Szybkie prototypowanie nie ogranicza się już do tworzenia modeli wizualnych. W przypadku inżynierów produktu, producentów OEM i zespołów zaopatrzeniowych prototyp może wytrzymać obciążenia mechaniczne, temperatury robocze, cykle montażowe, ekspozycję chemiczną lub kontrolę wymiarową, zanim projekt zostanie dopuszczony do oprzyrządowania.
To sprawia, że wybór między metalem a tworzywem sztucznym – oraz między obróbką CNC, produkcją przyrostową, odlewaniem próżniowym, produkcją blachy i szybkim formowaniem wtryskowym – jest decyzją inżynierską, a nie tylko kwestią tego, który proces jest najszybszy.
W IMTEC Mould rozwój prototypów można również uznać za część szerszej ścieżki rozwoju produktu, która łączy ocenę projektu, możliwości produkcyjne, oprzyrządowanie, formowanie wtryskowe, obtrysk i inżynierię produkcji.
Szybkie prototypowanie metali i tworzyw sztucznych: wybór procesu i kompromisy
Pierwszą decyzją niekoniecznie jest „druk CNC lub 3D”. Zależy to od tego, czy prototyp musi odwzorowywać zachowanie mechaniczne końcowego komponentu.
Prototypy metalowe są generalnie preferowane podczas testowania wytrzymałości konstrukcyjnej, gwintów, powierzchni nośnych, rozpraszania ciepła, przewodności elektrycznej lub wydajności w wysokich temperaturach. Części z aluminium, stali nierdzewnej, tytanu i mosiądzu można obrabiać CNC bezpośrednio z zapasów klasy inżynieryjnej. Złożone komponenty metalowe można również wytwarzać w procesach wytwarzania dodatków metalicznych, takich jak DMLS lub SLM.
Prototypy z tworzyw sztucznych zapewniają większą elastyczność podczas oceny geometrii obudowy, zacisków, obudów, kanałów płynowych, izolacji, ergonomii lub zachowania wyprasek. FDM, SLA i SLS mogą wytwarzać części bez użycia narzędzi, podczas gdy obróbka CNC umożliwia tworzenie bardzo dokładnych prototypów bezpośrednio z konstrukcyjnych tworzyw sztucznych.
W przypadku modeli wyglądowych lub małych partii elementów poliuretanopodobnych odlewanie próżniowe może być bardziej ekonomiczne. Kiedy projekt jest stabilny i do rzeczywistej żywicy produkcyjnej potrzebne są dziesiątki lub setki części, szybkie oprzyrządowanie i formowanie wtryskowe stają się bardziej reprezentatywne dla produkcji końcowej.
| Wymaganie | Zalecane procesy | Typowy powód |
|---|---|---|
| Wysoka dokładność wymiarowa | Obróbka CNC | Stabilny materiał i kontrolowany proces cięcia |
| Złożona geometria wewnętrzna | SLA, SLS, DMLS/SLM | Produkcja przyrostowa zmniejsza ograniczenia dostępu do narzędzi |
| Wysokie obciążenie konstrukcyjne | Metalowe CNC, DMLS/SLM | Właściwości metaliczne podobne do produkcyjnych |
| Ocena wyglądu | SLA, CNC, odlewanie próżniowe | Dobre opcje powierzchni kosmetycznych |
| Obudowy/wsporniki z blachy | Gięcie laserowe | Reprezentuje ostateczną produkcję blachy |
| 1–20 części koncepcyjnych | Druk 3D lub CNC | Niewielkie lub żadne inwestycje w narzędzia |
| 20–100 podobnych części z tworzywa sztucznego | Odlewanie próżniowe lub szybkie oprzyrządowanie | Lepsza powtarzalność i ekonomika jednostkowa |
| Walidacja produkcji żywicy | Szybkie formowanie wtryskowe | Testuje zachowanie formy przed masową produkcją |
Właściwy wybór zależy od tego, co prototyp ma udowodnić. Model wydrukowany z tworzywa sztucznego może zweryfikować przestrzeń opakowania, ale niekoniecznie zastąpi obrobioną maszynowo część aluminiową do testów obciążeniowych. Podobnie kosztowny metalowy prototyp może być niepotrzebny, gdy celem jest po prostu sprawdzenie luzu montażowego.
Przewodnik po wyborze materiałów dla funkcjonalnych prototypów z metalu i tworzyw sztucznych
Wybór materiału powinien zaczynać się od wymagań operacyjnych, a nie od preferowanego procesu produkcyjnego.
Aluminium 6061 jest szeroko stosowany w prototypach CNC, ponieważ łączy w sobie obrabialność, umiarkowaną wytrzymałość, odporność na korozję i stosunkowo niską wagę. Aluminium 7075 zapewnia wyższą wytrzymałość i jest przydatny, gdy ważniejsze są parametry konstrukcyjne, chociaż wymagania dotyczące obróbki i wykańczania mogą wzrosnąć.
Stal nierdzewna 304 jest częstym wyborem w przypadku odpornych na korozję elementów mechanicznych, natomiast Stal nierdzewna 316 jest często wybierany, gdy wymagana jest większa odporność na środowiska agresywne lub zawierające chlorki. Tytan oferuje atrakcyjny stosunek wytrzymałości do masy i odporność na korozję, ale wiąże się ze znacznie wyższymi kosztami materiałów i obróbki. Mosiądz pozostaje przydatny do elementów elektrycznych, złączek, wkładek i części wymagających dobrej obrabialności.
Po stronie plastiku ABS nadaje się do wielu obudów i prototypów ogólnego przeznaczenia. Poliwęglan (komputer) zapewnia wyższą udarność i odporność na temperaturę. Nylon jest przydatny w przypadku elementów funkcjonalnych wymagających wytrzymałości i odporności na zużycie POM/acetal zapewnia niskie tarcie, stabilność wymiarową i dobrą obrabialność kół zębatych, tulei i mechanizmów precyzyjnych.
Dla wymagających środowisk, Zerknij zapewnia doskonałe właściwości termiczne i chemiczne, ale przy znacznie wyższych kosztach surowców i obróbki.
| Materiał | Kluczowa charakterystyka | Typowe zastosowania prototypów |
|---|---|---|
| 6061 Aluminium | Lekki, nadający się do obróbki mechanicznej, odporny na korozję | Obudowy, wsporniki, części mechaniczne |
| 7075 Aluminium | Wyższa wytrzymałość | Prototypy konstrukcyjne i nośne |
| Stal nierdzewna 304/316 | Wytrzymałość i odporność na korozję | Komponenty medyczne, przemysłowe, do transportu płynów |
| Tytan | Wysoki stosunek wytrzymałości do masy | Komponenty lotnicze, medyczne i wydajnościowe |
| Mosiądz | Skrawalność i przewodność | Złącza, kształtki, wkładki |
| ABS | Uniwersalne i ekonomiczne | Obudowy i modele wyglądu |
| PC | Odporność na uderzenia i ciepło | Obudowy ochronne i części funkcjonalne |
| Nylon | Wytrzymałość i odporność na zużycie | Przekładnie, zaciski, elementy mechaniczne |
| POM | Niskie tarcie i stabilność wymiarowa | Tuleje, koła zębate, części precyzyjne |
| Zerknij | Wysoka temperatura i wydajność chemiczna | Zaawansowane zastosowania przemysłowe i medyczne |
Przed zamówieniem materiału należy również określić wymagania prawne. Na przykład wymagania FDA zależą od zamierzonego zastosowania i rodzaju produktu, a nie tylko od nazwy materiału. Zastosowania do kontaktu z żywnością wymagają uwzględnienia substancji przeznaczonych do kontaktu z żywnością, natomiast zastosowania w urządzeniach medycznych mogą wymagać szerszej oceny bezpieczeństwa materiałów i biokompatybilności. Podobnie klasyfikacje UL 94 dotyczą zbadanych właściwości palnych tworzyw sztucznych i nie należy ich traktować jako uniwersalnej certyfikacji każdego gotowego prototypu.
Dlatego też w przypadku projektów objętych regulacjami kupujący powinni określić dokładny gatunek materiału, dokumentację dostawcy, wymagane raporty z testów i zamierzone zastosowanie, a nie żądać wyłącznie „tworzywa FDA” lub „tworzywa UL”.
Tolerancje, wykończenia powierzchni i opcje obróbki końcowej
Wymagania dotyczące tolerancji mogą szybko określić zarówno wybór procesu, jak i koszt prototypu.
W przypadku dobrze zaprojektowanych komponentów obrabianych CNC ogólna tolerancja wynosi ok ±0,005 cala (±0,127 mm) jest powszechnie osiągalne, podczas gdy wybrane wymiary krytyczne mogą czasami być ściślej kontrolowane w zależności od geometrii, materiału, rozmiaru elementu i wymagań inspekcji.
Produkcja przyrostowa generalnie wymaga szerszych uprawnień. SLA może zapewnić dobrą jakość detali i estetyczną, ale na wyniki wymiarowe wpływa zachowanie żywicy, orientacja, rozmieszczenie podpór, utwardzanie i geometria części. FDM zwykle wymaga jeszcze większej tolerancji na osadzanie się warstw i odkształcenia termiczne. SLS pozwala uniknąć wielu ograniczeń konstrukcji nośnej, ale tworzy inną teksturę powierzchni.
Części z poliuretanu odlewane próżniowo wymagają również uwzględnienia dokładności modelu głównego, zachowania formy silikonowej, skurczu materiału i utwardzania.
Dlatego przed zatwierdzeniem ostatecznych tolerancji należy rozważyć wykończenie powierzchni.
W przypadku prototypów metalowych typowe opcje obejmują:
- Śrutowanie w celu uzyskania jednolitej, matowej powierzchni
- Szczotkowanie w celu uzyskania kierunkowych wykończeń kosmetycznych
- Anodowanie elementów aluminiowych
- Galwanizacja ze względu na wymagania dotyczące wyglądu lub funkcji powierzchni
- Malowanie proszkowe lub malowanie
- Polerowanie mechaniczne
- Pasywacja do odpowiednich zastosowań w stali nierdzewnej
Części z tworzyw sztucznych można szlifować, malować, polerować, farbować, teksturować lub wygładzać parą, jeśli pozwala na to materiał i proces.
Wykończenie może zmienić wymiary. Anodowanie, platerowanie, powlekanie, polerowanie i agresywne szlifowanie mogą mieć wpływ na pasowania wokół otworów, powierzchnie uszczelniające, umiejscowienie łożysk i elementy współpracujące. Dlatego na rysunku należy zidentyfikować krytyczne powierzchnie, aby można je było zamaskować, obrobić po wykończeniu lub skompensować wymiarowo.
Nie zawsze najniższą cenę prototypu można osiągnąć poprzez całkowite usunięcie wykończenia. Celowo wybrane wykończenie może ujawnić wady wizualne, pomóc w demonstracjach klientów, odtworzyć tarcie montażowe lub zapewnić bardziej realistyczną ocenę części produkcyjnej.
Projektowanie pod kątem wykonalności i hybrydowych zespołów metalowo-plastikowych
Szybki prototyp staje się znacznie bardziej przydatny, gdy jest projektowany z myślą o kolejnym procesie produkcyjnym.
W przypadku części obrabianych CNC projektanci powinni unikać niepotrzebnie głębokich kieszeni, wyjątkowo cienkich ścianek, niedostępnych narożników wewnętrznych i nadmiernych wymagań dotyczących tolerancji. Narożniki wewnętrzne zazwyczaj wymagają promieni, ponieważ obrotowe narzędzia tnące nie są w stanie utworzyć idealnie ostrych narożników wewnętrznych.
W przypadku drukowania 3D przed rozpoczęciem produkcji należy ocenić orientację, konstrukcje wsporcze, grubość ścianki, geometrię otworu, uwięziony proszek lub żywicę oraz dostęp po obróbce.
Projekty formowane wtryskowo wymagają innego zestawu rozważań. Jednolita grubość ścianki, odpowiednie kąty pochylenia, kontrolowane żebra i występy, realistyczne podcięcia, odpowiednie promienie, położenie przewężki, skurcz i strategia wyrzucania mogą mieć wpływ na to, czy udany prototyp może później stać się ekonomicznym elementem formowanym.
Części blaszane wymagają odpowiednich promieni zgięcia, odległości od otworu do krawędzi, prześwitów zgięcia, dostępu do narzędzi i realistycznego przydziału tolerancji.
Produkty hybrydowe wprowadzają dodatkowe pytania, ponieważ elementy metalowe i plastikowe zachowują się inaczej podczas montażu i cykli termicznych.
Typowe metody łączenia metalu z tworzywem sztucznym obejmują wkładki gwintowane, formowanie wkładkowe, formowanie natryskowe, okucia wciskane, nitonakrętki, śruby, wkręty i kleje strukturalne. Wybór powinien uwzględniać obciążenie użytkowe, możliwość naprawy, wymagania elektryczne, różnice temperatur, rozszerzalność materiału i oczekiwane cykle montażowe.
Krytyczne interfejsy można zdefiniować za pomocą GD&T zgodnie z praktykami rysunkowymi ASME Y14.5. ASME opisuje Y14.5 jako znormalizowany język do przekazywania wymiarów, tolerancji i wymagań geometrycznych na rysunkach technicznych.
Praktyczna ścieżka walidacji to:
Przegląd CAD → Przegląd DFM → prototyp → kontrola wymiarowa → test montażu → test funkcjonalny → rewizja projektu → prototyp z przeznaczeniem do produkcji → wydanie oprzyrządowania.
W przypadku kluczowych projektów do procesu można włączyć certyfikaty materiałowe, raporty z inspekcji pierwszego artykułu, raporty wymiarowe i uzgodnione metody inspekcji.
Koszt, czas realizacji i przejście od prototypu do produkcji
Na ceny prototypów wpływa znacznie więcej niż tylko masa surowca.
W przypadku obróbki CNC ważnymi czynnikami wpływającymi na koszty są programowanie, konfiguracja maszyny, liczba konfiguracji, czas cyklu, usuwanie materiału, narzędzia skrawające, tolerancje, kontrola i wykończenie powierzchni. Dlatego pojedynczy złożony element może kosztować znacznie więcej niż kilka prostych części wykonanych z tego samego materiału.
W przypadku wytwarzania przyrostowego koszt zależy w dużej mierze od objętości części, czasu pracy maszyny, orientacji konstrukcji, wymagań w zakresie wsparcia, materiału, przetwarzania końcowego oraz tego, jak efektywnie można rozmieścić wiele części w kompilacji.
Odlewanie próżniowe zwiększa koszt produkcji modelu głównego i formy silikonowej, ale może obniżyć koszty jednostkowe, gdy potrzebnych jest kilka podobnych części z tworzywa sztucznego.
Szybkie formowanie wtryskowe wymaga największej początkowej inwestycji w oprzyrządowanie spośród tych opcji, ale cena jednostkowa może znacznie spaść wraz ze wzrostem ilości. Własne porównanie obróbki CNC i formowania wtryskowego przeprowadzone przez IMTEC podobnie pozycjonuje CNC jako przydatne w przypadku prototypów i mniejszych serii, podczas gdy formowanie wtryskowe staje się coraz bardziej korzystne w miarę wzrostu wielkości produkcji.
Typowe zakresy planowania mogą wyglądać następująco:
| Proces | Typowy zakres czasu realizacji prototypu* | Najlepiej dopasowana objętość |
|---|---|---|
| Druk 3D z tworzyw sztucznych | 1–5 dni | 1–20 |
| Obróbka CNC | 3–7 dni | 1–100 |
| Prototyp z blachy | 3–10 dni | 1–100 |
| Odlewanie próżniowe | 7–15 dni | Około 10–50 |
| Szybkie oprzyrządowanie/formowanie wtryskowe | 2–6 tygodni | Dziesiątki do tysięcy |
*Rzeczywiste harmonogramy zależą od geometrii, materiałów, wykończenia, wymagań kontrolnych, wydajności i gotowości projektu.
Przejścia do produkcji nie należy traktować jako nagłego przeskoku od jednego prototypu do tysięcy wyprasek.
Strategią niższego ryzyka jest stopniowe zwiększanie zaangażowania w produkcję. Wczesne prototypy addytywne lub CNC weryfikują geometrię. Funkcjonalne prototypy sprawdzają obciążenie, dopasowanie, wydajność cieplną i montaż. Produkcja na małą skalę ujawnia wówczas problemy związane z procesami i łańcuchem dostaw. Gdy projekt stanie się stabilny, można udostępnić oprzyrządowanie produkcyjne, a krytyczne wymiary i kryteria kontroli zostaną przeniesione z zatwierdzonego prototypu.
To etapowe podejście zmniejsza ryzyko wykrycia podstawowych problemów projektowych po ukończeniu oprzyrządowania produkcyjnego.
Od prototypu do produkcji za pomocą formy IMTEC
Przydatny prototyp powinien odpowiadać na pytania inżynieryjne, a nie po prostu odtwarzać plik CAD.
IMTEC Mold wspiera rozwój produktów poprzez możliwości obejmujące inżynierię dostosowaną do indywidualnych potrzeb i wspólny rozwój, wytwarzanie przyrostowe, projektowanie i produkcję form, formowanie wtryskowe i obtrysk. Pozwala to na ocenę decyzji dotyczących prototypu z uwzględnieniem ostatecznego procesu produkcyjnego.
Wyślij swój model 3D CAD, rysunek 2D, wymagania materiałowe, oczekiwaną ilość i zamierzone zastosowanie do naszego zespołu inżynierów. Możemy sprawdzić wykonalność, zidentyfikować potencjalne ryzyko produkcyjne i zalecić odpowiednią trasę prototypu metalowego lub plastikowego przed inwestycją w oprzyrządowanie.
IMTEC twierdzi, że dostosowane propozycje projektów można dostarczyć w ciągu 48 godzin, pomagając zespołom inżynieryjnym i zaopatrzeniowym ocenić kolejny krok bez konieczności natychmiastowego angażowania się w narzędzia do masowej produkcji.
Niezależnie od tego, czy potrzebujesz pojedynczego funkcjonalnego prototypu, małej serii walidacyjnej, czy też przejścia od prototypu do produkcji metodą formowania wtryskowego, cel jest ten sam: najpierw udowodnij projekt i utwórz ścieżkę produkcyjną, która pozostanie praktyczna w miarę wzrostu wolumenu.
Często zadawane pytania
Jaki jest najszybszy sposób wyprodukowania funkcjonalnego metalowego prototypu?
W przypadku konwencjonalnych geometrii obróbka CNC jest często jednym z najszybszych sposobów uzyskania funkcjonalnego prototypu metalowego, ponieważ wykorzystuje półfabrykat metalowy klasy produkcyjnej i nie wymaga dedykowanego oprzyrządowania. Produkcja przyrostowa metali może być preferowana w przypadku złożonych kanałów wewnętrznych, lekkich konstrukcji lub geometrii trudnych w obróbce.
Jak wybrać pomiędzy obróbką CNC a drukiem 3D prototypu z tworzywa sztucznego?
Wybierz CNC, gdy priorytetem jest dokładność wymiarowa, tworzywo konstrukcyjne klasy produkcyjnej, jakość powierzchni lub zachowanie mechaniczne. Wybierz druk 3D, gdy ważniejsza jest szybkość, złożona geometria, częste iteracje projektu lub unikanie ograniczeń związanych z obróbką.
Jakich tolerancji mogę się spodziewać po szybkich prototypach metalowych i plastikowych?
W przypadku części CNC zwykle stosuje się ogólne tolerancje w okolicach ±0,005 cala, chociaż w zależności od funkcji mogą być odpowiednie tolerancje węższe lub szersze. Komponenty drukowane w 3D i odlewane próżniowo zwykle wymagają większych naddatków. Zawsze definiuj wymiary krytyczne osobno, zamiast stosować wąskie tolerancje do całego komponentu.
Jakie wykończenia powierzchni są dostępne dla szybkich prototypów?
Prototypy metalowe mogą być piaskowane, anodowane, platerowane, szczotkowane, polerowane, malowane, malowane proszkowo lub, w razie potrzeby, pasywowane. Prototypy z tworzyw sztucznych można polerować, piaskować, malować, farbować, teksturować lub wygładzać parą, w zależności od materiału i procesu produkcyjnego.
Ile kosztuje szybki prototyp w przeliczeniu na część?
Nie ma sensownej, uniwersalnej ceny za prototyp. Koszt zależy od materiału, rozmiaru, geometrii, ilości, czasu obróbki lub drukowania, tolerancji, wymagań kontrolnych i wykończenia. Dostarczenie danych CAD i oczekiwanych ilości umożliwia dostawcom porównanie alternatywnych tras produkcji.
Czy szybkie prototypowanie może wspierać produkcję niskonakładową?
Tak. Obróbka CNC, produkcja przyrostowa, odlewanie próżniowe i szybkie formowanie wtryskowe mogą zaspokoić zapotrzebowanie na małe ilości w różnych zakresach ilościowych. Najlepszy proces zależy od tego, czy dominującym wymaganiem są dokładność, właściwości materiału, wygląd, koszt oprzyrządowania czy cena jednostkowa.
Jak przejść od szybkiego prototypu do produkcji na pełną skalę?
Najpierw sprawdź geometrię, a następnie zweryfikuj funkcjonalność, montaż, materiały i krytyczne wymiary. Gdy projekt będzie stabilny, przeprowadź DFM dla zamierzonego procesu produkcyjnego, wyprodukuj próbki przeznaczone do produkcji, potwierdź wymagania kontrolne, a następnie zwolnij oprzyrządowanie produkcyjne lub produkcję na większą skalę.
