-принтерах Form 2 и ознакомьтесь с ассортиментом инженерных полимеров Formlabs, которые можно использовать в ваших собственных проектах, или запросите бесплатный образец 3D-печати, чтобы оценить качество High Temp Resin и других полимеров самостоятельно.

Ознакомьтесь с другими технологиями 3D-печати для создания прототипов и производства, прочитав наш технический доклад Изготовление форм для литья спомощью 3D-моделей. 

Технологии: изготовление форм для литья с помощью 3D-моделей