Быстрое прототипирование - методы, инструменты и примеры

Быстрое прототипирование — это совокупность методов, используемых для быстрого изготовления физической детали или сборки по трехмерному проекту. С помощью быстрого прототипирования инженеры и дизайнеры могут создать лучший конечный продукт, повторяя несколько раз итерации между цифровыми проектами и физическими прототипами в рамках быстрого и экономически эффективного рабочего процесса.

С помощью инструментов быстрого прототипирования, таких как 3D-принтеры Formlabs, любой может превратить идеи в реалистичные доказательства концепции и развить эти концепции до высокоточных прототипов, которые действительно выглядят и работают как готовые продукты. Что еще лучше, 3D-печатные прототипы экономически эффективны, позволяя командам создавать десятки доступных прототипов с быстрым сроком выполнения.

В этом руководстве мы покажем реальные примеры быстрых прототипов от ведущих компаний, и вы узнаете основы быстрого прототипирования, его применения и то, как 3D-печать может помочь вам быстро и экономично разрабатывать прототипы.

Быстрое прототипирование против Прототипирования
Прототипирование — это ключевая часть процесса разработки продукта, но традиционно оно было узким местом.

Промышленные дизайнеры и инженеры создавали импровизированные модели для проверки концепции с помощью базовых инструментов, но производство функциональных прототипов и деталей качества производства часто требовало тех же процессов, что и готовые продукты. Традиционные производственные процессы, такие как литье под давлением, требуют дорогостоящей оснастки и настройки, что делает малосерийные, нестандартные прототипы непомерно дорогими.

С другой стороны, быстрое прототипирование помогает компаниям быстро превращать идеи в реалистичные доказательства концепции, развивать эти концепции до высокоточных прототипов, которые выглядят и работают как готовые продукты, и направлять продукты через серию этапов валидации к массовому производству.

С помощью быстрого прототипирования дизайнеры и инженеры могут создавать прототипы непосредственно из цифровых моделей, созданных в программном обеспечении САПР, быстрее, чем когда-либо, и выполнять быстрые и частые доработки своих проектов на основе реальных испытаний и обратной связи.

3D-печать для быстрого прототипирования

Поскольку быстрые прототипы обычно создаются с использованием аддитивных технологий, в отличие от традиционных субтрактивных методов, этот термин стал синонимом аддитивного производства и 3D-печати.

3D-печать — это естественное решение для прототипирования продуктов. Она обеспечивает почти неограниченную свободу форм, не требует оснастки и может производить детали с механическими свойствами, близко соответствующими различным материалам, изготовленным с помощью традиционных методов производства. Технологии 3D-печати существуют с 1980-х годов, но их высокая стоимость и сложность в основном ограничивали использование крупными корпорациями или вынуждали меньшие компании передавать производство на аутсорсинг специализированным сервисам, ожидая недели между последующими итерациями.

Используя 3D-печать, дизайнеры могут быстро перебирать итерации между цифровыми проектами и физическими прототипами и быстрее выходить на производство.

Появление настольных и настольных 3D-принтеров изменило этот статус-кво и вызвало массовый всплеск внедрения, который не показывает признаков остановки. С помощью внутризаводской 3D-печати инженеры и дизайнеры могут быстро перебирать итерации между цифровыми проектами и физическими прототипами. Теперь возможно создавать прототипы в течение дня и выполнять несколько итераций дизайна, размера, формы или сборки на основе результатов реальных испытаний и анализа. В конечном счете, процесс быстрого прототипирования помогает компаниям выводить на рынок лучшие продукты быстрее, чем их конкуренты.

Преимущества быстрого прототипирования

Реализуйте и Исследуйте Концепции Легко
Быстрое прототипирование возводит первоначальные идеи в низкорисковые исследования концепций, которые выглядят как реальные продукты в мгновение ока. Оно позволяет дизайнерам выходить за рамки виртуальной визуализации, облегчая понимание внешнего вида и ощущений от дизайна и сравнение концепций бок о бок.

Эффективно Сообщайте Идеи
Физические модели позволяют дизайнерам делиться своими концепциями с коллегами, клиентами и сотрудниками, чтобы передавать идеи способами, невозможными при простой визуализации проектов на экране. Быстрое прототипирование способствует получению ясной, действенной обратной связи от пользователей, которая необходима создателям для понимания потребностей пользователей, а затем для уточнения и улучшения их проектов.

3D-печатный быстрый прототип часов, произведенный с помощью 3D-принтера Form 3 SLA, рядом с конечным продуктом.

Экономьте Стоимость и Время
При 3D-печати нет необходимости в дорогостоящей оснастке и настройке; одно и то же оборудование можно использовать для производства различных геометрий. Внутризаводское быстрое прототипирование устраняет высокие затраты и время выполнения заказа, связанные с аутсорсингом.

Прототип лавинной лопаты

	Form 4L -  Grey Resin	Аутсорсинг
Время	8 часов	7 дней
Стоимость	$45	$1000

Проектируйте Итеративно и Мгновенно Вносите Изменения
Дизайн — это всегда итеративный процесс, требующий нескольких раундов тестирования, оценки и доработки, прежде чем получить конечный продукт. Быстрое прототипирование с 3D-печатью обеспечивает гибкость для создания более реалистичных прототипов быстрее и мгновенного внедрения изменений, возвышая этот ключевой процесс проб и ошибок.

Последовательные итерации захвата робота для подбора и размещения, прототипированные на SLA-принтерах Formlabs.

Хорошая модель — это 24-часовой цикл проектирования: проектирование в течение рабочего дня, 3D-печать деталей прототипа ночью, очистка и тестирование на следующий день, корректировка дизайна, затем повторение.

Тщательно Тестируйте и Сводите к Минимуму Конструктивные Недостатки
В проектировании и производстве продуктов раннее обнаружение и исправление конструктивных недостатков может помочь компаниям избежать дорогостоящих изменений в конструкции и оснастке в будущем.

Быстрое прототипирование позволяет инженерам тщательно тестировать прототипы, которые выглядят и работают как конечные продукты, снижая риски проблем с удобством использования и технологичностью изготовления до перехода к производству.

Типы быстрого прототипирования
Благодаря разнообразию доступных технологий и материалов, быстрое прототипирование поддерживает дизайнеров и инженеров на протяжении всей разработки продукта, от начальных концепт-моделей до инжиниринга, валидационного тестирования и производства.

Прототипы для проверки концепции (PoC) и Концепт-модели
Концепт-модели или прототипы для проверки концепции (POC) помогают продуктовым дизайнерам проверять идеи и предположения и тестировать жизнеспособность продукта. Физические концепт-модели могут продемонстрировать идею заинтересованным сторонам, создать обсуждение и способствовать принятию или отклонению с помощью низкорисковых исследований концепций.

Прототипирование PoC происходит на самых ранних стадиях процесса разработки продукта, и эти прототипы включают минимальную функциональность, необходимую для проверки предположений, прежде чем переводить продукт на последующие стадии разработки.

Доказательство концепции должно быть простым, достаточно лишь имитировать, как продукт работает. Например, POC для зарядной станции может быть просто 3D-печатный корпус, подключенный к стандартному USB-кабелю для зарядки.

Ключ к успешному концептуальному моделированию — скорость; дизайнерам необходимо генерировать множество идей, прежде чем создавать и оценивать физические модели. На этом этапе удобство использования и качество менее важны, и команды максимально полагаются на готовые детали.

Дизайнеры из швейцарской студии дизайна и консалтинга Panter&Tourron использовали SLA 3D-печать, чтобы перейти от концепции к демонстрации за две недели.

3D-принтеры являются идеальными инструментами для поддержки концептуального моделирования. Они обеспечивают непревзойденное время выполнения заказа для преобразования компьютерного файла в физический прототип, позволяя дизайнерам быстро тестировать дополнительные концепции. В отличие от большинства мастерских и производственных инструментов, настольные 3D-принтеры удобны для офиса, избавляя от необходимости выделенного пространства.

Прототипы для визуализации

Прототипы для визуализации представляют конечный продукт на абстрактном уровне, но могут не иметь многих его функциональных аспектов. Их цель — дать лучшее представление о том, как будет выглядеть конечный продукт и как конечный пользователь будет с ним взаимодействовать. Эргономика, пользовательские интерфейсы и общее пользовательское восприятие могут быть проверены с помощью прототипов, похожих на внешний вид, прежде чем тратить значительное время на проектирование и разработку для полного создания функций продукта.

Разработка прототипов, похожих на внешний вид, обычно начинается с эскизов, моделей из пенопласта или глины, затем переходит к моделированию САПР. По мере того как циклы проектирования прогрессируют от одной итерации к другой, прототипирование перемещается туда и обратно между цифровыми рендерами и физическими моделями. По мере финализации дизайна команды промышленного дизайна стремятся создавать прототипы, похожие на внешний вид, которые точно напоминают конечный продукт, используя фактические цвета, материалы и отделки (CMF), которые они указывают для конечного продукта.

Функциональные прототипы
Параллельно процессу промышленного дизайна инженерные команды работают над другим набором прототипов для тестирования, итерации и доработки механических, электрических и тепловых систем, составляющих продукт. Эти прототипы, похожие на работу, могут выглядеть иначе, чем конечный продукт, но они включают в себя основные технологии и функции, которые необходимо разработать и протестировать.

Часто эти критические основные функции разрабатываются и тестируются в отдельных подразделениях, прежде чем быть интегрированными в единый прототип продукта. Этот подход к подсистемам изолирует переменные, облегчая командам разделение ответственности и обеспечение надежности на более детальном уровне, прежде чем объединять все элементы вместе.

Инженерные Прототипы
Инженерный прототип — это место, где встречаются дизайн и инжиниринг, чтобы создать минимально жизнеспособную версию конечного коммерческого продукта, спроектированного для производства (DFM). Эти прототипы используются для лабораторного пользовательского тестирования с группой избранных пользователей, для передачи производственных намерений специалистам по оснастке на последующих этапах и для использования в качестве демонстратора на первых встречах по продажам.

На этом этапе детали становятся все более важными. 3D-печать позволяет инженерам создавать высокоточные прототипы, которые точно представляют готовый продукт. Это облегчает проверку конструкции, подгонки, функции и технологичности изготовления до инвестирования в дорогостоящую оснастку и перехода к производству, когда время и стоимость внесения изменений становятся все более недоступными.

Производитель камер для дайвинга Paralenz использовал 3D-печать для создания функциональных прототипов, которые выдерживали испытания на глубине более 200 метров ниже уровня моря.

Передовые материалы для 3D-печати могут тесно соответствовать внешнему виду, ощущениям и материальным характеристикам деталей, произведенных с помощью традиционных производственных процессов, таких как литье под давлением. Различные материалы могут имитировать детали с мелкими деталями и текстурами, поверхностями с мягким прикосновением, гладкими и с низким трением, жесткими и прочными корпусами или прозрачными компонентами. Детали, напечатанные на 3D-принтере, могут быть доработаны с помощью вторичных процессов, таких как шлифовка, полировка, покраска или гальваника, чтобы воспроизвести любой визуальный атрибут конечной детали, а также нарезаны резьбой для создания сборок из нескольких деталей и материалов.

Инженерные прототипы требуют обширного функционального тестирования и тестирования на удобство использования, чтобы увидеть, как деталь или сборка будут функционировать при воздействии нагрузок и условий использования в полевых условиях. 3D-печать предлагает инженерные пластмассы для высокопроизводительных прототипов, которые могут выдерживать термические, химические и механические нагрузки.

Валидационное тестирование и производство

Быстрое прототипирование позволяет инженерам создавать малые серии, индивидуальные решения и сборочные узлы для инженерных, конструкторских и валидационных сборок (EVT, DVT, PVT) для тестирования технологичности изготовления.

3D-печать облегчает тестирование допусков с учетом реального производственного процесса и проведение комплексных внутризаводских и полевых испытаний до перехода к массовому производству.

Быстрая 3D-печатная оснастка также может быть скомбинирована с традиционными производственными процессами, такими как литье под давлением, термоформование или силиконовое литье, для улучшения производственных процессов за счет повышения их гибкости, маневренности, масштабируемости и рентабельности. Эта технология также предоставляет эффективное решение для создания пользовательских испытательных приспособлений и фиксаторов для упрощения функционального тестирования и сертификации путем сбора последовательных данных.

Компания по проектированию медицинских устройств Coalesce использует пользовательские приспособления для внутризаводского тестирования.

С 3D-печатью проектирование не должно заканчиваться с началом производства. Инструменты быстрого прототипирования позволяют дизайнерам и инженерам постоянно улучшать продукты и быстро и эффективно реагировать на проблемы на линии с помощью приспособлений и фиксаторов, которые улучшают процессы сборки или контроля качества.

Инструменты и методы быстрого прототипирования

3D-принтеры для быстрого прототипирования
Быстрое прототипирование по существу стало синонимом аддитивного производства и 3D-печати. Существует несколько доступных процессов 3D-печати, наиболее часто используемыми для быстрого прототипирования являются моделирование методом наплавления (FDM), стереолитография (SLA), селективное лазерное спекание (SLS).

Моделирование методом наплавления (FDM)
FDM 3D-печать, также известная как изготовление нитей (FFF), — это метод 3D-печати, который строит детали путем плавления и экструдирования термопластической нити, которую сопло принтера осаждает слой за слоем в области построения.

FDM является наиболее широко используемой формой 3D-печати на потребительском уровне, подпитываемой появлением любительских 3D-принтеров. Однако профессиональные FDM-принтеры также популярны как среди дизайнеров, так и среди инженеров.

FDM имеет самое низкое разрешение и точность по сравнению с другими процессами пластиковой 3D-печати и не является лучшим вариантом для печати сложных конструкций или деталей с замысловатыми особенностями. Более качественная отделка может быть получена с помощью химических и механических процессов полировки. Некоторые профессиональные FDM 3D-принтеры используют растворимые поддержки, чтобы смягчить некоторые из этих проблем.

FDM работает с рядом стандартных термопластов, таких как ABS, PLA и их различные смеси, в то время как более продвинутые FDM-принтеры также предлагают более широкий спектр инженерных термопластов или даже композитов. Для быстрого прототипирования FDM-принтеры особенно полезны для производства простых деталей, таких как детали, которые обычно могут быть обработаны на станке.

Стереолитография (SLA)
SLA 3D-принтеры используют лазер для отверждения жидкой смолы в затвердевший пластик в процессе, называемом фотополимеризацией. SLA является одним из самых популярных процессов среди профессионалов благодаря своему высокому разрешению, точности и универсальности материалов.

SLA 3D-печать предлагает самый широкий спектр материалов для быстрого прототипирования с оптическими, механическими и термическими свойствами.

Детали SLA имеют самое высокое разрешение и точность, самые четкие детали и самую гладкую поверхность из всех технологий пластиковой 3D-печати, что делает SLA отличным вариантом для высокоточных прототипов-макетов и функциональных прототипов, которые требуют жестких допусков.

Однако главное преимущество SLA заключается в универсальности его библиотеки смол. Производители материалов создали инновационные составы фотополимерных смол SLA с широким спектром оптических, механических и термических свойств, соответствующих свойствам стандартных, инженерных и промышленных термопластов.

С Fast Model Resin, SLA 3D-печать также является одним из самых быстрых инструментов прототипирования, до 10 раз быстрее, чем FDM 3D-печать.

Сравнение скорости печати: Игровой контроллер

	FDM 3D-печать	SLA 3D-печать	SLS 3D-печать
1 сборка (3 детали)	10 ч 32 мин	2 ч 36 мин	3 ч 52 мин печати (6 ч 52 мин охлаждения)
5 сборок (15 деталей)	52 ч 40 мин	13 ч	9 ч 38 мин печати (13 ч 47 мин охлаждения)

Сравниваемые принтеры и параметры печати:

• FDM 3D-принтер: Bambu Lab X1, PLA Basic, высота слоя 120 микрон, плотность заполнения 15%

• SLA 3D-принтер: Form 4, Серая смола, высота слоя 100 микрон

• SLS 3D-принтер: Fuse 1+ 30W, Nylon 12 Powder (нейлоновый порошок), высота слоя 110 микрон

FDM 3D-принтер: Bambu Lab X1, PLA Basic, высота слоя 120 микрон, плотность заполнения 15%
SLA 3D-принтер: Form 4, Серая смола, высота слоя 100 микрон
SLS 3D-принтер: Fuse 1+ 30W, Nylon 12 Powder, высота слоя 110 микрон

 

Селективное лазерное спекание (SLS)
Селективное лазерное спекание является наиболее распространенной технологией аддитивного производства для промышленного применения, которой доверяют инженеры и производители в различных отраслях благодаря ее способности производить прочные, функциональные детали.

SLS 3D-принтеры используют мощный лазер для сплавления мелких частиц полимерного порошка. Несплавленный порошок поддерживает деталь во время печати и устраняет необходимость в специальных опорных структурах. Это делает SLS идеальным для сложных геометрий, включая внутренние особенности, подрезы, тонкие стенки и отрицательные элементы. Детали, произведенные с помощью SLS-печати, имеют отличные механические характеристики, с прочностью, напоминающей литые под давлением детали.

SLS 3D-печать может производить прочные, функциональные прототипы, похожие на работу, и инженерные прототипы для тщательного функционального тестирования продуктов (например: воздуховоды, кронштейны) и получения отзывов от клиентов в полевых условиях.

Инструменты с ЧПУ для быстрого прототипирования
Инструменты с компьютерным числовым программным управлением (ЧПУ) — в отличие от FDM, SLA или SLS — являются субтрактивными производственными процессами. Они начинаются с твердых блоков, стержней или прутков из пластика, металла или других материалов, которым придается форма путем удаления материала посредством резки, растачивания, сверления и шлифования.

Инструменты с ЧПУ включают фрезерную обработку с ЧПУ, которая удаляет материал либо с помощью вращающегося инструмента и неподвижной детали (фрезерование), либо с помощью вращающейся детали с неподвижным инструментом (токарный станок). Лазерные резаки используют лазер для гравировки или резки широкого спектра материалов с высокой точностью. Водяные резаки используют воду, смешанную с абразивом и высоким давлением, чтобы разрезать практически любой материал. Фрезерные и токарные станки с ЧПУ могут иметь несколько осей, что позволяет им управлять более сложными проектами. Лазерные и водяные резаки больше подходят для плоских деталей.

Инструменты с ЧПУ могут формировать детали из пластиков, мягких металлов, твердых металлов (промышленные станки), дерева, акрила, камня, стекла, композитов. По сравнению с инструментами аддитивного производства, инструменты с ЧПУ более сложны в настройке и эксплуатации, в то время как некоторые материалы и конструкции могут требовать специальной оснастки, обработки, позиционирования и обработки, что делает их дорогостоящими для единичных деталей по сравнению с аддитивными процессами.

В быстром прототипировании они идеальны для простых конструкций, конструкционных деталей, металлических компонентов и других деталей, которые нецелесообразно или неэкономично производить с помощью аддитивных инструментов.

Сравнение инструментов быстрого прототипирования

Критерий	FDM (Напыление филамента)	SLA (Стереолитография)	SLS (Селективное лазерное спекание)	Станки ЧПУ
Разрешение/Детализация	★★☆☆☆	★★★★★	★★★★☆	★★★★★
Точность	★★★★☆	★★★★★	★★★★★	★★★★★
Качество поверхности	★★☆☆☆	★★★★★	★★★★☆	★★★★★
Простота использования	★★★★★	★★★★★	★★★★☆	★★★☆☆
Сложные геометрии	★★★☆☆	★★★★☆	★★★★★	★★★☆☆
Рабочая камера	До 300×300×600 мм (настольные)	До 353×196×350 мм (настольные)	До 165×165×300 мм (настольно-промышленные)	Зависит от станка
Материалы	Стандартные термопласты (ABS, PLA и их производные).	Различные фотополимеры: стандартные, инженерные, литейные, стоматологические.	Инженерные термопласты, например, нейлон и его композиты.	Пластики, металлы, дерево, стекло, композиты.
Типичное применение	Базовые концепт-модели, недорогое прототипирование простых деталей.	Высокодетализированные прототипы, требующие гладких поверхностей и точных допусков.	Функциональные прототипы и детали со сложной геометрией.	Простые и структурные детали, металлические компоненты.
Диапазон цен	От $200 (любительские) до $15 000+ (промышленные).	От $200 до $25 000 (в зависимости от размера и назначения).	От ~$30 000 (настольные) до $200 000+ (промышленные).	От $500 (граверы) до $20 000+ (промышленные).

Услуги быстрого прототипирования против Внутреннего быстрого прототипирования
Аутсорсинг быстрого прототипирования сервисным бюро рекомендуется, когда вам требуется всего несколько деталей время от времени, а также для деталей, которые являются большими или требуют нестандартных материалов. Услуги быстрого прототипирования, такие как Hubs, Protolabs, Fictiv или местные сервисные бюро, предлагают услуги прототипирования и малосерийного производства по требованию. Эти бюро обычно имеют несколько доступных технологий, включая аддитивные и субтрактивные процессы, а также быструю оснастку. Они также могут предоставить консультации по различным материалам и предложить дополнительные услуги, такие как дизайн или продвинутая отделка.

Основными недостатками аутсорсинга поставщикам услуг являются стоимость и время выполнения заказа. Одним из больших преимуществ быстрого прототипирования является его скорость по сравнению с традиционными методами производства, которая быстро уменьшается, когда аутсорсинговые детали доставляются за неделю или несколько недель. Аутсорсинг прототипов также часто является дорогостоящим, в то время как 3D-принтеры стали чрезвычайно доступными. В зависимости от количества деталей и объема, бизнес часто может окупиться в течение нескольких недель, просто инвестируя в 3D-принтер и печатая прототипы внутри компании.

С настольными и настольными 3D-принтерами компании могут платить именно за ту мощность, которая нужна их бизнесу, и масштабировать производство, добавляя дополнительные единицы по мере роста спроса. Используя несколько 3D-принтеров, вы также получаете гибкость для одновременной печати деталей из разных материалов. Сервисные бюро все еще могут дополнять этот гибкий рабочий процесс для более крупных деталей или нестандартных материалов.

 

Начните прототипировать уже сейчас

Form 4 и Form 4L — это сверхбыстрые маскированные SLA 3D-принтеры, которые сочетают в себе ведущую в отрасли библиотеку материалов, простые рабочие процессы и надежный, точный механизм печати.

Быстрое прототипирование используется в различных отраслях, как компаниями из Fortune 500, так и малым бизнесом, чтобы ускорить разработку, снизить затраты, улучшить коммуникацию и, в конечном счете, создавать лучшие продукты.

В то время как 3D-печать традиционно была сложной и дорогостоящей, настольные и настольные 3D-принтеры сделали эту технологию доступной для любого бизнеса.

Свяжитесь с нашими специалистами, чтобы узнать больше о 3D-принтерах и как ведущие производители используют 3D-печать для экономии денег и сокращения сроков выполнения заказа от проектирования до производства.