Создание прототипов — важнейшая часть процесса разработки, зачастую вызывающая сложности.
Инженеры и разработчики создают тестовые образцы с помощью основных инструментов, но для изготовления рабочих прототипов и деталей для промышленной эксплуатации часто необходимы те же процессы, что и при выпуске готовой продукции. Традиционные производственные процессы, такие как литье под давлением или ЧПУ, требуют дорогостоящей оснастки и настройки. В результате изготовление малых партий прототипов уникальной конструкции оказывается непомерно дорогим.
Быстрое прототипирование позволяет компаниям превращать идеи в рабочие доказательства концепции, трансформировать концепции в высококачественные прототипы, которые выглядят и работают, как готовые продукты, и проводить испытания продуктов для запуска в массовое производство.
С помощью быстрого прототипирования конструкторы и инженеры могут создавать прототипы непосредственно из данных САПР быстрее, чем когда-либо, а также оперативно и часто корректировать свои проекты на основании реальных испытаний и обратной связи.
В этом руководстве вы узнаете, как и с помощью каких современных инструментов можно внедрить быстрое прототипирование в процесс разработки.
Что такое быстрое прототипирование?
Быстрое прототипирование — это система методик, используемых для быстрого изготовления масштабной модели физической или сборной детали с использованием систем автоматизированного проектирования (САПР). В отличие от традиционных субстрактивных технологий, такие детали и конструкции обычно изготавливают с использованием методов аддитивного производства. Поэтому само понятие стало ассоциироваться с аддитивным производством и 3D-печатью.
Применение технологий аддитивного производства для прототипирования вполне обосновано. Оно обеспечивает практически неограниченную свободу при создании формы, не требует специальных инструментов и позволяет создавать детали, механические свойства которых близки к свойствам изделий из различных материалов, изготовленных традиционными способами. Технологии 3D-печати существуют с 1980-х годов, но из-за высокой стоимости и сложности использования их применяли преимущественно в крупных корпорациях. А небольшие компании были вынуждены заказывать производство моделей у специализированных служб, ожидая по несколько недель между проведениями итераций.
С помощью 3D-печати разработчики могут быстро переходить от цифровых проектов к изготовлению физических прототипов и серийному производству.
Появление настольных 3D-принтеров изменило ситуацию и породило массовый интерес к технологии. С помощью 3D-печати, выполняемой на оборудовании компании, инженеры и разработчики могут быстро переходить от цифровых проектов к к изготовлению физических прототипов. Теперь за один день можно создать несколько прототипов, внося изменения в конструкцию, размеры, форму или компоновку по результатам анализа и испытаний, проведенных в условиях, близких к реальным. В конечном счете процесс быстрого прототипирования помогает компаниям выводить на рынок более качественную продукцию быстрее конкурентов.
Знакомство с настольной 3D-печатью методом стереолитографии (SLA)
Ищете 3D-принтер для изготовления моделей в высоком разрешении? Скачайте наш технический доклад, чтобы узнать, как работает стереолитография и почему это самая популярная технология 3D-печати, позволяющая создавать модели с впечатляющей детализацией.
Преимущества быстрого прототипирования
Быстрая реализация и концептуальный анализ
Быстрое прототипирование позволяет воплощать первоначальные идеи с низким уровнем риска, изготавливая тестовые образцы, которые выглядят, как настоящие изделия, в кратчайшие сроки. Это позволяет конструкторам выйти за рамки виртуальной визуализации, облегчает понимание внешнего вида и ощущений от использования конструкции, а также дает возможность сравнивать физические концепты.
Эффективное распространение идей
Физические модели позволяют конструкторам делиться своими концепциями с коллегами, клиентами и сотрудниками, используя средства, которые не сравнимы с обычным визуальным представлением конструкции на экране. Быстрое прототипирование способствует понятной и эффективной коммуникации с пользователями, благодаря которой создатели могут четче понять их потребности, а затем доработать и усовершенствовать продукцию.
Выполнение итераций и мгновенное внесение изменений
Разработка продукта — это циклический процесс из нескольких этапов тестирования, оценки и подгонки, предшествующих появлению готового изделия. Быстрое прототипирование с помощью 3D-печати позволяет быстрее создавать более реалистичные прототипы и мгновенно вносить изменения, улучшая этот критически важный процесс проб и ошибок.
Последовательные итерации захвата робота-укладчика, смоделированные на принтерах Formlabs SLA.
Хорошая модель действий — 24-часовой цикл разработки: проектирование во время работы, печать прототипов на 3D-принтере за одну ночь, очистка и испытание на следующий день, доработка конструкции, а затем повторение цикла.
Экономия средств и времени
Благодаря 3D-печати нет необходимости в дорогостоящем оснащении и настройке — на одном и том же оборудовании можно изготавливать модели с различными геометрическими формами. Создание прототипов на собственном оборудовании позволяет значительно экономить время, не обращаясь к подрядчикам.
Узнайте, сколько времени и средств можно сэкономить
Этот интерактивный инструмент расчета рентабельности инвестиций поможет узнать, какое количество времени и средств вы можете сэкономить с помощью 3D-печати на 3D-принтере Formlabs.
Проводите тщательные испытания и устраните дефекты конструкции
Обнаружение и устранение недостатков в конструкции на ранних стадиях проектирования и производства поможет компаниям избежать дорогостоящего перепроектирования и использования дополнительных инструментов.
Быстрое прототипирование позволяет тщательно тестировать прототипы, которые выглядят и работают, как готовые продукты, до запуска производства и снижать риски, связанные с эксплуатационной пригодностью и усложнением производственных процессов.
Сферы применения быстрого прототипирования
Благодаря разнообразию доступных технологий и материалов быстрое прототипирование помогает проектировщикам и инженерам на протяжении всего процесса разработки продукции: от создания первоначальных концептуальных моделей до улучшения конструкции, оценочных испытаний и производства.
Процесс разработки оборудования. Источник: Бен Эйнштейн, Bolt
Тестовые образцы и концептуальные модели
Концептуальные модели, или тестовые образцы, помогают разработчикам продукции проверять идеи и гипотезы, а также тестировать жизнеспособность новых изделий. Физические концептуальные модели помогают продемонстрировать идею заинтересованным сторонам, стимулировать обсуждение и способствовать утверждению конструкции или отказу от нее. По сути их создание — это способ исследования концепций с низким уровнем риска.
Создание тестовых образцов — самый ранний этап разработки продукции. Такие прототипы отличаются минимальной функциональностью, необходимой для проверки гипотез перед началом следующих этапов.
Доказательство концепции должно быть простым и достаточным для имитации работы продукции. Например, тестовый образец для зарядного стенда может быть напечатанным на 3D-принтере корпусом, подключенным к стандартному USB-кабелю для зарядки.
Ключ к успешному созданию концептуальных моделей — скорость. Разработчикам необходимо сгенерировать множество идей, прежде чем переходить к изготовлению и анализу физических моделей. На этом этапе удобство использования и качество не играют важной роли, и разработчики ориентируются на готовые детали.
Разработчики из швейцарской студии дизайна и консалтинга Panter&Tourron использовали стереолитографическую 3D-печать, чтобы за две недели перейти от концепции к презентации готового изделия.
3D-принтеры — идеальные инструменты для создания концептуальных моделей. Они позволяют очень быстро преобразовывать компьютерный файл в физический прототип, благодаря чему разработчики могут протестировать большее количество концепций за меньшее время. В отличие от большинства цеховых и производственных инструментов, настольные 3D-принтеры можно установить в офисе: для них не нужно специальное место.
Реалистичные прототипы
Реалистичные прототипы представляют конечный продукт на абстрактном уровне, но могут не иметь многих его функциональных аспектов. Их цель — дать более полное представление о том, как будет выглядеть конечный продукт, и как конечный пользователь будет с ним взаимодействовать. Эргономику, пользовательские интерфейсы и общее впечатление от использования можно проверить с помощью реалистичных прототипов. Это позволит не тратить лишнее время на разработку и проектирование для полной реализации функций продукта.
Разработка реалистичного прототипа обычно начинается с эскизов, моделей из пенопласта или глины, затем выполняется моделирование в САПР. По мере того как циклы проектирования переходят от одной итерации к другой, прототипирование перемещается между цифровыми визуализациями и физическими моделями. После проектирования промышленные дизайнеры стремятся создать реалистичные прототипы, максимально приближенные к конечному продукту, используя фактические цвета, материалы и отделку (CMF).
Реалистичные прототипы, изготовленные на SLA 3D-принтере Form 2 с различными решениями для размещения картриджей.
Рабочие прототипы
Параллельно с процессом промышленного проектирования инженерные команды работают над другим набором прототипов для тестирования, итерации и усовершенствования механических, электрических и тепловых систем, лежащих в основе продукта. Эти рабочие прототипы могут отличаться от конечного продукта, но они включают основные технологии и функции, которые необходимо разработать и протестировать.
Часто эти критически важные базовые функции разрабатываются и тестируются в отдельных подразделениях перед интеграцией в единый прототип. Такой подход изолирует переменные, упрощая распределение обязанностей и обеспечивая надежность на более детальном уровне перед тем, как соединить все элементы.
Ранние рабочие прототипы, изготовленные с помощью крупноформатного SLA 3D-принтера Form 3L.
Инженерные прототипы
При изготовлении инженерного прототипа соединяются процессы дизайна и проектирования, чтобы создать минимально жизнеспособную версию конечного коммерческого продукта, предназначенного для производства (DFM). Эти прототипы тестируются в лабораторных условиях с участием избранной группы ведущих пользователей. В результате инженеры по инструментам могут понять, каким будет производственное применение продукта, чтобы точнее спланировать последующие этапы разработки. А сами прототипы могут служить демонстрационными моделями на первых совещаниях по организации их продаж.
На этом этапе детали приобретают все большее значение. 3D-печать позволяет инженерам создавать высокоточные прототипы, которые имитируют конечное изделие. Это позволяет проверить конструкцию, подгонку деталей, функциональность и технологичность изделия, прежде чем приобретать дорогостоящее оборудование. В противном случае временные и финансовые затраты на внесение изменений могут оказаться непомерно высокими.
Производитель подводных камер Paralenz использовал 3D-печать для создания функциональных прототипов, которые выдержали испытания на глубине свыше 200 метров.
Современные материалы 3D-печати могут точно воспроизводить внешний вид, ощущения от использования и характеристики деталей, изготовленных с использованием традиционных производственных процессов, таких как, например, литье под давлением. Разнообразие материалов позволяет создавать модели с мелкими деталями и текстурами, гладкими поверхностями и поверхностями с низким коэффициентом трения, жесткими и прочными корпусами или мягкими на ощупь и прозрачными компонентами. Детали, напечатанные на 3D-принтере, можно дополнительно обрабатывать, используя шлифование, полировку, покраску или нанося электролитическое покрытие. Это позволяет воспроизвести любые визуальные особенности готового изделия, а также выполнить механическую обработку для сборки узлов из нескольких деталей или различных материалов.
Инженеры компании Wohlers, используя несколько материалов, создали идентичный рабочий прототип влагомера с жестким корпусом и сенсорными кнопками.
Инженерные прототипы требуют проведения тщательных испытаний эксплуатационной пригодности и удобства использования, чтобы понять, как будет работать деталь или конструкция при реальных нагрузках и условиях эксплуатации готового изделия. 3D-печать дает возможность использовать инновационные пластмассы для высокопроизводительных прототипов, способных противостоять термическим, химическим и механическим воздействиям.
Оценочные испытания и производство
Быстрое прототипирование позволяет инженерам создавать мелкосерийные одноразовые индивидуальные решения и подузлы для конструирования, проектирования и проведения испытаний продукции (EVT, DVT, PVT) на пригодность к массовому производству.
3D-печать облегчает проверку допусков с учетом требований фактического производственного процесса и проведение всесторонних внутренних и полевых испытаний перед переходом к массовому производству.
3D-печать оснастки также можно комбинировать с традиционными производственными процессами, такими как литье под давлением, термоформование или прессование силикона. Это позволяет повысить гибкость, адаптивность, масштабируемость и рентабельность производственных процессов. Данная технология — это эффективное решение для создания испытательных приспособлений индивидуальной конструкции, которые упрощают проверку эксплуатационной пригодности и сертификацию, позволяя собирать согласованные данные.
Разработчик медицинского оборудования Coalesce использует зажимные приспособления собственного изготовления для проведения внутренних испытаний.
При использовании технологии 3D-печати проектирование не заканчивается с началом производства. Быстрое прототипирование инструментов позволяет конструкторам и инженерам постоянно совершенствовать продукцию, а также быстро и эффективно реагировать на возникающие сложности, создавая зажимные и крепежные приспособления, которые улучшают процессы сборки и контроля качества.
Как добиться успеха с помощью быстрого прототипирования в 3D-печати
Эта электронная книга описывает реальные примеры шести компаний , внедряющих инновации и совершенствующих традиционные процессы с помощью 3D-печати.
Инструменты и методы быстрого прототипирования
Аддитивное производство
Быстрое прототипирование стало синонимом аддитивного производства и 3D-печати. Чаще всего для быстрого прототипирования используются несколько процессов 3D-печати: моделирование методом наплавления (FDM), стереолитография (SLA), селективное лазерное спекание (SLS).
Моделирование методом наплавления (FDM)
3D-печать методом FDM, также известная как производство способом наплавления нитей (FFF), — это метод 3D-печати, при котором детали модели изготавливаются путем плавления и экструзии термопластичной нити, наносимой соплом принтера слой за слоем на изготавливаемую модель.
FDM — самая популярная форма 3D-печати потребительского уровня, чему способствовало распространение любительских 3D-принтеров. Однако профессиональные принтеры FDM также востребованы дизайнерами и инженерами.
Технология FDM имеет самое низкое разрешение и точность по сравнению другими процессами 3D-печати из пластмасс, поэтому не подходит для печати сложных конструкций или моделей со сложными элементами. Повысить качество поверхности моделей, напечатанных по этой технологии, можно с помощью химических и механических процессов полировки. В некоторых профессиональных 3D-принтерах FDM используются растворимые поддерживающие структуры для смягчения последствий указанных проблем.
FDM работает с рядом стандартных термопластиков, такими как АБС- и ПЛА-пластик и их различные смеси. А более совершенные принтеры FDM используют и более широкий спектр инженерных термопластиков или даже композитов. В сфере быстрого прототипирования принтеры FDM особенно полезны при производстве простых деталей, которые подвергаются механической обработке.
Стереолитография (SLA)
В 3D-принтерах SLA используется процесс фотополимеризации, то есть превращения жидких полимеров в затвердевший пластик с помощью лазера. SLA — один из самых популярных процессов среди профессионалов благодаря высокому разрешению, точности и универсальности материалов.
Быстрый прототип часов, напечатанный на SLA 3D-принтере Form 3, рядом с конечным продуктом.
Модели, напечатанные на принтерах SLA, имеют самое высокое разрешение и точность, самую четкую детализацию и самую гладкую поверхность по сравнению с другими технологиями 3D-печати из пластмасс. Это делает стереолитографию отличным вариантом для создания высокоточных реалистичных прототипов и функциональных рабочих прототипов с жестким уровнем допуска.
Однако главное преимущество этого метода — универсальный каталог полимеров. Производители материалов разработали инновационные формулы для полимеров SLA с широким спектром оптических, механических и термических свойств, которые соответствуют свойствам стандартного, инженерного и промышленного термопластика.
Благодаря полимеру Draft Resin 3D-печать SLA — один из самых быстрых инструментов для прототипирования: скорость печати до 10 раз быстрее, чем 3D-печать FDM.
Запросите бесплатный образец
Оцените качество печати Formlabs лично. Мы отправим бесплатный образец печати прямо в ваш офис.
Селективное лазерное спекание (SLS)
Селективное лазерное спекание — это наиболее распространенная технология аддитивного производства, которой доверяют инженеры и производители разных отраслей, ведь она позволяет создавать прочные и функциональные модели.
В 3D-принтерах с селективным лазерным спеканием (SLS) используется высокомощный лазер для спекания мелких частиц порошка полимера. Нераспыленный порошок поддерживает модель во время печати и устраняет необходимость в специальных поддерживающих структурах. Благодаря этому технология SLS идеально подходит для изготовления деталей со сложной геометрией, в том числе с внутренними элементами, канавками, тонкими стенками и отрицательным уклоном. Модели, изготовленные с использованием SLS-печати, имеют превосходные механические характеристики: их прочность можно сравнить с прочностью деталей, отлитых под давлением.
С помощью 3D-печати SLS можно создавать прочные, функциональные рабочие образцы и инженерные прототипы для тщательного функционального тестирования продукции.
При быстром прототипировании 3D-печать SLS в основном используется для изготовления рабочих образцов и инженерных прототипов, позволяющих выполнять тщательное функциональное тестирование продукции (например, воздуховодов, кронштейнов), и получения обратной связи от пользователей.
Запросите бесплатный образец
Оцените качество печати Formlabs по технологии SLS лично. Мы отправим бесплатный образец печати прямо в ваш офис.
Инструменты с ЧПУ
В отличие от FDM, SLA или SLS инструменты с числовым программным управлением (ЧПУ) предлагают субтрактивные производственные процессы. Они начинаются с создания цельных блоков, балок, штанг из пластика, металла или других материалов, которые формируются посредством удаления материала путем резки, растачивания, сверления и шлифования.
Инструменты с ЧПУ обеспечивают обработку на станке с ЧПУ, при которой материал удаляется либо давильным инструментом и фиксированной деталью (фрезерный станок), либо давильной деталью и фиксированным инструментом (токарный станок). Станки лазерной резки используют лазер для высокоточной гравировки или резки широкого спектра материалов. Станки гидроабразивной резки используют смешанную с абразивом воду и высокое давление для резки практически любого материала. Фрезерные и токарные станки с ЧПУ могут иметь несколько осей, что позволяет им управлять более сложными конструкциями. Станки лазерной и гидроабразивной резки больше подходят для создания плоских деталей.
Инструменты с ЧПУ могут формировать детали из пластика, мягких металлов, твердых металлов (промышленные машины), дерева, акрила, камня, стекла, композитов. По сравнению с инструментами аддитивного производства, инструменты с ЧПУ более сложны в настройке и эксплуатации, так как для некоторых материалов и конструкций могут потребоваться особая оснастка, обращение, корректировка положения и обработка. Все это делает производство единоразовых моделей более затратным.
С точки зрения быстрого прототипирования они позволяют создавать идеальные простые конструкции, конструктивные детали, металлические компоненты и другие детали, которые невозможно или нерентабельно производить с помощью аддитивных инструментов.
Сравнение инструментов быстрого прототипирования
| Моделирование методом наплавления (FDM) | Стереолитография (SLA) | Селективное лазерное спекание (SLS) | Инструменты с ЧПУ | |
|---|---|---|---|---|
| Разрешение | ★★☆☆☆ | ★★★★★ | ★★★★☆ | ★★★★★ |
| Точность | ★★★★☆ | ★★★★★ | ★★★★★ | ★★★★★ |
| Качество поверхности | ★★☆☆☆ | ★★★★★ | ★★★★☆ | ★★★★★ |
| Простота использования | ★★★★★ | ★★★★★ | ★★★★☆ | ★★★☆☆ |
| Сложные конструкции | ★★★☆☆ | ★★★★☆ | ★★★★★ | ★★★☆☆ |
| Объем печати | До ~300 x 300 x 600 мм (настольные 3D-принтеры и 3D-принтеры для мастерских) | До ~300 x 335 x 200 мм (настольные 3D-принтеры и 3D-принтеры для мастерских) | До 165 x 165 x 300 мм (3D-принтеры для мастерских) | В зависимости от инструмента |
| Материалы | Стандартные виды термопластика, такие как АБС-пластик, ПЛА и их различные смеси. | Различные полимеры (термореактивные пластмассы). Стандартные, инженерные (похожие на АБС и ПП, похожие на силикон, гибкие, термостойкие, жесткие), литьевые, стоматологические и медицинские (биосовместимые). | Инженерные виды термопластика — обычно нейлон и его композиты (нейлон 12 биосовместим + совместим со стерилизацией). | Пластик, мягкие металлы, твердые металлы (промышленные машины), дерево, акрил, камень, стекло, композиты. |
| Способы применения | Базовые экспериментальные модели, низкозатратное быстрое прототипирование простых деталей. | Быстрые прототипы, высокоточные реалистичные прототипы и функциональные рабочие прототипы, предполагающие жесткий допуск и гладкие поверхности. | Сложная геометрия, функциональные рабочие образцы и инженерные прототипы. | Простые конструкции, конструктивные элементы, металлические компоненты. |
| Ценовой диапазон | Цены на бюджетные принтеры и наборы для 3D-принтеров начинаются с нескольких сотен долларов. Предлагающие более высокое качество настольные принтеры среднего класса стоят от 2000 долл. США, а промышленные системы — от 15 000 долл. США. | Настольные принтеры профессионального уровня стоят от 3500 долл. США, широкоформатные принтеры для мастерских — от 11 000 долл. США, промышленные системы для крупномасштабного производства — от 80 000 долл. США. | Промышленные принтеры для мастерских стоят от 18 500 долл. США, а традиционные промышленные принтеры — от 100 000 долл. США. | Стоимость небольших станков с ЧПУ начинается с 2000 долл. США, но профессиональные инструменты стоят гораздо дороже. Стоимость гравировальных инструментов начального уровня — менее 500 долл. США, в то время как станки лазерной резки среднего класса стоят от 3500 долл. США. Стоимость станков гидроабразивной резки начинается примерно с 20 000 долл. США. |
Начните с быстрого прототипирования
Технология быстрого прототипирования применяется в различных отраслях крупнейшими промышленными компаниями и малым бизнесом для ускорения процесса разработки изделий, сокращения расходов, улучшения информационного взаимодействия и, в конечном счете, для создания более совершенной продукции.
Изначально 3D-печать была сложным и дорогостоящим процессом, но настольные и напольные 3D-принтеры сделали эту технологию доступной для любого бизнеса.
Узнайте больше о 3D-принтерах и о том, как благодаря 3D-печати ведущие производители экономят средства и сокращают время выполнения заказа на всех этапах: от проектирования до производства.
