Volg me op: 
Alles leren over rapid prototyping
Rapid Prototyping (RP) is een relatief nieuwe term die simpelweg het proces beschrijft van het snel creëren van prototypes met behulp van geavanceerde productieprocessen. Het doel is om het ontwerp van nieuwe producten visueel en functioneel te evalueren en continu te optimaliseren. Ingenieurs of ontwerpers zetten goede ideeën om in realistische conceptuele modellen die het uiterlijk en de werking van het uiteindelijke product simuleren. Deze modellen ondergaan een reeks validaties voordat ze overgaan tot massaproductie. Een prototype is de originele versie van het uiteindelijke product en wordt gebruikt om het ontwerp te evalueren, technieken te testen, de werkingsprincipes van het product te analyseren, het ontwerp, de materialen, de afmetingen, de vorm, de assemblage, de kleur, de maakbaarheid en de sterkte aan te passen, potentiële valkuilen tijdig te vermijden en de kwaliteit van het uiteindelijke product te verbeteren. Dit artikel onderzoekt zeven momenteel populaire prototypingmethoden en vergelijkt de materiaaleigenschappen van onderdelen die met verschillende processen zijn vervaardigd. Daarnaast worden de belangrijkste factoren die in verschillende productieprocessen in overweging moeten worden genomen, samengevat. Het doel is om ontwerpers te helpen bij het kiezen van het beste prototypeproductieproces.
Definitie van rapid prototyping
Rapid prototyping is het proces waarbij modellen zo snel mogelijk worden geproduceerd om het eindproduct te simuleren. Er zijn tientallen productiemethoden waarmee prototypen kunnen worden gemaakt, waarvan de meest indrukwekkende additive manufacturing is, namelijk 3D-printen. Traditionele subtractieve productie CNC-bewerkingen kunnen echter ook hoogwaardige prototypen opleveren. 3D-printen en rapid prototyping passen perfect, waardoor onderdelen met bijna onbeperkte geometrische vormen kunnen worden vervaardigd, waarvoor slechts één printer en geen ander gereedschap nodig is. 3D-printen kan onderdelen produceren met mechanische eigenschappen die sterk lijken op verschillende materialen die met traditionele fabricagemethoden zijn vervaardigd.
7 soorten productieprocessen voor prototypen
Proces | Genoemd | PRODUCTBESCHRIJVING | FINISH | VOORBEELD MATERIALEN |
Stereolithografie | SLA | Lasergeharde lichtgevoelige polymeren | Het typische bereik van additieve lagen is 0.002-0.006 inch (0.051-0.152 mm) | Zoals thermoplast |
Selectief lasersinteren | SLS | Laser gesinterd poeder | Typische additieve lagen zijn ongeveer 0.004 inch (0.102 mm) | Zoals nylon en TPU |
Directe metaallaser sinteren | DMLS | Laser gesinterde metaalpoeders | Het typische bereik van additieve lagen is 0.0008-0.0012 inch (0.020-0.030 mm) | Zoals roestvrij staal, titanium, chroom, aluminium en chroom-nikkel-ijzerlegering metalen materialen |
Fused Deposition Modeling | FDM | Samengesmolten extrusies | Het typische bereik van additieve lagen is 0.005-0.013 inch (0.127-0.330 mm) | Zoals ABS、PC、PC/ABS、PPSU en ander plastic |
PolyJet | PJET | UV-uitgeharde Jet fotogevoelige polymeren | Het typische bereik van additieve lagen is 0.0006-0.0012 inch (0.015-0.030 mm) | Zoals PMMA, elastisch lichtgevoelig polymeer |
CNC Machining | CNC | Gebruik CNC freesmachines en draaibanken om overtollig materiaal te verwijderen | Verwijder overtollig materiaal (glad) | De meeste kunststoffen en metalen van technische kwaliteit hebben honderden materialen |
Vacuümgieten | VC | Gebruik siliconen mallen om replica plastic onderdelen te maken | Glad of met geselecteerde textuur | Thermoplast van technische kwaliteit |
Voor- en nadelen van verschillende productiemethoden
SLA
SLA : SLA is de oudste, populairste en meest kosteneffectieve methode voor additieve productie, en het was de eerste 3D-printmethode die commercieel werd toegepast. Het is een proces waarbij een computergestuurde ultraviolette laser wordt gebruikt om vloeibare lichtgevoelige polymeerhars laag voor laag uit te harden, en dit proces wordt herhaald om onderdelen te produceren. De doorsneden van de lagen worden afgeleid van CAD-ontwerpbestanden (.stl-formaat). Het is belangrijk om te weten dat CAD-bestanden in .stl-formaat de standaard computertaal zijn geworden voor de meeste 3D-printers.
Voordelen: In vergelijking met andere additieve processen kan SLA hoogwaardige prototypes en onderdelen met complexe geometrische vormen produceren. SLA is snel, goedkoop en de geproduceerde onderdelen hebben een uitstekende oppervlakteafwerking en optimale details, met behoud van strikte toleranties. Er zijn meerdere selecteerbare materiaalbibliotheken, bijvoorbeeld voor optische, mechanische en thermische eigenschappen, die aansluiten bij standaard, technische en industriële thermoplasten. SLA-prototypes worden doorgaans gebruikt voor de productie van medische prototypes en ook voor vacuümgietmodellen.
Nadelen: Prototypes die met SLA-printing worden vervaardigd, zijn vaak onvoldoende sterk en niet geschikt voor testen in extreme omstandigheden. Bovendien neemt de absorptie door ultraviolette straling in vochtige omgevingen na verloop van tijd af.
SLS
SLS: SLS is een 3D-printtechnologie voor het vervaardigen van prototypes van metaal en kunststof. Het is een proces waarbij prototypes laag voor laag worden opgebouwd met behulp van computergestuurde, krachtige lasers die poedermaterialen, zoals nylon of elastische TPU-poeders vergelijkbaar met technische kunststoffen, verhitten en sinteren. De SLS-technologie dateert uit de jaren 1980 en werd gepatenteerd door Carl Deckard. Net als veel andere 3D-printprocessen kan het onderdelen met complexe geometrische vormen produceren, inclusief interne structuren, ondersnijdingen, dunne wanden, enz., zoals onderdelen met interne roosterstructuren die moeilijk te realiseren zijn met CNC-bewerking.
Voordelen: Vergeleken met SLA-onderdelen zijn SLS-onderdelen nauwkeuriger en duurzamer en geschikt voor bepaalde functionele tests.
Nadelen: Het oppervlak van SLS-onderdelen heeft een korrelige of zanderige textuur, mist fijne details en is erg ruw. Nabewerking is nodig om een esthetisch resultaat te bereiken en de beschikbare materialen zijn beperkt.
DMLS
DMLS: DMLS is een 3D-printtechnologie voor het vervaardigen van metalen prototypes en eindproducten. Hierbij wordt poederlaagje voor laagje gelast totdat het onderdeel voltooid is. DMLS-onderdelen kunnen van de meeste legeringen worden gemaakt, en uiteraard kunnen dezelfde materialen als voor de uiteindelijke onderdelen worden gekozen om sterke en functionele prototypes te produceren.
Voordelen: DMLS kan metalen prototypes (doorgaans met een dichtheid van 97%) produceren voor functionele tests, en kan interne structuren of kanalen vervaardigen die met traditionele processen niet mogelijk zijn. De mechanische eigenschappen van DMLS-onderdelen zijn in principe vergelijkbaar met die van traditioneel vervaardigde onderdelen.
Nadelen: Het oppervlak van DMLS-onderdelen is ruw en vereist een dure nabewerking. Als DMLS wordt gebruikt voor de productie van meerdere metalen onderdelen, kunnen de kosten hoog oplopen.
FDM
FDM: Bij het melt deposition molding (FDM)-proces worden thermoplastische materialen (zoals ABS, polycarbonaat of een ABS/polycarbonaat-mengsel) gesmolten in een door de printer verwarmde spuitmond. De spuitmond beweegt vervolgens langs een vooraf bepaalde route en brengt laagje voor laagje het vloeibare harsmateriaal aan, waardoor een prototype van onder naar boven wordt opgebouwd.
Voordelen: FDM kan gebruikmaken van echte thermoplastische materialen, waardoor componenten geproduceerd kunnen worden die voordelig en robuust zijn en geschikt voor bepaalde functionele tests. Uiteraard kunnen met dit proces ook onderdelen met complexe structuren worden vervaardigd. FDM-technologie is gebruiksvriendelijk, geschikt voor verschillende soorten en kleuren kunststof voor de productie van één enkel onderdeel, en is veilig, schoon en milieuvriendelijk.
Nadelen: FDM-onderdelen bevatten vaak gaten, hebben een ongelijkmatige sterkte, een slechte oppervlakteafwerking en duidelijke rimpelingen. Vergeleken met SLA of SLS is FDM niet efficiënt.
SLM
SLM: SLM is een technologie die gebruikmaakt van krachtige lasers om metaalpoeders te smelten en te versmelten voor de productie van prototypes of onderdelen. Veelgebruikte metaalpoeders zijn onder andere titanium, roestvrij staal, aluminium en kobalt-chroomlegeringen. Deze kunnen worden gebruikt voor de vervaardiging van precisieonderdelen van metaal met een hoge sterkte, duurzaamheid en complexiteit.
Voordelen: Precisieonderdelen die met SLM worden vervaardigd, worden veelvuldig gebruikt in sectoren zoals de lucht- en ruimtevaart, de automobielindustrie, defensie en de medische sector.
Nadelen : Met SLM vervaardigde onderdelen of prototypes kunnen duur zijn en vereisen de controle van een ervaren machinebankwerker.
POLYJET
POLYJET: PolyJet gebruikt een printkop om laagje voor laagje lichtgevoelige polymeerhars te spuiten en maakt gebruik van UV-uithardende materialen om prototypes of onderdelen te bouwen. De harslaag die met dit proces wordt aangebracht, kan zeer dun zijn en onderdelen met een glad oppervlak opleveren. Printkoppen kunnen met verschillende materialen worden bespoten, waardoor prototypes van meerdere materialen kunnen worden gemaakt.
Voordelen: Polyjet is betaalbaar en kan worden gebruikt voor de productie van flexibele onderdelen met complexe structuren, evenals voor het maken van prototypes van gewikkelde gegoten onderdelen met behulp van flexibele en stijve materialen.
Nadelen: Polyjet-onderdelen zijn niet sterk genoeg voor functionele tests en kunnen na langdurige blootstelling aan licht geel worden.
CNC-bewerking: De snijgereedschappen draaien langs een vast pad om massieve blokken (of staven) van kunststof of metaal te snijden, waarbij overtollig materiaal wordt verwijderd om onderdelen of prototypes te produceren. Dit is een materiaalreductieproces. In vergelijking met onderdelen die met 3D-printing zijn vervaardigd, hebben CNC-gefreesde onderdelen een uitstekende sterkte en oppervlakteafwerking en zijn ze relatief compleet. De materiaalkeuze is zeer breed, met duizenden soorten, waardoor CNC-onderdelen met uiteenlopende eigenschappen kunnen worden geproduceerd, zoals treksterkte, slagvastheid, thermische vervormingstemperatuur, chemische bestendigheid en biocompatibiliteit. De goede toleranties maken ze geschikt voor assemblage en functionele tests.
Voordelen: CNC-onderdelen hebben een goede oppervlakteafwerking en nauwe toleranties, en er kan gekozen worden uit een breed scala aan hoogwaardige thermoplasten en metalen. In vergelijking met 3D-printen kunnen prototypes, afhankelijk van de complexiteit van het onderdeel, binnen 24 uur worden geleverd.
Nadelen: CNC-bewerking kan voor sommige complexe onderdelen beperkingen hebben. Het is bijvoorbeeld erg moeilijk om holle, dunwandige onderdelen te bewerken, en soms is het nodig om het werkstuk om te draaien en vast te zetten met aangepaste opspaninrichtingen. Daarom zijn de kosten van CNC-bewerking relatief hoog voor onderdelen met complexe geometrische vormen.
Vacuümgieten: Strikt genomen is vacuümgieten een proces voor het produceren van kleine series onderdelen. Het proces omvat het ontluchten, mengen, voorverwarmen en vormen van het gegoten polyurethaanmateriaal onder vacuümomstandigheden, gevolgd door een secundair uithardingsproces van 2-3 uur in een temperatuurcabine van 60 ℃ – 80 ℃.
Voordelen: De replica die door vacuümgieten wordt gemaakt, kan de sterkte en hardheid van grondstoffen zoals ABS bereiken en kan bovendien naar wens in verschillende kleuren worden uitgevoerd. Het vacuümgietproces maakt de productie van kleine series kunststofonderdelen met complexe structuren en een uniforme wanddikte mogelijk, die aan specifieke functionele en esthetische eisen voldoen.
Nadelen: Met één mal kunnen maximaal 25 exemplaren worden gemaakt (afhankelijk van de complexiteit van de mal en het gietmateriaal); als de onderdelen van hoge kwaliteit moeten zijn (zoals transparante of complexe structuren), kunnen er slechts 12 of zelfs 10 replica's van één mal worden gemaakt.
Hoeveel kost rapid prototyping?
Deze vraag is moeilijk te beantwoorden. Rapid prototyping is afhankelijk van verschillende factoren, met aanzienlijke verschillen in kosten. Als bijvoorbeeld informatie zoals verwerkingstechnologie, grootte, hoeveelheid, oppervlakteafwerking, hoeveelheid, materiaal en oppervlaktebehandeling onzeker is, is het moeilijk in te schatten hoeveel het zal kosten om een prototype te vervaardigen, dat kan variëren van tientallen dollars tot duizenden dollars. Als u het ontwerp van een prototypeproject hebt voltooid, kunt u contact opnemen met DDPROTOTYPE, een toonaangevende fabrikant van rapid prototyping in China, om u een gratis offerte te bezorgen en gratis constructieve suggesties en haalbare oplossingen voor uw ontwerp te geven.
