Чтобы найти оптимальный метод прототипирования, начните с правильных вопросов

Критическим этапом во время проектирования и разработки продукта является проверка вашего дизайна. Проверка дизайна может быть достигнута путем моделирования или прототипирования. Прототипирование обычно является предпочтительным методом проверки конструкции небольших пластиковых деталей из-за его экономической эффективности, точности и удобства.

Не так давно конструкторам и инженерам было доступно только два варианта создания прототипов - прототипы, изготовленные вручную / изготовленные вручную, или прототипы деталей, отлитых под давлением. Сегодня доступно гораздо больше возможностей, самая популярная из которых - быстрое 3D-прототипирование. Однако у каждого метода прототипирования есть свои преимущества, а также ограничения. В этой статье будут рассмотрены различные варианты изготовления прототипов из пластика с учетом их преимуществ и недостатков, чтобы помочь вам решить, какой метод лучше всего подходит для ваших нужд.

Ниже приведен список доступных в настоящее время методов изготовления пластиковых прототипов:

• Быстрое прототипирование - создание 3D-деталей непосредственно из файлов САПР. В тройку лидеров входят FDM (моделирование методом наплавления), SLA (стереолитография) и SLS (селективное лазерное спекание).
• Сделано вручную / изготовлено
• Обработка с ЧПУ
• Литье - полиуретан, эпоксидная смола или силикон.
• Литье под давлением - временная оснастка
• Вакуумное формование
• Композиты

Выбирать лучший вариант нужно исходя из ваших требований. Предлагаемый список важных соображений включает :

• Назначение прототипа
• Эстетические требования
• Время выполнения - время выполнения работ
• Процесс производства пластика
• Допуски
• Уровень детализации
• Свойства материала
• Необходимое количество прототипов
• Размер деталей
• Стоимость
• Степень четкости / цвета
• Параметры для тестирования или проверки

Давным-давно . . .

Еще совсем недавно было очень мало вариантов создания пластиковых прототипов. Примерно 25 лет назад все пластмассовые прототипы были обработаны, изготовлены вручную, отлиты или, в очень ограниченной степени, отлиты под давлением с использованием временных инструментов. Других вариантов не было.

Изготовление пластмассового прототипа было чрезвычайно дорогостоящим, трудоемким и неточным. Лишь очень ограниченная группа магазинов предлагала прототипы для литья под давлением, что было очень дорого в сочетании с длительным сроком выполнения заказа. Этот вариант использовался редко. Поэтому большинство пластиковых прототипов изготавливались вручную или, в некоторых случаях, на станках с ЧПУ.

Мы также должны помнить, что проекты детализировались преимущественно в традиционном 2D, поскольку 3D CAD все еще находился в зачаточном состоянии. В то время 3D CAD представлял собой каркасное или очень примитивное твердотельное моделирование. Инженерные «производственные» прототипы были изготовлены вручную на основе ручной интерпретации 2D-чертежей. Это часто приводило к значительным отклонениям от отпечатков из-за интерпретации или ошибок изготовителя модели, а также из-за ограничений инструментов. Дизайнеры терпеливо ждали прототипа неделями, а иногда и месяцами, что всегда было узким местом в процессе проектирования. Это был потрясающий опыт, потому что никто не знал, каким будет дизайн. Кроме того, всегда сомневался в точности модели, никогда не зная, что производитель модели подделал дизайн, который замаскировал бы ошибки до тех пор, пока детали не будут отлиты.

Перенесемся в 2021 год

Сегодня 3D-моделирование в САПР, компьютерное моделирование и многие варианты прототипирования экспоненциально ускорили процесс проектирования. Проекты, на разработку которых раньше требовался год, теперь могут быть выполнены за месяц или два, а иногда и за недели! 3D-модели CAD теперь могут быть точно воспроизведены со всеми мельчайшими деталями, включая уклоны, радиусы, тисненые логотипы и десятки других важных функций, без какой-либо интерпретации или ошибок человеком. Конечно, это изменение парадигмы является результатом использования 3D CAD, 3D печати и обработки с ЧПУ. Однако, если какой-либо из этих вариантов прототипирования применяется неправильно, результаты могут привести к ошибочным выводам. Дизайнеры должны выбрать метод прототипирования, наиболее соответствующий их требованиям. Я рассмотрю эти варианты прототипирования на основе 12 ранее изложенных соображений.

Назначение прототипа

Прежде чем выбрать метод создания прототипа, вы должны сначала спросить себя: какова цель прототипа? Прототипы используются по разным причинам. Например, вам может потребоваться реалистично выглядящая нефункциональная модель для представления отделу маркетинга или продаж. Эта модель должна иметь правильную отделку поверхности, цвета, графику и материалы, чтобы точно отображать окончательный производственный дизайн, чтобы зрители могли оценить внешний вид. В других ситуациях ваш прототип будет подвергнут жестким химическим испытаниям или испытаниям на удар. Вам может понадобиться прототип, чтобы оценить человеческий фактор, например силу, с которой открывается пластиковая крышка или крышка от бутылки. При желании можно оценить простоту сборки и удобство обслуживания. Наконец, вы можете просто быстро оценить концепцию с минимальными затратами. Все эти ситуации приведут вас к другому варианту прототипирования.

Модель внешнего вида не обязательно требует внутренних элементов или отдельных частей. Если деталь небольшая - менее 10 дюймов. куб - может идеально подойти для печати FDM в АБС. Однако, если деталь большая, как холодильник, она может идеально подходить для ручного изготовления с использованием формы REN или дерева. Если продукт размером с холодильник имеет распашные двери и готовую внутреннюю часть, он может лучше всего подходить для комбинации методов, включая FDM, вакуумное формование и дерево. Для вас, как дизайнера, важно понимать, как будет изготавливаться прототип, поскольку вам может потребоваться предоставить изготовителю модели файлы САПР для каждой части общей модели. Эти детали будут сильно отличаться от реальных производственных деталей.

Эстетические требования

Модели следует отличать от прототипов на основе их единственной цели - передать внешний вид и эстетику концепции дизайна по сравнению с функцией продукта. Хотя в моделях могут отсутствовать внутренние детали, сложность и навыки, необходимые для создания высококачественной эстетической модели, являются довольно сложными. Уровень планирования и навыков как дизайнера, так и производителя моделей одинаково высок. Дизайнеры должны разрабатывать детали специально для нефункциональной модели, а не для набора серийных деталей. Например, нефункциональная модель продукта, подобная показанной ниже, потребует следующих частей:

• Одиночная полая мелкозернистая деталь из FDM или SLA для основного корпуса
• Акриловое окно с красной и зеленой тонировкой
• Передняя панель с отверстиями
• Внутреннее кольцо передней панели
• Раздельное синее декоративное овальное кольцо
• Синяя эластомерная окантовка вокруг дисплея
• Прозрачная акриловая вставка, окрашенная в черный цвет для дисплея
• Отдельная синяя кнопка

Майкл Палоян

Детали, напечатанные на 3D-принтере, лучше всего подходят для точной сборки FDM или SLA. Эластомерная отделка может быть напечатана в эластомере с использованием технологии SLA, поскольку FDM приведет к слишком шероховатой поверхности. И наоборот, медицинское устройство, показанное ниже, может быть изготовлено с использованием комбинации REN-формы, обработанной на станке с ЧПУ, FDM и листа ручной работы.

Майкл Палоян

Время выполнения - время оборота

Время выполнения заказа и время оборачиваемости для изготовления одного или нескольких прототипов часто являются решающим фактором в процессе разработки. Иногда самый быстрый способ создания прототипа - просто взять инструмент и вырезать из пластика форму, которая представляет деталь, и протестировать ее. Хотя это не самый точный метод создания прототипа, он самый дешевый, быстрый и удобный. Средние и большие детали часто намного быстрее изготавливать, чем печатать, особенно если они спроектированы как большие плоские поверхности. Второй самый быстрый метод - это собственная 3D-печать FDM или обработка с ЧПУ, в зависимости от вашего оборудования. Сегодня большинство компаний и дизайнерских фирм имеют собственные 3D-принтеры, которые могут печатать детали среднего и высокого качества по запросу.

Обработать	Время оборота
Быстрое прототипирование	от двух дней до одной недели
Ручная работа / Изготовлено	от одной до трех недель
Обработка с ЧПУ	от одной до двух недель
В ролях	от двух недель до одного месяца
Литье под давлением	от одной недели до одного месяца
Вакуумное формование	от одной до трех недель
Композиты	от одной до трех недель

Следует отметить, что время оборота, указанное в таблице, является реалистичным общим временным диапазоном. Некоторые поставщики могут реагировать намного быстрее или медленнее в зависимости от рабочей нагрузки, сложности проекта и количества частей.

Процесс производства пластика

Хотя литье под давлением является самым популярным процессом формования пластмасс, существует множество других способов производства пластмассовых изделий. Большинство быстрых 3D-прототипов оптимизировано для литых под давлением деталей, поскольку вложения в инструменты и сложность деталей являются самыми экстремальными для этого процесса. Другие процессы, такие как выдувное формование, вакуумное формование, ротационное формование и экструзия, также предназначены для обработки пластмассовых деталей. Каждый процесс имеет свой собственный набор уникальных критериев проектирования, выбора материалов и типа геометрии детали.

Например, выдувные бутылки обычно производятся из полиэтилена (PE), полиэтилентерефталата (PET) или полипропилена (PP). Создание прототипа выдувной бутылки из полиэтилена со стенкой толщиной 1 мм с использованием любого из методов быстрого прототипирования в настоящее время недоступно. Тем не менее, выдувная полиэтиленовая бутылка может быть прототипирована путем создания выдувной формы из SLS или FDM и формования нескольких образцов. Есть несколько поставщиков, предлагающих этот тип услуг. То же самое верно и для других процессов формования пластмасс, когда пресс-форма либо напечатана на 3D-принтере, либо обработана на станке с ЧПУ, а небольшое количество деталей отливается в фактический материал. Создание прототипов пластиковых деталей на основе фактического материала и процесса формования дает вам наиболее точное представление о готовой производственной детали. Детали прототипа, изготовленные методом литья под давлением из реального материала, будут почти идентичны производственным деталям. Их можно тестировать и оценивать на основе характеристик указанной смолы, напряжений при формовании, а также допусков деталей. Крупные формованные детали из структурного пенопласта лучше всего подходят для производства с ЧПУ или FDM с плотностью от 70% до 80%. Поскольку формованные детали из структурного пенопласта обычно имеют большие размеры, вам может потребоваться разделить их на более мелкие части, которые печатаются и собираются в одну большую часть.

Допуски

Часто требуется, чтобы пластиковые детали соответствовали очень жестким допускам. Допуски особенно важны для таких функций, как посадка с защелкой, прессовая посадка, скользящие детали или оптические сборки. Контроль допусков и обработки поверхности в прототипах во многом зависит от материала, оборудования, процесса прототипирования, размера детали и скорости сборки. FDM обычно производит детали с допусками в диапазоне от +/- 0,008 до +/- 0,02 дюйма. Допуски SLA намного жестче, чем у деталей FDM, что дает детали с допусками в диапазоне от +/- 0,004 до +/- 0,007 дюйма. как и SLA. Детали с ЧПУ можно обрабатывать с точностью до +/- 0,0005 дюйма для расширенных отверстий и +/- 0,002 дюйма без суммирования. Это наиболее точный вариант прототипирования.

Допуски для литого полиуретана или эпоксидной смолы очень неточны из-за множества переменных, связанных с процессом. Наборы допусков накапливаются, начиная с шаблона, силиконовой формы, усадки смолы и, наконец, вторичных операций обработки. Допуски для литых полиуретанов могут варьироваться от +/- 0,01 до +/- 0,06 дюйма в зависимости от всех ранее упомянутых переменных.

Уровень детализации

Одна из основных проблем любого метода прототипирования - точное воспроизведение мелких деталей дизайна. Сохранение характеристик детали во многом зависит от тех же параметров, упомянутых ранее, которые перечислены ниже:

• Метод прототипирования
• Материал
• Оборудование
• Особенности детали
• 3D-печать - соотношение между отложением материала и характеристикой

Ниже приводится краткий обзор разрешения и точного воспроизведения конструктивных особенностей каждого из вариантов прототипирования.

Быстрое прототипирование - создание 3D-деталей непосредственно из файлов САПР (три ведущие технологии)

• Моделирование наплавленного осаждения (FDM). Хотя некоторые машины FDM утверждают, что достигают деталей размером до 10-20 микрон, для большинства машин FDM печать на этом уровне непрактична. Экструдер не может равномерно дозировать материал при таком очень мелком уровне отложений. Поэтому большинство аппаратов FDM идеально подходят для разрешений не более 100 микрон. Типичный диаметр гранул экструдера составляет 200 микрон или 0,2 мм, что ограничивает детализацию этим разрешением.
• Стереолитография (SLA). Поскольку процесс SLA основан на затвердевании жидкой эпоксидной среды, разрешение намного меньше. Детали SLA, как минимум, в 4 раза тоньше, чем детали FDM. Высота слоя SLA обычно составляет 25 микрон или лучше. Этот процесс предпочтителен для изготовления деталей с очень мелкими деталями.
• Селективное лазерное спекание (SLS). Разрешение деталей находится где-то между FDM и SLA. Типичное разрешение слоя составляет 75 микрон.

Сделано вручную / изготовлено

Передача деталей прототипов ручной работы, очевидно, зависит от мастера. Высококвалифицированный мастер может превзойти разрешение большинства машин для быстрого прототипирования; однако большинство прототипов, сделанных вручную, грубоваты и очень просты. Причины, очевидно, основаны на эффективности, стоимости и уровне квалификации. Таким образом, этот вариант находится в конце списка для точного воспроизведения конструктивных особенностей.

Майкл Палоян

Пример прототипа ручной работы.

Обработка с ЧПУ

Обработка с ЧПУ находится в нижней части списка для воспроизведения мелких деталей конструкции литой детали. Это рейтинг объясняется двумя основными причинами. Во-первых, большинство деталей отлитой под давлением детали невозможно изготовить из цельного пластика. Станки с ЧПУ ограничены диаметром фрезы и глубиной вылета. Например, пару ребер глубиной два дюйма, расположенных на расстоянии 0,09 дюйма друг от друга, было бы невозможно обработать из единого пластикового блока, потому что нет фрез диаметром 0,09 дюйма, которые были бы достаточно длинными. Таким образом, прототипы ЧПУ разделяются на множество более мелких частей и склеиваются вместе, чтобы сформировать намеченную конечную деталь, или детали для литья под давлением должны быть переработаны для процесса обработки с ЧПУ.

Майкл Палоян

Прототипы, обработанные на станке с ЧПУ.

Литье - полиуретан, эпоксидная смола или силикон.

Литой полиуретан часто называют рентабельным средством воспроизведения от пяти до 100 деталей. Воспроизведение деталей детали такое же хорошее, как и оригинальный узор, использованный для создания формы из силиконовой резины. Следует обратить внимание на тот факт, что качество литых полиуретановых деталей во многом зависит от поставщика, персонала и применяемых ими процедур контроля качества. Воспроизведение мелких деталей во многом зависит от техники литья, качества формы и всех второстепенных операций, присущих этому процессу. Хотя литые детали могут воспроизводить такие мелкие детали, как отпечаток пальца, высокая трудоемкость, присущая этому процессу, обычно приводит к очень нестабильному качеству.

Литье под давлением - временная оснастка

Инструменты для временных форм для литья под давлением предоставят вам прототипы, которые практически идентичны готовым деталям. Следует отметить, что воспроизведение деталей конструкции зависит от качества оснастки и условий обработки. Этот вариант также является самым дорогим и длительным по времени выполнения работ.

Вакуумное формование и композиты

Детали, полученные вакуумным формованием, и композитные детали заметно отличаются от деталей, полученных литьем под давлением, в зависимости от процесса, геометрии детали, инструментов и материалов. Прототипы для любого из этих двух процессов, как правило, представляют собой большие детали - более 2 x 2 футов - которые в основном представляют собой поверхность с крепежными элементами, прикрепленными к задней стороне после формования. Детали, отформованные в этих процессах, обычно не имеют мелких деталей.

Вторая часть этой серии из двух статей будет посвящена оставшимся соображениям, перечисленным ниже:

• Свойства материала
• Необходимое количество прототипов
• Размер деталей
• Стоимость
• Степень четкости / цвета
• Параметры для тестирования или проверки

 

Об авторе

Майкл Палоян - президент компании  Integrated Design Systems Inc.  (IDS), расположенной в Ойстер-Бэй, штат Нью-Йорк. Он получил степень бакалавра в области проектирования пластмасс в Университете Массачусетса Лоуэлл и степень магистра промышленного дизайна в Школе дизайна Род-Айленда. Палоян обладает глубокими знаниями в области проектирования деталей для различных процессов и материалов, включая пластмассы, металлы и композиты. Палоян имеет более 40 патентов и в прошлом возглавлял SPE RMD и PD3. Он часто выступает на конференциях SPE, SPI, ARM, MD&M и IDSA. Он также написал сотни статей, связанных с дизайном, для многих изданий. С ним можно связаться по электронной почте paloian@idsys.com .