Pikaprototypointi on nopea suunnitteluprosessi, johon kuuluu fyysisen osan, mallin tai rakennuksen ideointi, prototyyppien rakentaminen ja testaus 3D-tietokoneavusteisen suunnittelun (CAD) avulla. Osan, mallin tai kokoonpanon rakentaminen tapahtuu tyypillisesti additiivisen valmistuksen avulla, joka tunnetaan myös nimellä 3D-tulostus. Additiivinen valmistus kuvaa teknologiaa, jota käytetään 3D-esineiden rakentamiseen lisäämällä materiaalia kerros kerrokselta.
Tuotteen kuvaamiseen käytetään kahdenlaisia prototyyppejä. High-fidelity-prototyyppi on sellainen, jossa suunnittelu vastaa suunniteltua lopputuotetta. Kun taas low fidelity -tyyppi on sellainen, jossa prototyypin ja lopputuotteen välillä on selvä ero.
Miten Rapid Prototyping toimii?
Rapid prototyping (RP) kuvaa monia eri valmistustekniikoita. Käytetyin RP on additiivinen valmistus. Muita RP:ssä yleisesti käytettyjä tekniikoita ovat kuitenkin valu, muovaus, suulakepuristus ja nopea työstö.
Käytettäessä additiivista valmistusta nopeassa prototyyppien valmistuksessa voidaan prototyyppien rakentamiseen käyttää erilaisia vakiintuneita prosesseja.
Nämä prosessit ovat:
- Subtraktiivinen: Materiaalikappale viipaloidaan halutun muodon luomiseksi hiomalla, sorvaamalla tai jyrsimällä.
- Puristava: Puolikiinteä tai nestemäinen materiaali muutetaan haluttuun muotoon ennen kovettumista, kuten valussa, muotissa tai puristussintrauksessa.
Mitkä ovat nopean prototyyppien valmistuksen eri tyypit?
Stereolitografia (SLA) tai Vat-valopolymerointi
Tämä on additiivinen valmistusprosessi, joka on nopea ja edullinen. Tämä tekniikka oli aivan ensimmäinen toimiva 3D-tulostusmenetelmä. Se toimii käyttämällä valoherkän nesteen säiliötä. Tämä neste muutetaan sitten kiinteäksi kerroksittain tietokoneohjatun ultraviolettivalon (UV-valo) avulla. Tämä prosessi on peruuttamaton, eikä SLA-osia voida palauttaa takaisin nestemäiseen muotoon.
Selektiivinen lasersintraus (SLS)
SLS on additiivinen valmistustekniikka, jota käytetään metalli- ja muoviprototyyppien valmistukseen. Siinä käytetään jauhekerroksia prototyypin luomiseksi käyttäen suuritehoista laseria jauhemaisen materiaalin lämmittämiseen ja sintraamiseen. SLS-osat ovat SLA:ta heikompia. SLS on kuitenkin edullinen, vaatii vain vähän aikaa ja työvoimaa ja tarjoaa korkean tuottavuuden. Lisäksi valmiin tuotteen pinta on karkea ja vaatii enemmän työtä valmiin tuotteen saamiseksi.
Fused Deposition Modelling (FDM) tai Material Jetting
FDM on additiivinen valmistusprosessi, joka on edullinen, nopea, halpa ja helppokäyttöinen prosessi. Tämä tekee siitä ihanteellisen tuotekehitykseen. FDM voi sijaita monissa ei-teollisissa pöytä-3D-tulostimissa. Se luo fyysisen esineen alhaalta ylöspäin käyttämällä termoplastista filamenttia, joka sulatetaan tulostussuuttimen piipun sisällä. Tulostimen suutin liikkuu edestakaisin asettaen nestemäistä muovia kerros kerrokselta tietokoneen laskeutumisohjelman avulla.
Selektiivinen lasersulatus (SLM) tai jauhepetisulatus (PBF)
Tämä on fanien suosima additiivinen valmistustekniikka, koska sen prosessi on suhteellisen edullinen ja sen avulla valmistetaan lujia ja monipuolisia osia. SLM:ää käyttävät tyypillisesti autoteollisuuden, ilmailu- ja avaruusalan, lääketieteen ja puolustusteollisuuden yritykset. PBF-menetelmässä käytetään joko elektronisuihkua tai suurhiukkaslaseria sulattamaan kerroksittain ja sulattamaan materiaalijauheet yhteen joko prototyypin tai tuotantokappaleen luomiseksi. PBF-menetelmässä käytetään mitä tahansa jauhepohjamateriaalia, mutta yleisimpiä RP:ssä käytettyjä materiaaleja ovat koboltti-kromiseokset, alumiini, ruostumaton teräs, kupari ja titaani.
Laminated Object Manufacturing (LOM) tai Sheet Lamination
Tämä on suhteellisen edullinen prosessi, joka ei ole yhtä monimutkainen kuin SLM tai SLS. LOM:n etuna on se, että erityisiä ohjausolosuhteita ei tarvita. LOM toimii kokoamalla kerroksittain muovi-, metalli- ja keraamisia materiaaleja, jotka on jo leikattu lasersäteillä tai muulla leikkausmekanismilla CAD-mallin luomiseksi. Jokainen materiaalikerros liimataan liimalla edellisen päälle, kunnes komponentti on valmis. Yksi ongelma tämäntyyppisessä additiivisessa valmistuksessa on se, että keraamiset osat on puhdistettava, mikä tekee siitä työvoimavaltaista, ja siihen liittyy pidempiä käsittelyaikoja.
Digitaalinen valonkäsittely (DLP)
DLP muistuttaa paljon SLA-tekniikkaa siinä mielessä, että DLP:ssä käytetään myös hartsien polymerisaatiota, jotka kovetetaan(kovetetaan) valonlähteen avulla. DLP:n valonlähde on projektorista tuleva UV-valo, kun taas SLA:n valonlähde on UV-lasersäde. Vaikka DLP on nopeampi ja halvempi kuin SLA, DLP tarvitsee yleensä tukirakenteita ja jälkihoitoa.
Muoto DLP:stä on CLIP (Continuous Liquid Interface Production). CLIP käyttää digitaalista valoprojisointia muodostaakseen osan, joka vedetään jatkuvasti sammiosta, eikä siinä käytetä kerroksia. Kun materiaalia vedetään sammiosta, siihen projisoidaan UV-kuvia sen muodon muuttamiseksi. Tämä kovettaa osan ja luo prototyypin.
Binder Jetting
Tällä additiivisella valmistustekniikalla voidaan tulostaa yksi tai useampi osa samanaikaisesti. SLS:ään verrattuna luodut osat eivät ole yhtä vahvoja. Tämä prosessi toimii käyttämällä suuttimia, joilla suihkutetaan nestemäisiä sideaineita yhdistämään jauhepartikkeleita, jotka luovat yhden kerroksen kappaleesta. Kerros kerrokselta jauhe lisätään, tiivistetään ja levitetään telalla ja lisätään sideainetta. Viime kädessä osa syntyy jauheen ja sideaineen kerrostamisesta. Kun osa on valmis, se kovetetaan uunissa sideaineen poistamiseksi, jolloin jauhe sulautuu valmiiksi tuotteeksi.
Sovellukset
Tuotesuunnittelijat, insinöörit ja kehitystiimit käyttävät näitä prosesseja prototyyppien osien nopeaan valmistukseen. Prototyypit ovat erittäin hyödyllisiä tuotesuunnittelijoille, koska osat auttavat visualisoinnissa, suunnittelussa ja valmistusprosessin kehittämisessä ennen massatuotantoa.
Pikaprototyyppien valmistus on ollut käytössä 1980-luvun lopulta lähtien, ja sitä käytettiin alun perin osien ja pienoismallien luomiseen autoteollisuutta varten. Sittemmin sitä on sovellettu monilla eri teollisuudenaloilla, kuten lääketieteessä ja ilmailu- ja avaruusteollisuudessa. Yksi sovellus hammaslääketieteellisessä teollisuudessa on se, että RP:tä käytetään erilaisten hammaslääketieteellisten muottien, kuten kruunujen, luomiseen.
Loppujen lopuksi nopea työkalujen valmistus on toinen RP:n sovellus, jonka avulla henkilö voi valmistaa tuotteen nopeasti ja edullisesti. Se on muotin luomista lyhennetyssä ajassa. Rapid toolingissa luodaan osa, kuten ultraäänianturin kiila, jota käytetään työkaluna eri prosessissa.
Mitkä ovat edut?
Luettelo rapid prototypingin eduista on loputon. RP:n avulla tuotesuunnittelija, insinöörit ja tuotekehitystiimit näkevät täydellisemmän kuvan siitä, miltä heidän tuotteensa tulee näyttämään tai toimimaan suunnittelu- ja valmistusprosessin alussa. Tämä mahdollistaa muutosten tai parannusten tekemisen prosessin alkuvaiheessa, mikä säästää suunnittelijan aikaa ja rahaa. RP:n kesto voi vaihdella muutamasta päivästä kuukausiin, ja se riippuu pitkälti käytetystä additiivisesta valmistustekniikasta.
Kaksi muuta RP:n suurta etua ovat kustannustehokkuus ja tarkkuus. RP on erittäin edullinen tapa prototyypittää tuotteita, koska se on automatisoitu prosessi, jonka käyttämiseen ei tarvita paljon ihmisiä. Se on myös kustannustehokas, koska RP:n avulla voidaan toimia nopeasti ja ratkaista mahdolliset ongelmat, jotta voidaan vähentää kalliiden virheiden riskiä valmistusvaiheessa. RP on erittäin tarkka tekniikka, koska sitä voidaan käyttää tietokoneavusteisen suunnittelun (CAD) kanssa. Tämä mahdollistaa sen, että hukkaan menevän materiaalin määrää voidaan vähentää, eikä erityistyökaluja tarvita kunkin yksittäisen tuotteen prototyypin luomiseen.
RP:n avulla suunnittelijat voivat näyttää ainutlaatuisia ideoitaan hallituksen jäsenille, asiakkaille ja sijoittajille tavalla, jonka avulla he voivat ymmärtää ja hyväksyä tuotteen. Asiakkaat ja asiakkaat pystyvät antamaan suunnittelijoille tarkempaa palautetta, koska he voivat nähdä, miltä tuote todella näyttää, perustuen fyysiseen tuotteeseen, jonka he voivat nähdä ja koskettaa, sen sijaan, että heidän pitäisi kuvitella tai havainnoida sitä visuaalisesti 2D-piirroksessa.
Lopulta RP-prosessi poistaa tarpeen luoda räätälöityjä tuotteita tyhjästä. Se on vuorovaikutteinen prosessi, joka mahdollistaa asiakkaiden tarpeiden sisällyttämisen suunnitteluun kohtuuhintaisin keinoin. Tämän prosessin ansiosta RP tarjoaa asiakkaille enemmän valinnanvaraa ja joustavuutta.
Mitä se maksaa?
Kustannukset vaihtelevat suuresti riippuen monista eri tekijöistä. Näitä tekijöitä ovat mm. kappaleen fyysinen koko, työstömenetelmä, määrä, pintakäsittely, kappaleen valmistukseen käytetty määrä eli materiaalin määrä, työvoimakustannukset ja se, kuinka paljon jälkikäsittelyä on tehtävä.