Процесс быстрого прототипирования: все, что вам нужно знать.

Быстрое прототипирование используется уже несколько десятилетий. Однако способы его применения в прошлом и современные методы сильно различаются. Раньше производителям приходилось использовать традиционные методы для создания физических моделей продукции. Прототипирование было очень сложным из-за медленных и трудоемких процессов. Однако с появлением быстрого прототипирования ситуация изменилась.

 

Причина в том, что быстрое прототипирование предполагает использование компьютерных данных или инструкций. Это позволяет создавать модели буквально за несколько часов, а не за дни или месяцы. Существуют разные типы процессов прототипирования, и каждый из них работает по-своему. В этой статье я рассмотрю основы быстрого прототипирования и его распространенные методы. Итак, начнем.

 

Что такое быстрое прототипирование?

Прежде всего, слово «быстрый» означает «скорый», указывая на скорость процесса. Он используется практически во всех современных отраслях промышленности для проверки первоначальной модели продукта перед запуском.

 

Быстрое прототипирование — это процесс, используемый в разработке продукции. Он помогает очень быстро создать прототип (модель) продукта с помощью компьютерных инструкций. В этом процессе используются современные машины, такие как 3D-принтеры и машины для литья под давлением. Вместо физических методов быстрое прототипирование опирается на цифровое производство. Оно позволяет создать прототип за часы, если не минуты.

 

Как известно, современные производители сталкиваются с жесткой конкуренцией. Поэтому они прилагают все усилия для улучшения и повышения надежности своей продукции. В этом случае прототипирование полезно для разработки первоначальной модели продукта для тестирования. Использование традиционных методов печати может быть очень дорогим. Почему?

 

Потому что они требуют дорогостоящего и медленного оборудования. Именно здесь быстрое прототипирование становится ценным. Этот процесс включает в себя создание CAD-модели продукта, для которого требуется прототип. Помните, что эти модели создаются опытными CAD-дизайнерами с высокой точностью. Этот этап имеет решающее значение, поскольку небольшие ошибки в CAD-проектировании могут повлиять на точность конечного продукта (прототипа).

 

После того, как CAD-проект готов, следующим шагом является преобразование цифрового файла в набор закодированных инструкций. Это связано с тем, что наши станки понимают только код, а не цифровые файлы. Для этого используется передовое программное обеспечение, которое преобразует CAD-проекты в код в формате STL. Затем эта закодированная инструкция подается на используемый вами станок. Тип используемого станка зависит от вашего производственного процесса.

 

После анализа инструкций станки производят конечный продукт (прототип). Следует отметить, что способ производства прототипов различается в зависимости от производственного процесса. В аддитивном производстве станки создают изделия слой за слоем. В субтрактивном производстве станки вырезают и удаляют материал с заготовки. В результате они производят прототип (изделие). Весь процесс прототипирования может быть завершен за несколько часов, что позволяет быстро изготовить прототип.

 

В чём преимущества быстрого прототипирования?

Быстрое прототипирование получило широкое распространение в различных отраслях промышленности. Это связано с тем, что оно позволяет быстро создавать модели и отличается высокой гибкостью. Вот некоторые ключевые преимущества быстрого прототипирования:

 

• Сокращение отходов и оптимизация

Станки, используемые в быстром прототипировании, отличаются высокой точностью. Они изготавливают изделия (прототипы) без использования большого количества материала. Проще говоря, они используют только те материалы, которые необходимы для изготовления изделия. Это сокращает количество отходов, делая процесс более эффективным.

 

• Высокая скорость разработки продукта

Быстрое прототипирование известно своей скоростью. Если у вас есть CAD-модель, вы можете изготовить физический прототип на основе этого дизайна всего за несколько минут или часов. Современные станки, такие как 3D-принтеры и станки с ЧПУ, работают по компьютерным инструкциям. Таким образом, они быстро и точно преобразуют проекты в физические модели.

 

• Гибкость и возможность изменения дизайна

Традиционные методы менее гибки. Однако быстрое прототипирование позволяет модифицировать ваши CAD-модели и создавать прототипы с каждым изменением. Это позволяет экспериментировать с различными вариантами дизайна. С другой стороны, если одна CAD-модель не идеальна, вы можете создать новую и быстро изготовить прототип.

 

• Визуализация и сложные геометрические формы

Одной из отличительных особенностей быстрого прототипирования является его точность. Как я уже говорил, этот процесс основан на компьютерных инструкциях (коде). Таким образом, вы можете легко создавать прототипы изделий сложной формы. Размеры прототипа будут соответствовать размерам используемой вами CAD-модели.

 

• Снижение затрат и отсутствие необходимости в инструментах

Традиционные методы прототипирования требуют специального оборудования. К ним относятся штампы, пресс-формы и многое другое. Однако быстрое прототипирование не требует дополнительных инструментов, кроме специализированного оборудования. Для изготовления изделий достаточно всего одного оборудования (принтера или литьевой машины). Это большой плюс в плане экономии средств, особенно при ограниченном бюджете.

 

Наиболее популярные процессы быстрого прототипирования

Быстрое прототипирование может показаться единым процессом. Однако это не так, поскольку для создания прототипов продукции используются несколько процессов. В разделе ниже я расскажу о наиболее популярных методах быстрого прототипирования.

 

1. 3D-печать

 

Как уже упоминалось, существует два основных производственных процесса:

 

• Аддитивное производство
• Субтрактивное производство

 

3D-печать — это аддитивное производство с использованием специализированного принтера. Этот принтер создает прототип (объект) слой за слоем. Популярные материалы, используемые в этом методе быстрого прототипирования, включают пластик, резину и другие. Стоит отметить, что существуют различные типы 3D-печати, а именно:

 

• SLA (стереолитография)
• SLS (селективное лазерное спекание)
• FDM (послойное наплавление)
• DMLS (прямое лазерное спекание металла)

 

Каждый из этих методов 3D-печати работает по-разному. Однако основной механизм каждого типа 3D-печати остается одинаковым. Сначала создается CAD-модель, которая затем преобразуется в файл кода. Этот файл подается на 3D-принтеры, которые затем выполняют соответствующие действия. Материал (пластиковая нить) плавится и затвердевает под УФ-светом.

 

Затем принтер послойно изготавливает окончательный прототип. Я считаю 3D-печать лучшим методом для быстрого прототипирования. Почему? Потому что она позволяет быстро корректировать дизайн. Кроме того, этот метод более экономичен, чем другие процессы быстрого прототипирования. Этот метод подходит не только для прототипирования, но и для полномасштабных производственных процессов.

 

2. Литье под давлением

 

Литье под давлением — еще один метод прототипирования. При этом методе материал расплавляется и впрыскивается в форму. Расплавленный материал затем охлаждается, затвердевает и принимает форму формы, образуя конечный продукт. Для этого требуются специальные машины и формы для литья под давлением.

 

Хотя этот метод используется для изготовления прототипов, я его не рекомендую. Почему? Это связано с тем, что для этого требуются специальные пресс-формы. Для каждого прототипа необходимо изготовить пресс-форму. Пресс-форма будет идентична по форме прототипу. Создание пресс-формы — сложный и очень дорогостоящий процесс. Поэтому изготовление пресс-форм для каждого прототипа — никогда не бывает разумным решением.

 

В прошлом использовались ручные машины для литья под давлением, которые были медленными. Однако ситуация изменилась, поскольку компьютеризированные системы управляют современными машинами. Литье под давлением следует использовать, когда необходимо изготовить крупномасштабный прототип. Более высокие затраты на оснастку (пресс-формы) делают этот метод непригодным для прототипирования в небольших масштабах.

 

3. Обработка на станках с ЧПУ

 

Обработка на станках с ЧПУ — один из самых популярных методов быстрого прототипирования. Это процесс обработки, включающий удаление материала с заготовки. Для прототипирования используются различные типы станков с ЧПУ, в том числе:

 

• Фрезерование на станках с ЧПУ
• Токарная обработка на станках с ЧПУ
• Фрезерование на станках с ЧПУ
• Многоосевая обработка на станках с ЧПУ
• Электроэрозионная обработка на станках с ЧПУ

 

Каждый из вышеперечисленных методов использует специализированные станки. Например, для фрезерования на станках с ЧПУ используется токарный станок с ЧПУ. Интересно, что станки с ЧПУ используют специальные компьютерные инструкции. Сначала необходимо создать CAD-модель, преобразовать ее в код и передать его на станок с ЧПУ.

 

Заготовка, которую необходимо обработать и придать ей форму, загружается на станок. После включения режущие инструменты, следуя инструкциям (закодированным), обрабатывают заготовку. При этом резцы удаляют материал с заготовки, создавая прототип, идентичный CAD-модели. Таким образом, вы получаете прототип из сырья с помощью станков с ЧПУ, вводя в него компьютерные данные.

 

Стоит ли рассматривать обработку на станках с ЧПУ для быстрого прототипирования? Да. Причина в том, что этот метод позволяет изготавливать прототипы с высокой точностью без потерь материала. Кроме того, с помощью станков с ЧПУ можно создавать прототипы как в крупном, так и в малом масштабе. Однако для прототипов различной формы могут потребоваться разные станки. Например, для изготовления цилиндрических изделий необходимы токарные станки.

 

4. Вакуумное литье

 

Вакуумное литье — еще один метод, используемый для мелкомасштабного прототипирования. Его основной принцип работы аналогичен принципу литья под давлением. Однако литье под давлением подходит для крупномасштабного производства. С другой стороны, вакуумное литье идеально подходит для небольшого количества прототипов. В этом методе прототипирования используется силиконовая форма, а не металлическая, используемая при литье под давлением.

 

Расплавленный материал (пластик) заливается в эту форму для создания объекта (прототипа). Примечательно, что заливка расплавленного материала в форму осуществляется в вакууме. Почему? Потому что это позволяет заливать материал без образования пузырьков воздуха внутри форм. В результате получаются изделия превосходного качества. Этот метод обычно предпочтительнее при изготовлении изделий, состоящих из нескольких деталей.

 

Как выбрать подходящий метод быстрого прототипирования?

 

Как обсуждалось выше, существуют различные методы прототипирования. Каждый процесс отличается от других по своей работе. Кроме того, некоторые процессы идеально подходят для большого количества прототипов, а другие — для небольшого. Вот несколько советов, которые помогут вам выбрать правильный метод быстрого прототипирования:

 

1. Требования к количеству

 

Прежде всего, проанализируйте, сколько прототипов вам нужно. Помните, что эти прототипы используются для убеждения инвесторов в целесообразности ваших проектов. Для 1–3 прототипов используйте 3D-печать. С другой стороны, вакуумное литье обычно считается лучшим вариантом для прототипов от 15 до 50. Наконец, литье под давлением лучше всего подходит, когда вам нужно большое количество прототипов, т.е. более 100.

 

2. Прочность и функциональность

 

В некоторых случаях вам понадобятся прототипы, которые будут прочнее и полностью функциональными. В таких случаях следует рассмотреть использование станков с ЧПУ. Этот метод использует металлические материалы для производства очень прочных прототипов. Кроме того, 3D-печать, особенно SLS, позволяет создавать полностью функциональные изделия из пластика. Литье под давлением и вакуумное литье не идеально подходят для изготовления прочных прототипов.

 

3. Требования к материалам

 

Быстрое прототипирование не ограничивается определенными материалами. Вместо этого вы можете использовать пластик, металл и резину в зависимости от ваших потребностей. Если вы хотите сделать пластиковый прототип, вам следует использовать 3D-печать. С другой стороны, обработка на станках с ЧПУ — лучший метод быстрого прототипирования для изготовления металлических прототипов. Вы можете использовать любой металл с этими методами прототипирования. Кроме того, вакуумное литье и литье под давлением совместимы как с резиной, так и с пластиком.

 

4. Сложность конструкции

 

Каждый метод быстрого прототипирования отличается от других по сложности конструкции. Я рекомендую использовать обработку на станках с ЧПУ для прототипирования сложных геометрических форм. С другой стороны, 3D-печать хорошо подходит для изделий с внутренними каналами или решетчатыми структурами. Наконец, литье под давлением и вакуумное литье схожи по сложности конструкции. С помощью этих методов можно создать сложную конструкцию, если у вас есть подходящая форма пресс-формы. Используемая пресс-форма должна соответствовать модели, которую вы хотите создать. Поскольку все методы используют компьютерные системы, они обеспечивают оптимальную точность для сложных геометрических форм.

 

5. Бюджет и время

 

Крайне важно выбрать метод быстрого прототипирования, соответствующий вашему бюджету. 3D-печать — самый дешевый способ быстрого изготовления прототипов. Аналогично, обработка на станках с ЧПУ обходится умеренно дорого, но отличается исключительной скоростью. Точность обработки на станках с ЧПУ также на высшем уровне, что делает этот метод наиболее подходящим для сложных проектов. Литье под давлением — самый дорогой метод прототипирования, поскольку он требует использования пресс-форм. Создание этих пресс-форм требует как времени, так и денег, что делает их непригодными для бюджетных проектов.

 

Заключение

 

В заключение, быстрое прототипирование — это отличный способ создания образцов продукции. Эта модель представляет собой небольшой тестовый образец, который помогает проверить качество и функциональность вашей идеи или концепции. Кроме того, вы можете использовать эту модель для своих инвесторов. Таким образом, вы можете убедить их инвестировать в ваши проекты.

 

В быстром прототипировании используются различные методы и процессы. Каждый из этих методов уникален и совместим с различными материалами. Вам придется выбрать процесс, который подходит для ваших материалов, требуемого количества и бюджета. В этой статье я подробно рассмотрел все аспекты быстрого прототипирования и его методы.