Nopea prototyypitys (rapid manufacturing) ohjeistus

By 13.12.2017Yleinen

Prototyypitys on ratkaiseva osa suunnitteluprosessia, mutta perinteisesti se on muodostanut pullonkaulan.

Tuotesuunnittelijat ja insinöörit luovat tilapäisiä soveltuvuusselvityksiä perustyövälineillä, mutta toimivien prototyyppien tuottamiseksi vaaditaan usein samoja prosesseja kuin lopullisissakin tuotteissa. Perinteiset valmistusmenetelmät, kuten ruiskuvalu tai CNC, edellyttävät kalliita työkaluja ja järjestelyjä, jotka tekevät pienikokoisista mukautetuista prototyypeistä kohtuuttoman kalliita.

Nopea prototyypitys auttaa yrityksiä muuttamaan ideat realistisesti toimiviksi konsepteiksi, kehittävät niistä korkealaatuisia prototyyppejä, jotka näyttävät ja toimivat kuten lopputuotteetkin ja jotka ohjataan useiden validointivaiheiden kautta massatuotantoon. Nopealla prototyypityksellä suunnittelijat sekä insinöörit voivat luoda prototyypit suoraan CAD-tiedostosta nopeammin kuin koskaan ennen ja suorittaa nopeita toistuvia tarkistuksia malleillaan reaalimaailmassa testattujen ja niistä saatujen palautteiden perusteella.

Tämän oppaan avulla opit miten nopea prototyypitys soveltuu tuotteen suunnitteluprosessiin, sen sovelluksiin ja mitkä nopean prototyypin työkalut ovat käytettävissä tämän päivän suunnitteluryhmille.

1. Mitä on nopea prototyypitys?
2. Miksi nopea prototyypitys?
3. Nopean prototyypityksen sovellukset
4. Nopean prototyypityksen työkalut

Mitä on nopea prototyypitys?

Nopea prototyypitys on ryhmä tekniikoita, joita käytetään nopeaan fyysisen osan tai kokoonpanon pienoismallin valmistamiseen käyttämällä kolmiulotteista tietokoneavusteista suunnittelutietoa (CAD). Koska nämä osat tai kokoonpanot ovat tavallisesti rakennettu käyttämällä lisäainetekniikoita perinteisen subtraktiivisen menetelmän sijasta, ilmaisusta on tullut synonyymi materiaalia lisäävälle valmistukselle ja 3D-tulostukselle.

Materiaalia lisäävä valmistus on luontaisesti yhteensopiva prototyypitykselle. Se tarjoaa lähes rajattoman vapauden muotoihin, ei vaadi työkaluja ja sillä voidaan tuottaa osia ominaisuuksiltaan hyvin lähellä toisiaan olevista eri materiaaleista, jotka on valmistettu perinteisillä valmistusmenetelmillä. 3D-tulostustekniikat ovat olleet olemassa jo 1980-luvulta lähtien, mutta niiden korkeat kustannukset ja monimutkaisuus ovat useimmiten rajoittaneet suurten yritysten käyttöönottoa tai pakottaneet pienten yritysten ulkoistamaan tuotannon niille erikoistuneille palveluille viikkojen odotuksilla iteraatioiden välillä.

Pöydille ja työtasoille sopivien 3D-tulostimien myötä tämä on muuttanut nykytilanteen ja innoittanut käyttöönottojen vyöryn, jolle ei ole loppua näkyvissä. Omien 3D-tulostimien ansiosta insinöörit ja suunnittelijat voivat nopeasti iteroida digitaalisten mallien ja prototyyppien välillä. Prototyypit on nyt mahdollista tuottaa päivässä ja reaalimaailmassa testattujen analysointien perusteella toteuttaa nopeita iteraatioita malliin, kokoon, muotoon tai kokoonpanoon. Loppujen lopuksi nopea prototyypitys auttaa yrityksiä saamaan parempia tuotteita kilpailijoitaan nopeammin markkinoille.

Miksi nopea prototyypitys?

Havannoi ja tutki konseptit nopeammin
Nopea prototyypitys nostaa alkuperäiset ideat matalariskiseen konseptien tutkimiseen, jotka näyttävät hetkessä samalta kuin oikeat. Se sallii suunnittelijoiden mennä virtuaalista visualisointia pidemmälle, mikä tekee helpommaksi ymmärtää mallin ulkoasua ja tuntumaa sekä verrata konsepteja vierekkäin.

Ilmaise ideat tehokkaasti

Fyysiset mallit antavat suunnittelijoille mahdollisuuden jakaa heidän konseptinsa kollegoiden, asiakkaiden ja yhteistyökumppaneiden kanssa herättääkseen ideoita sellaisilla tavoilla, jotka eivät ole mahdollisia näyttämällä pelkästään visualisoituja malleja näytöllä. Nopea prototyypitys helpottaa selkeää palautteen saamista, joka on tekijöiden kannalta olennaista mallien kehittämiselle ja parannuksille.

Suunnittele iteratiivisesti ja sisällytä muutokset välittömästi

Suunnittelu on aina toistuva prosessi, joka vaatii useita testauksia, arviointeja ja hienosäätöä ennen valmista lopputuotetta. Nopea prototyypitys 3D-tulostuksella taipuu realistisempien prototyyppien nopeaan luomiseen ja muutosten välittömään toteuttamiseen, nostaen sen merkittäväksi ”yritysten ja erehdysten kautta” prosessiksi.
Hyvässä mallissa on 24 tunnin suunnitteluvaihe: suunnittele työaikana, 3D-tulosta osat yön aikana, puhdista ja testaa seuraavana päivänä, muokkaa mallia ja toista työvaiheet.

Säästä aikaa ja kustannuksia

3D-tulostuksessa ei ole tarvetta kalliisiin työkaluihin ja järjestelyihin, samoilla välineillä voi tuottaa erilaista geometriaa. Talon sisällä tapahtuva prototyypitys eliminoi ulkoistamiseen liittyvät korkeat kustannukset ja toimitusajat.

Minimoi suunnittelun virheet perusteellisilla testauksilla

Tuotesuunnittelussa ja valmistuksessa virheiden löytäminen ja korjaaminen varhaisessa vaiheessa auttaa yrityksiä välttämään kalliiksi käyviä mallien uudelleen valmistusta ja työkalujen vaihtumista. Nopean prototyypityksen ansiosta insinöörit voivat testata perusteellisesti prototyyppejä, jotka näyttävät ja toimivat kuten lopputuotteet, vähentäen käytettävyyteen ja toteuttamiseen liittyviä riskejä ennen tuotantoon siirtymistä.

Nopean prototyypityksen sovellukset

Monien saatavilla olevien tekniikoiden ja materiaalien ansiosta nopea prototyypitys 3D-tulostuksella tukee suunnittelijoita ja insinöörejä koko tuotekehityksen ajan, alkuvaiheen konseptimalleista tekniseen suunnitteluun, validointiin ja tuotantoon.

Konsepti mallit

Konseptivaiheet tai POC (Proof of Contents) auttavat tuotesuunnittelijoita validoimaan ideoita ja olettamuksia sekä testaamaan tuotteen kannattavuutta. Fyysisillä konseptimalleilla voidaan demonstroida osakkeenomistajille idea, synnyttää keskustelua ja ajaa hyväksyntää tai hylkäämistä käyttämällä vähäriskisiä konseptitutkimuksia.

Avain menestyksekkääseen konseptimallinnukseen on nopeus, suunnittelijoiden on tuotettava runsaasti ideoita, ennen fyysisten mallien rakentamista ja arviointia. Tässä vaiheessa käytettävyys ja laatu ovat vähemmän tärkeitä ja ryhmät tukeutuvat ei-hyllytavarana-saataviin-osiin niin paljon kuin mahdollista.

3D-tulostimet ovat ihanteellisia työkaluja tukemaan konseptimallinnusta. Ne tarjoavat vertaansa vailla olevan läpimenoajan muuntaa tietokonetiedosto fyysiseksi prototyypiksi, mahdollistaen suunnittelijoille nopeamman testauksen useammilla konsepteilla. Päinvastoin kuin suurin osa työpaja- ja valmistusvälineistä, pöydälle sopivat 3D-tulostimet ovat toimistoystävällisiä säästäen niille varattua tilan tarvetta.

Toiminnalliset prototyypit

Tuotteen siirtyessä seuraavaan vaiheeseen yksityiskodista tulee yhä tärkeämpiä. 3D-tulostus antaa insinööreille mahdollisuuden luoda korkealaatuisia prototyyppejä, jotka edustavat yksityiskohtaisesti lopputuotetta. Tämä helpottaa suunnittelun, asennuksen, toiminnan ja valmistettavuuden varmistamista ennen investointia kalliisiin työkaluihin ja siirtymistä tuotantoon, kun muutoksiin kuluva aika ja siitä aiheutuvat kustannukset tulevat yhä kohtuuttomimmiksi.

Perinteisellä valmistusprosessilla, kuten ruiskuvalulla valmistettuja osia voidaan kehittyneimmillä 3D-tulostusmateriaaleilla saada vastaamaan tarkasti niiden ulkonäköä, tuntua sekä materiaaliominaisuuksia. Eri materiaalit voivat jäljitellä osia hienoilla yksityiskohdilla ja pintakuvioinnilla, sileillä ja pienikitkaisilla pinnoilla, jäykillä ja lujatekoisilla koteloilla tai pehmeillä ja kirkkailla komponenteilla.

3D-tulostetut osat voidaan viimeistellä jatkokäsittelymenetemillä, kuten hiomalla, kiillottamalla, maalaamalla tai galvanoimalla replikoitaessa mitä tahansa lopullisen osan visuaalisia ominaisuuksia sekä työstämällä useita osia ja materiaaleja samoin kuin kokoonpanoja luotaessa monista osista ja materiaaleista.

Tekninen prototyyppi edellyttää laaja-alaisia toiminnallisia testauksia, jotta voidaan selvittää osan tai kokoonpanon toiminnallisuus, kun se altistetaan kenttäkäytön rasitteille ja olosuhteille. 3D-tulostus tarjoaa teknistä muovia lämmön ja kemikaalin mekaanisia rasituksia kestäviin korkean suorituskyvyn prototyyppeihin. Teknologia tarjoaa myös tehokkaan ratkaisun testauslaitteiden luomiseen toiminnallisten testausten ja sertifiointien yksinkertaistamiseksi keräämällä johdonmukaista tietoja.

Esivalmistus ja valmistus

Loistava prototyyppi on vain puolet voitosta, mallin pitää olla toistettavissa ja taloudellisesti valmistettavissa, jotta siitä saadaan menestyvä lopputuote. Valmistettavuuteen liittyvä suunnittelu (DFM) tasapainottaa mallin estetiikkaa ja toiminnallisuutta ottaen huomioon lopputuotteelle asetetut vaatimukset. DFM mahdollistaa valmistusprosessin valmistuskustannusten vähentämisen ja osakohtaisten kustannusten pitämisen vaaditun tason alapuolella.

Nopean prototyypityksen ansiosta insinöörit voivat luoda pieniä valmistussarjoja, kertaluonteisesti mukautettuja ratkaisuja sekä osakokoonpanoja tekniikan ja suunnittelun validoinnin (EVT ja DVT) rakentamiseen valmistettavuuden testaamiseksi.Kolmiulotteinen tulostus helpottaa toleranssien testaamista varsinaista valmistusprosessia ajatellen kattavien sekä talonsisäisten että kenttätestien tekemiseen ennen massatuotantoon siirtymistä. 3D-tulostus tukee myös tuotantoa työkalujen prototyypeillä, muoteilla, jigeillä sekä kiinnittimillä tuotantolinjalle.

3D-tulostuksen suunnittelun ei tarvitse loppua tuotannon alkaessa. Nopeat prototyypityksen työkalut mahdollistavat suunnittelijoiden ja insinöörien tuotteiden jatkuvan kehittämisen sekä nopean ja tehokkaan ongelmienratkaisemisen linjalla jigien ja kiinnittimien avulla, jotka parantavat kokoonpano tai QA-prosesseja.

Nopean prototyypityksen työkalut

On olemassa monia nopeita prototyypitystekniikoita ja valinta näiden eri ratkaisujen välillä voi olla vaikeaa. Oletko kiinnostunut saamaan selville, mikä nopea prototyypitystyökalu sopii parhaiten sinun erityisiin käyttötarkoituksiin?

Seuraavassa artikkelissamme tutkimme tarkemmin tämän päivän 3D-tulostuksessa vakiintuneimpaan 3D-tulostuksessa käytettävään teknologiaan, FDM tekniikkaan, stereolitografia tekniikkaan (SLA) sekä selective laser sintering tekniikkaan (SLS).

Lähde:  FORMLABS

css.php