Что такое быстрое прототипирование? Методы, инструменты и примеры

 

Быстрое прототипирование — это набор методов, используемых для быстрого изготовления физической детали или сборки по трёхмерной цифровой модели. С его помощью инженеры и дизайнеры могут создать лучший конечный продукт, проводя несколько итераций между цифровыми моделями и физическими прототипами с помощью быстрого и экономичного рабочего процесса.

С помощью таких инструментов, как 3D-принтеры Formlabs и ONSINT, можно превратить идеи в реалистичные работающие концепты, а затем развить их в высокодетализированные прототипы, которые выглядят и функционируют как готовые изделия. Что важнее всего, 3D-печать прототипов рентабельна, позволяя командам создавать десятки недорогих прототипов с минимальными временными затратами.

В этом руководстве мы покажем реальные примеры быстрых прототипов от ведущих компаний, а вы узнаете основы быстрого прототипирования, его применение и то, как 3D-печать может помочь в быстрой и экономичной разработке.

Быстрое прототипирование против обычного прототипирования

Прототипирование — это важнейшая часть процесса разработки продукта, но традиционно оно было «узким местом».

Дизайнеры и инженеры могли создавать простейшие моделы для проверки концепции с помощью базовых инструментов, но производство функциональных прототипов и деталей, соответствующих качеству серийного продукта, часто требовало таких же процессов, как и для готовых изделий. Традиционные процессы, такие как литье под давлением, требуют дорогостоящей оснастки и настройки, что делает изготовление малосерийных индивидуальных прототипов непомерно дорогим.

Быстрое прототипирование, в свою очередь, помогает компаниям быстро превращать идеи в реалистичные концепты, развивать их в высококачественные прототипы и проводить продукты через серию этапов валидации к серийному производству.

С помощью быстрого прототипирования дизайнеры и инженеры могут создавать прототипы напрямую из цифровых моделей САПР быстрее, чем когда-либо, и оперативно вносить частые изменения в свои проекты на основе реальных испытаний и обратной связи.

 

3D-печать для быстрого прототипирования

*Быстрый прототип манипулятора, изготовленный с помощью 3D-печати (слева), и конечная серийная сборка (справа).*

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

3D-печать идеально подходит для прототипирования. Она обеспечивает практически неограниченную свободу форм, не требует оснастки и может производить детали с механическими свойствами, близкими к различным материалам, изготовленным традиционными методами. Технологии 3D-печати существуют с 1980-х годов, но их высокая стоимость и сложность ограничивали использование крупными корпорациями или вынуждали smaller компании обращаться к специализированным сервисам, ожидая недели между итерациями.

*Используя 3D-печать, дизайнеры могут быстро переключаться между цифровыми моделями и физическими прототипами и быстрее выходить на стадию производства.*

Появление настольных и лабораторных 3D-принтеров изменило этот статус-кво и вызвало массовое внедрение, которое не показывает признаков остановки. С собственной 3D-печатью инженеры и дизайнеры могут быстро переключаться между цифровыми проектами и физическими прототипами. Теперь возможно создавать прототипы в течение дня и выполнять множественные итерации дизайна, размера, формы или сборки на основе результатов реальных испытаний. В конечном счете, процесс быстрого прототипирования помогает компаниям выводить на рынок лучшие продукты быстрее своих конкурентов.

Преимущества быстрого прототипирования

Легкая реализация и исследование концепций
Быстрое прототипирование превращает первоначальные идеи в безрисковые концепт-модели, которые выглядят как реальные продукты в кратчайшие сроки. Оно позволяет дизайнерам выйти за рамки визуализации, облегчая понимание внешнего вида и эргономики дизайна, а также сравнение концепций.

Эффективная коммуникация идей
Физические модели позволяют дизайнерам делиться своими концепциями с коллегами, клиентами и партнерами, передавая идеи способами, невозможными при простой визуализации на экране. Быстрое прототипирование способствует получению ясной, конструктивной обратной связи от пользователей, что необходимо для понимания их потребностей и последующего улучшения дизайна.

*3D-печатный прототип часов, изготовленный на SLA-принтере Form 3, рядом с конечным продуктом.*

Экономия времени и средств
При 3D-печати нет необходимости в дорогой оснастке и настройке; одно и то же оборудование может использоваться для производства разных геометрий. Внутреннее быстрое прототипирование устраняет высокие затраты и длительные сроки, связанные с аутсорсингом.

Прототип лавинной лопаты от Black Diamond Equipment

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

 

Итеративный дизайн и мгновенное внесение изменений
Дизайн — это всегда итеративный процесс, требующий нескольких циклов тестирования, оценки и доработки перед получением конечного продукта. Быстрое прототипирование с 3D-печатью обеспечивает гибкость для создания более реалистичных прототипов и мгновенного внедрения изменений, улучшая этот важный процесс проб и ошибок.

Последовательные итерации робота-захвата, прототипированные на SLA-принтерах Formlabs.

Хорошей моделью является 24-часовой цикл проектирования: проектирование в течение рабочего дня, 3D-печать деталей прототипа ночью, очистка и тестирование на следующий день, корректировка дизайна и повторение.

Тщательное тестирование и минимизация ошибок проектирования
В проектировании и производстве продуктов раннее обнаружение и исправление ошибок помогает компаниям избежать дорогостоящих доработок и изменений оснастки в будущем.

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

Типы прототипов в быстром прототипировании

Процесс разработки аппаратного обеспечения. 

Благодаря разнообразию технологий и материалов, быстрое прототипирование поддерживает дизайнеров и инженеров на протяжении всей разработки продукта: от первоначальных концепт-моделей до инжиниринга, валидационного тестирования и производства.

 

Прототипы для проверки концепции (PoC) и концепт-модели
Концепт-модели или прототипы для проверки концепции (Proof-of-Concept, PoC) помогают проверять идеи и предположения, а также тестировать жизнеспособность продукта. Физические концепт-модели могут продемонстрировать идею заинтересованным сторонам, стимулировать обсуждение и привести к принятию или отклонению с помощью безрисковых исследований.

PoC-прототипирование происходит на самых ранних этапах разработки продукта, и эти прототипы включают минимальную функциональность, необходимую для проверки предположений, прежде чем продукт перейдет на последующие стадии разработки.

*Прототипы зарядной станции. Проверка концепции должна быть простой, достаточной лишь для имитации работы продукта. Например, PoC для зарядной станции может быть просто напечатанный на 3D-принтере корпус, подключенный к стандартному USB-кабелю.*

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 используют готовые компоненты.

*Дизайнеры швейцарской студии Panter&Tourron использовали SLA 3D-печать, чтобы перейти от концепции к презентабельной модели за две недели.*

3D-принтеры — идеальные инструменты для концептуального моделирования. Они обеспечивают непревзойденную скорость превращения 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 и не требуют выделенного помещения.

Прототипы, повторяющие внешний вид (Looks-Like)

Прототипы «Looks-Like» 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 впечатление пользователя могут быть проверены с помощью таких прототипов до того, как будет потрачено значительное время на полную разработку функций продукта.

Разработка прототипов внешнего вида обычно начинается с эскизов, моделей из пенопласта или глины, затем переходит к CAD-моделированию. По мере прогрессирования циклов проектирования прототипирование перемещается между цифровыми рендерами и физическими моделями. По мере финализации дизайна команды промышленных дизайнеров стремятся создавать прототипы, точно напоминающие конечный продукт, используя фактические цвета, материалы и отделки (CMF).

*Прототипы внешнего вида SLA 3D-принтера Form 2 с разными вариантами размещения картриджей.*

Рабочие прототипы (Works-Like)
Параллельно с процессом промышленного дизайна инженерные команды работают над другим набором прототипов для тестирования, итерации и доработки механических, электрических и тепловых систем продукта. Эти «Works-Like» прототипы могут выглядеть иначе, чем конечный продукт, но они включают в себя ключевые технологии и функции, которые необходимо разработать и протестировать.

Часто эти критические функции разрабатываются и тестируются в отдельных узлах, прежде чем быть интегрированными в единый прототип продукта. Такой подход изолирует переменные, позволяя командам разделить ответственность и обеспечить надежность на более высоком уровне, прежде чем объединять все элементы.

*Ранние рабочие прототипы крупноформатного SLA 3D-принтера Form 3L.*

Инженерные прототипы
Инженерный прототип — это место, где дизайн и инжиниринг встречаются, чтобы создать минимально жизнеспособную версию конечного коммерческого продукта, спроектированного для производства (DFM). Эти прототипы используются для лабораторного пользовательского тестирования группой пользователей, для передачи производственных требований специалистам по оснастке на последующих этапах и 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 дизайна, посадки, функции и технологичности до инвестиций в дорогостоящую оснастку и перехода к производству, когда время и стоимость внесения изменений становятся все более сложными.

*Производитель подводных камер Paralenz использовал 3D-печать для создания функциональных прототипов, которые выдержали испытания на глубине более 200 метров.*

Передовые материалы для 3D-печати могут близко соответствовать внешнему виду, ощущениям и характеристикам деталей, произведенных традиционными методами, такими как литье под давлением. Различные материалы могут имитировать детали с мелкими деталями и текстурами, мягкими на ощупь, гладкими и малотребовательными поверхностями, жесткими и прочными корпусами или прозрачными компонентами. 3D-печатные детали могут быть доработаны с помощью вторичных процессов, таких как шлифовка, полировка, покраска или гальваника, чтобы воспроизвести любые визуальные атрибуты конечной детали, а также нарезаны резьбой для создания сборок из нескольких деталей и материалов.

Инженеры компании Wöhler создали прототип влагомера, повторяющий внешний вид и функциональность, из нескольких материалов с жестким корпусом и кнопками с мягким нажатием.

Инженерные прототипы требуют обширного функционального тестирования, чтобы увидеть, как деталь или сборка будут функционировать под воздействием нагрузок и условий реального использования. 3D-печать предлагает инженерные пластики 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 суб-сборки для инженерной, дизайнерской и производственной валидации (EVT, DVT, PVT) для тестирования технологичности.

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

3D-печать оснастки также может быть комбинирована с традиционными процессами, такими как литье под давлением, термоформование или силиконовое литье, для улучшения гибкости, маневренности, масштабируемости и рентабельности производственных процессов. Эта технология также предоставляет эффективное решение для создания пользовательских испытательных приспособлений и креплений для упрощения функционального тестирования и сертификации за счет сбора согласованных данных.

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

С 3D-печатью проектирование не должно заканчиваться с началом производства. Инструменты быстрого прототипирования позволяют дизайнерам и инженерам continuously улучшать продукты и оперативно реагировать на проблемы на линии с помощью приспособлений, улучшающих процессы сборки или контроля качества.

Инструменты и методы быстрого прототипирования

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

Моделирование методом наплавления (FDM)
FDM 3D-печать, также известная как послойное наплавление (FFF), — это метод, при котором детали создаются путем плавления и экструдирования термопластичной нити, которую сопло принтера наплавляет слой за слоем в области построения.

FDM — наиболее широко используемая форма 3D-печати на потребительском уровне, подпитываемая появлением любительских 3D-принтеров. Однако профессиональные FDM-принтеры также популярны среди дизайнеров и 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 мелкими элементами. Более качественная отделка может быть достигнута с помощью химических и механических процессов полировки. Некоторые профессиональные FDM 3D-принтеры используют растворимые поддержки для смягчения некоторых из этих проблем.

FDM работает с рядом стандартных термопластов, таких как ABS, PLA и их различные смеси, в то время как более advanced FDM-принтеры также предлагают более широкий ассортимент инженерных термопластов или даже композитов. Для быстрого прототипирования FDM-принтеры особенно полезны для производства простых деталей, таких как те, 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 — один из самых популярных процессов среди профессионалов благодаря 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 прототипов внешнего вида и функциональных прототипов, требующих жестких допусков.

Однако главное преимущество SLA заключается в универсальности библиотеки смол. Производители материалов создали инновационные составы фотополимерных смол с широким спектром оптических, механических и термических свойств, соответствующих стандартным, инженерным и промышленным термопластам.

Благодаря 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 игрового контроллера:

	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 часов	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, Grey Resin, высота слоя 100 микрон*

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

Селективное лазерное спекание (SLS)
Селективное лазерное спекание — наиболее распространенная технология аддитивного производства для промышленных применений, пользующаяся доверием инженеров и производителей благодаря своей 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, поднутрения, тонкие стенки и отрицательные формы. Детали, произведенные с помощью SLS, имеют великолепные механические характеристики, прочность которых напоминает литые под давлением детали.

*SLS 3D-печать может производить прочные, функциональные рабочие прототипы и инженерные прототипы для глубокого функционального тестирования продуктов.*

В быстром прототипировании SLS 3D-печать в основном используется для рабочих прототипов и инженерных прототипов для тщательного функционального тестирования продуктов (например, воздуховодов, кронштейнов) и получения обратной связи от клиентов в полевых условиях.

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

К станкам с ЧПУ относятся фрезерные и токарные станки. Лазерные резаки используют лазер для гравировки или резки широкого спектра материалов с высокой точностью. Водоструйные резаки используют воду, смешанную с абразивом и высоким давлением, чтобы резать практически любой материал. Фрезерные и токарные станки с ЧПУ могут иметь несколько осей, что позволяет им работать со более сложными конструкциями. Лазерные и водоструйные резаки больше подходят для плоских деталей.

Станки с ЧПУ могут обрабатывать детали из пластиков, мягких металлов, твердых металлов (промышленные станки), дерева, акрила, камня, стекла, композитов. По сравнению с аддитивными инструментами, станки с ЧПУ сложнее настраивать и эксплуатировать, а некоторые материалы и конструкции могут требовать специального инструмента, 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 нерентабельно производить с помощью аддитивных инструментов.

Сравнение инструментов быстрого прототипирования

	FDM	SLA	SLS	ЧПУ
Разрешение	★★☆☆☆	★★★★★	★★★★☆	★★★★★
Точность	★★★★☆	★★★★★	★★★★★	★★★★★
Качество поверхности	★★☆☆☆	★★★★★	★★★★☆	★★★★★
Простота использования	★★★★★	★★★★★	★★★★☆	★★★☆☆
Сложные конструкции	★★★☆☆	★★★★☆	★★★★★	★★★☆☆
Область построения	До 300x300x600 мм	До 353x196x350 мм	До 165x165x300 мм	Зависит от станка
Материалы	Стандартные термопласты (ABS, PLA)	Различные смолы (Standard, Engineering, Dental, Medical)	Инженерные термопласты (нейлон и композиты)	Пластики, металлы, дерево, стекло, композиты
Применения	Базовые PoC-модели, прототипы простых деталей	Быстрые прототипы, прототипы внешнего вида и функциональные прототипы	Сложная геометрия, функциональные и инженерные прототипы	Простые конструкции, конструкционные детали, металлические компоненты
Ценовой диапазон	$200 - $15,000+	$200 - $25,000+	~$30,000 - $200,000+	~$2,000 - $20,000+

Услуги быстрого прототипирования против внутреннего прототипирования

Аутсорсинг быстрого прототипирования сервисным бюро рекомендуется, когда вам требуется всего несколько деталей время от времени, а также для крупногабаритных деталей или деталей, требующих нестандартных материалов. Услуги быстрого прототипирования, такие как Hubs, Protolabs, Fictiv или местные сервисные бюро, предлагают услуги прототипирования и малосерийного производства по запросу. Эти бюро обычно имеют несколько технологий, включая аддитивные и субтрактивные процессы, а также быстрое изготовление оснастки. Они также могут предоставить консультации по различным материалам и предложить дополнительные услуги, такие как дизайн или продвинутая отделка.

Основные недостатки аутсорсинга — стоимость и сроки выполнения. Одно из greatest преимуществ быстрого прототипирования — его скорость по сравнению с традиционными методами производства, которая быстро нивелируется, когда заказанные детали доставляются в течение недели или нескольких 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 окупить затраты в течение нескольких недель, просто инвестировав в 3D-принтер и печатая прототипы внутри компании.

С настольными и лабораторными 3D-принтерами компании могут платить именно за ту мощность, которая нужна их бизнесу, и масштабировать производство, добавляя дополнительные устройства 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 работу с быстрым прототипированием

Form 4 и Form 4L — это невероятно быстрые 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, для ускорения разработки, снижения затрат, улучшения коммуникации и, в конечном итоге, создания лучших продуктов.

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