Śledź mnie na: 
Dowiedz się wszystkiego o szybkim prototypowaniu
Szybkie prototypowanie (RP) to stosunkowo nowy termin, który w prosty sposób opisuje proces szybkiego tworzenia prototypów z wykorzystaniem zaawansowanych procesów produkcyjnych, w celu wizualnej i funkcjonalnej oceny projektu nowych produktów oraz ciągłej optymalizacji projektu. Inżynierowie lub projektanci przekształcają świetne pomysły w realistyczne modele koncepcyjne, które symulują wygląd i styl działania produktu finalnego, a następnie przechodzą serię walidacji przed przejściem do produkcji masowej. Prototyp to oryginalna wersja produktu finalnego, służąca do oceny projektu, technik testowania, analizy zasad działania produktu, dostosowania projektu, materiałów, wymiarów, kształtu, montażu, koloru, możliwości produkcyjnych i wytrzymałości, szybkiego uniknięcia potencjalnych pułapek oraz poprawy jakości produktu finalnego. Niniejszy artykuł omawia siedem obecnie popularnych metod prototypowania i porównuje właściwości materiałowe części wytwarzanych w różnych procesach. Ponadto podsumowano kluczowe czynniki, które należy wziąć pod uwagę w różnych procesach produkcyjnych. Celem jest pomoc projektantom w wyborze najlepszego procesu wytwarzania prototypów.
Definicja szybkiego prototypowania
Szybkie prototypowanie to proces tworzenia modeli tak szybko, jak to możliwe, aby symulować produkt końcowy. Istnieją dziesiątki metod wytwarzania, za pomocą których można tworzyć prototypy, z których najbardziej imponująca jest produkcja addytywna, czyli druk 3D. Jednak tradycyjna obróbka subtraktywna CNC może również wytwarzać wysokiej jakości prototypy. Druk 3D i szybkie prototypowanie pasują idealnie, umożliwiając produkcję części o niemal nieograniczonych kształtach geometrycznych, wymagając tylko jednej drukarki i żadnych innych narzędzi. Druk 3D może wytwarzać części o właściwościach mechanicznych, które są bardzo podobne do różnych materiałów wytwarzanych przy użyciu tradycyjnych metod produkcji.
7 typów procesów wytwarzania prototypów
Przetwarzanie | O imieniu | OPIS | WYKOŃCZENIA | PRZYKŁADOWE MATERIAŁY |
Stereolitografia | SLA | Laserowo utwardzane światłoczułe polimery | Typowy zakres warstw dodatków wynosi 0.002-0.006 cala (0.051-0.152 mm) | Jak termoplastyczny |
Selektywne spiekanie laserowe | SLS | Laserowo spiekany proszek | Typowe warstwy dodatków mają grubość około 0.004 cala (0.102 mm) | Podobnie jak nylon i TPU |
Bezpośrednie spiekanie laserowe metali | DMLS | Proszki metalowe spiekane laserowo | Typowy zakres warstw dodatków wynosi 0.0008-0.0012 cala (0.020-0.030 mm) | Podobnie jak stal nierdzewna, tytan, chrom, aluminium i chromowo-niklowo-żelazowe materiały metalowe |
Modelowanie osadzania stopionego | FDM | Wytłoczenia stapiane | Typowy zakres warstw dodatków wynosi 0.005-0.013 cala (0.127-0.330 mm) | Jak ABS, PC, PC/ABS, PPSU i inne tworzywa sztuczne |
PoliJet | PJET | Światłoczułe polimery utwardzane promieniami UV | Typowy zakres warstw dodatków wynosi 0.0006-0.0012 cala (0.015-0.030 mm) | Podobnie jak PMMA, elastyczny, światłoczuły polimer |
Obróbka CNC | CNC | Użyj frezarek i tokarek CNC, aby usunąć nadmiar materiału | Usuń nadmiar materiału (gładko) | Większość tworzyw sztucznych i metali klasy inżynierskiej składa się z setek materiałów |
Odlewanie próżniowe | VC | Użyj silikonowych form do wykonania replik plastikowych części | Gładkie lub o wybranej fakturze | Tworzywo termoplastyczne klasy inżynierskiej |
Zalety i wady różnych metod wytwarzania
SLA
SLA : SLA to najstarsza, najpopularniejsza i najbardziej ekonomiczna metoda wytwarzania przyrostowego, a także pierwsza metoda druku 3D zastosowana w handlu. Polega ona na wykorzystaniu sterowanego komputerowo lasera ultrafioletowego do utwardzania ciekłej, światłoczułej żywicy polimerowej warstwa po warstwie, a następnie powtarzaniu tego procesu w celu wytworzenia części. Przekroje warstwa po warstwie pochodzą z plików projektowych CAD (format .stl). Warto zauważyć, że pliki CAD w formacie .stl stały się domyślnym językiem programowania dla większości drukarek 3D.
Zalety: W porównaniu z innymi procesami addytywnymi, SLA pozwala na produkcję wysokiej jakości prototypów i części o złożonych kształtach geometrycznych. SLA jest szybkie i niedrogie, a wytwarzane części charakteryzują się doskonałym wykończeniem powierzchni i optymalnymi szczegółami, zachowując ścisłe tolerancje. Dostępnych jest wiele bibliotek materiałów do wyboru, takich jak właściwości optyczne, mechaniczne i termiczne, które odpowiadają standardowym, inżynieryjnym i przemysłowym tworzywom termoplastycznym. Prototypy SLA są zazwyczaj wykorzystywane do produkcji prototypów medycznych, a także do produkcji modeli matrycowych do odlewania próżniowego.
Wady: Prototypy wytwarzane metodą SLA często mają niewystarczającą wytrzymałość i nie nadają się do testowania w ekstremalnych warunkach. Ponadto promieniowanie ultrafioletowe z czasem słabnie w wilgotnym środowisku.
SLS
SLS: SLS to technologia druku 3D służąca do wytwarzania prototypów z metalu i tworzyw sztucznych. Polega ona na tworzeniu prototypów warstwa po warstwie za pomocą sterowanego komputerowo lasera o dużej mocy, nagrzewającego i spiekającego materiały proszkowe, takie jak nylon lub elastyczne proszki TPU, podobne do tworzyw sztucznych o jakości inżynieryjnej. Technologia SLS sięga lat 1980. XX wieku i została opatentowana przez Carla Deckarda. Podobnie jak wiele innych procesów druku 3D, umożliwia ona wytwarzanie części o złożonych kształtach geometrycznych, w tym elementów wewnętrznych, podcięć, cienkich ścianek itp., na przykład części o strukturze kratownicy, trudnej do uzyskania za pomocą obróbki CNC.
Zalety: W porównaniu z SLA, części wytwarzane metodą SLS są dokładniejsze i trwalsze, a także nadają się do niektórych testów funkcjonalnych.
Wady: Powierzchnia elementów SLS ma ziarnistą lub piaskową teksturę, brakuje w niej drobnych detali i jest bardzo szorstka. Aby uzyskać efekt estetyczny, konieczna jest obróbka wtórna, a dostępność materiałów jest ograniczona.
DMLS
DMLS: DMLS to technologia druku 3D służąca do produkcji metalowych prototypów i części do zastosowań końcowych, polegająca na spawaniu proszku warstwa po warstwie, aż do ukończenia elementu. Części DMLS można wytwarzać z większości stopów metali, a te same materiały, z których wykonane są części finalne, można oczywiście dobrać do produkcji prototypów o pełnej wytrzymałości i funkcjonalności.
Zalety: DMLS umożliwia produkcję prototypów metalowych (zwykle o gęstości 97%) do testów funkcjonalnych, a także pozwala na produkcję elementów wewnętrznych lub kanałów, których nie da się uzyskać tradycyjnymi metodami. Właściwości mechaniczne części wytwarzanych metodą DMLS są zasadniczo zgodne z właściwościami części wytwarzanych metodą tradycyjną.
Wady: Powierzchnia części wykonanych z DMLS jest szorstka i wymaga kosztownej obróbki końcowej. Wykorzystanie DMLS do produkcji wielu części metalowych może wiązać się z wysokimi kosztami.
FDM
FDM: W procesie formowania metodą osadzania z roztopionego materiału (FDM) materiały termoplastyczne (takie jak ABS, poliwęglan lub mieszanka ABS/poliwęglanu) są topione w dyszy podgrzewanej przez drukarkę, a następnie dysza porusza się wzdłuż ustalonej ścieżki, nakładając warstwę po warstwie płynny materiał żywiczny, tworząc prototyp od dołu do góry.
Zalety: Technologia FDM pozwala na wykorzystanie oryginalnych materiałów termoplastycznych, co pozwala na produkcję niedrogich i wytrzymałych komponentów, a także umożliwia przeprowadzanie testów funkcjonalnych. Oczywiście, proces ten umożliwia również produkcję części o złożonej strukturze. Technologia FDM jest łatwa w użyciu, umożliwia produkcję pojedynczych elementów z różnych rodzajów i kolorów tworzyw sztucznych, a także jest bezpieczna, czysta i nie powoduje zanieczyszczeń.
Wady: Części wykonane metodą FDM często mają otwory, nierównomierną wytrzymałość, słabe wykończenie powierzchni i widoczne ślady pofalowania. W porównaniu z SLA lub SLS, FDM nie jest wydajny.
SLM
SLM: SLM to technologia wykorzystująca lasery dużej mocy do topienia i łączenia proszków metali w celu produkcji prototypów lub części. Do popularnych proszków metali należą tytan, stal nierdzewna, aluminium oraz stopy kobaltu i chromu, które mogą być wykorzystywane do produkcji precyzyjnych części metalowych o wysokiej wytrzymałości, trwałości i złożoności.
Zalety: Precyzyjne części produkowane przez SLM są szeroko stosowane w takich gałęziach przemysłu jak lotnictwo i kosmonautyka, motoryzacja, obrona narodowa i medycyna.
Wady : Części i prototypy wykonane metodą SLM mogą być drogie i muszą być kontrolowane przez wykwalifikowanego mechanika.
POLYJET
POLYJET: Technologia PolyJet wykorzystuje głowicę drukującą do natryskiwania światłoczułej żywicy polimerowej warstwa po warstwie, a do budowy prototypów lub części wykorzystuje materiały utwardzane promieniami UV. Warstwa żywicy natryskiwana w tym procesie może być bardzo cienka i umożliwia tworzenie części o gładkiej powierzchni. Głowice drukujące mogą być natryskiwane różnymi materiałami, co pozwala na budowę prototypów wielomateriałowych.
Zalety: Technologia Polyjet jest niedroga i można jej używać do produkcji elastycznych części o złożonej strukturze, a także do wytwarzania prototypów formowanych, owijanych części z wykorzystaniem elastycznych i sztywnych materiałów.
Wady: części wykonane metodą Polyjet nie są na tyle wytrzymałe, aby można było przeprowadzać testy funkcjonalne, a ponadto mogą żółknąć po długotrwałym wystawieniu na działanie światła.
Obróbka CNC: Frezy obracają się po ustalonej ścieżce, tnąc pełne bloki (lub pręty) z tworzywa sztucznego lub metalu, usuwając nadmiar materiału w celu wytworzenia części lub prototypów, co jest procesem redukcji materiału. W porównaniu z obróbką addytywną, części obrabiane CNC charakteryzują się doskonałą wytrzymałością i jakością wykończenia powierzchni oraz są stosunkowo kompletne. Gama wybranych materiałów jest bardzo szeroka, obejmując tysiące rodzajów, co pozwala na produkcję części CNC o wielu funkcjach, takich jak wytrzymałość na rozciąganie, odporność na uderzenia, temperatura odkształcenia termicznego, odporność chemiczna i biokompatybilność. Dobre tolerancje umożliwiają montaż i testy funkcjonalne.
Zalety: Części CNC charakteryzują się dobrą jakością wykończenia powierzchni i ścisłymi tolerancjami, a do wyboru jest wiele rodzajów tworzyw termoplastycznych i metali o jakości inżynieryjnej. W porównaniu z drukiem 3D, prototypy można dostarczyć w ciągu 24 godzin, w zależności od stopnia skomplikowania części.
Wady: W przypadku niektórych skomplikowanych elementów obróbka CNC może mieć pewne ograniczenia. Na przykład, obróbka pustych, cienkościennych elementów jest bardzo trudna, a czasami konieczne jest odwrócenie i zamocowanie przedmiotu obrabianego za pomocą niestandardowych uchwytów. Dlatego w przypadku obróbki elementów o skomplikowanych kształtach geometrycznych koszt obróbki CNC jest stosunkowo wysoki.
Odlewanie próżniowe: Ściśle rzecz biorąc, odlewanie próżniowe to proces produkcji małych partii elementów. Proces ten polega na odpienianiu, mieszaniu, podgrzewaniu i formowaniu wylanego materiału poliuretanowego w warunkach próżni, a następnie przeprowadzaniu 2-3-godzinnego procesu formowania wtórnego w komorze o stałej temperaturze 60℃ – 80℃.
Zalety: Replika wykonana metodą odlewania próżniowego może osiągnąć wytrzymałość i twardość surowców takich jak ABS, a także może być barwiona zgodnie z wymaganiami. Proces replikacji próżniowej pozwala na produkcję małych partii elementów z tworzyw sztucznych o złożonej strukturze i jednolitej grubości ścianek, spełniających określone funkcje i wygląd.
Wady: Z każdej formy można wykonać do 25 kopii (w zależności od stopnia skomplikowania formy i materiału odlewniczego). Jeśli części wymagają wysokiej jakości (np. przezroczyste lub złożone struktury), z jednej formy można wykonać jedynie 12, a nawet 10 replik.
Ile kosztuje szybkie prototypowanie?
Trudno odpowiedzieć na to pytanie. Szybkie prototypowanie zależy od wielu różnych czynników, przy znacznych różnicach w kosztach. Na przykład, jeśli informacje takie jak technologia przetwarzania, rozmiar, ilość, wykończenie powierzchni, ilość, materiał i wykończenie powierzchni są niepewne, trudno jest oszacować, ile będzie kosztować wyprodukowanie prototypu, który może wynosić od kilkudziesięciu dolarów do tysiące dolarów. Jeśli ukończyłeś projekt prototypu, skontaktuj się z DDPROTOTYPE, wiodącym producentem szybkiego prototypowania w Chinach, aby bezpłatnie otrzymać bezpłatną wycenę i przedstawić konstruktywne sugestie i wykonalne rozwiązania dla Twojego projektu.
