Kraften i processen för snabb prototyptillverkning och verktygstillverkning
Innehållsförteckning
Snabbhet och noggrannhet är det som betyder mest i dagens tillverkningsvärld. Den här artikeln handlar om hur en snabb prototyp och verktyget som används för att tillverka den är beroende av varandra och går djupt in på hur snabb prototypframtagning och verktyg har förändrat produktutvecklingen. Vi tittar på detaljerna i prototypverktyg, verktygsprocessens komplexitet och hur snabba verktygsstrategier kan hjälpa dig att spara mycket tid och pengar.
Varför du bör läsa den här artikeln: Om du är ingenjör, designer eller produktchef är det mycket viktigt att du förstår hur en digital design omvandlas till en fysisk del. Den här guiden är en komplett genomgång från den snabba prototypen till det slutliga verktyget för produktion. Du kommer att lära dig hur snabb prototyptillverkning och verktyg förkortar avståndet mellan ett koncept och en produkt, vilket möjliggör grundliga tester utan den enorma finansiella investering som vanligtvis är fallet med traditionella metoder. Om du bara vill förbättra din verktygsprocess eller om du bara är intresserad av den senaste tekniken för snabbverktyg, ger det här detaljerade inlägget dig ändå praktiska idéer om hur du kan snabba upp din tid till marknaden och samtidigt sänka risken.
Vad är Rapid Prototyping och hur påskyndar det utvecklingscykeln?
Rapid prototyping avser olika tekniker som påskyndar skapandet av en skalenlig fysisk modell, som illustrerar en del eller en montering, tillverkad från tredimensionella CAD-data (Computer Aided Design). Kärnan i denna prototypmetod kretsar kring minimering av utvecklingscykeltiden. Genom att skapa en fysisk representation av designen redan i ett tidigt skede kan utvecklarna lätt uppfatta och till och med testa produktens form, passform och funktion. Historiskt sett kan en process för att skapa en prototyp ha pågått i veckor eller till och med månader med hjälp av traditionella manuella metoder.
Numera har teknik för snabb prototypframställning drastiskt förkortade den tid som krävs för att ta fram en prototypOfta är det möjligt inom några timmar eller dagar. Denna utveckling ökar antalet iterationer som kan testas inom en viss tidsram, vilket innebär att den slutliga designen inte bara är solid utan också redo att komma ut på marknaden.
Snabb framtagning av prototyp är den avgörande faktorn för projektets totala tidslinje. Genom att använda snabb prototypframtagning kan ingenjörerna hitta designbrister på plats, i stället för att vänta till tillverkningsstadiet. Det iterativa tillvägagångssättet, där prototypen konstrueras, testas och justeras, minskar drastiskt risken för dyra misstag i ett senare skede. Dessutom underlättar snabb prototyptillverkning samtidig konstruktion, där olika delar av produkten utvecklas och testas parallellt. Denna omfattande metod garanterar att utvecklingscykeln fortsätter utan avbrott.
Varför är Rapid Prototyping viktigt för modern produktutveckling?
Frågan om varför det är viktigt med snabb prototypframtagning kan besvaras genom att undersöka de risker som tas i tillverkningen. Produktutveckling är en riskfylld process; en design som visas på en dator kanske inte alltid fungerar i verkligheten. En prototyp blir därför ett verktyg för riskkontroll. Genom att tillverka en funktionell prototyp kan företagen mäta mekaniska egenskaper, ergonomi och monteringsprocedurer. Ett sådant teststadium är oumbärligt för att vara säker före fullskalig produktion, där misstag kan kosta hundratusentals dollar. Möjligheten att kontrollera en design med en snabb prototyp är alltså ett sätt att säga att investeringen i dyra produktionsverktyg är både motiverad och säker.
Snabb prototypframtagning är också viktigt för användartester. Inom t.ex. konsumentelektronik och medicintekniska produkter är feedback från användarna den viktigaste faktorn. En snabb prototypteknik gör det möjligt för tillverkarna att leverera en fysisk del till de potentiella användarna i ett mycket tidigt skede av designprocessen. Denna typ av återkoppling från verkligheten är av högsta värde. Den kan avslöja problem med användbarheten som inte var uppenbara i CAD-modellen. Genom att använda denna återkoppling för att ta fram nästa version av prototypen kan företagen utforma produkter som passar användarna bäst. Att kunna svara upp mot marknadens behov är en av de viktigaste konkurrensfördelarna med snabb prototypframtagning.
Hur fungerar Rapid Tooling jämfört med traditionell tillverkning?
För att förstå skillnaderna mellan verktygsbyten i en snabbt sammanhang jämfört med en traditionell, är det nödvändigt att undersöka första konventionella tillverkningsprocesser. Traditionella verktyg eller hårda verktyg kallas vanligtvis verktyg som är resultatet av bearbetningen av formar av motståndskraftiga metaller som stål. Det här är en mycket exakt och hållbar process som kan producera miljontals delar, men den är också långsam och mycket dyr. Faktum är att tillverkningen av en enda form kan ta från flera veckor till några månader.
Tvärtom, snabb verktygstillverkning (vi kan också kalla det tillverkning av mjuka verktyg) är en typ av produktion som ligger mellan prototyptillverkning och industriell produktion. Den är främst inriktad på att uppnå snabba resultat och produkter till låga kostnader, och ofta får produktionsverktygens långa livslängd stå tillbaka för att delarna snabbt blir tillgängliga. Jämfört med traditionella metoder gör Rapid Tooling det möjligt att skapa formar på en bråkdel av tiden.
Snabb verktygsteknik bygger ofta på användning av aluminiumformar eller stål med låg kolhalt som är lättare och snabbare att bearbeta jämfört med verktygsstål. I vissa fall används additiv tillverkning för att direkt skriva ut forminsatserna. Som ett resultat av en sådan strategi förkortas hela ledtiden dramatiskt. Medan tillverkningen av ett stålverktyg kan ta 12 veckor, kan snabbverktyget ibland vara klart på 1, 2 veckor. Denna snabbhet är avgörande för valideringen av formsprutningsprocessen och för testning av materialegenskaper före den slutliga skärningen av stålverktyget.
Vilka är de primära användningsområdena för Rapid Tooling i branschen?
Tillämpningarna av verktyg för snabb bearbetning är många och varierande inom hela tillverkningsindustrin. Den fordonssektorn är ett av de vanligaste områdena där verktyg för snabbbearbetning används. I det här fallet används ett snabbverktyg för att tillverka funktionella delar till testfordon. Dessa delar måste vara tillverkade av lämpligt material för att motstå motorvärme eller vägvibrationer. En enkel 3D-printad snabbprototyp kanske inte är tillräcklig för sådana hårda tester. Därför tillverkar ingenjörerna en form med hjälp av snabba metoder för att få fram delar som är mekaniskt likadana som slutprodukten. Följaktligen gör detta att prestandatester kan utföras med fullständig giltighet långt innan produktionslinjen är klar.
Dessutom.., den medicinteknisk industri är ett annat viktigt område där snabba prototypverktyg spelar en avgörande roll vid pilotkörningar och kliniska prövningar. Medicintekniska produkter kräver vanligtvis vissa biokompatibla material, som endast kan bearbetas genom formsprutning. Genom att använda snabbformning kan tillverkarna tillverka ett begränsat antal produkter för klinisk utvärdering. Denna möjlighet är oerhört viktig eftersom den ger produktutvecklingsteamet möjlighet att samla in data om enhetens prestanda i verkliga kliniska miljöer. Verktyget som används i dessa pilotkörningar är ett sätt att validera design och tillverkningsprocess på samma gång.
Konsumentelektronik har också dragit stor nytta av snabbbearbetning av verktyg. På denna snabbt föränderliga marknad ligger hemligheten bakom framgång i förmågan att introducera produkter på marknaden före konkurrenterna. Företagens användning av snabbverktygsplaner tjänar till att producera marknadsföringsprover och betaenheter avsedda för granskare och tidiga användare. Dessa enheter måste vara identiska i utseende och beröring som slutprodukten.
Vad är skillnaden mellan direkt och indirekt Rapid Tooling?
Att känna till skillnaden mellan direkta och indirekta metoder är avgörande när man talar om rapid tooling. Direkt rapid tooling innebär att själva formsprutan eller verktygsinsatserna skapas direkt från CAD-data med hjälp av additiv tillverkning eller maskinbearbetning.
Till exempel, en 3d-skrivare kan skriva ut formens kärna och hålighet genom att använda ett harts som tål höga temperaturer eller genom sintrat metallpulver. Det går extremt snabbt eftersom inga mellanliggande steg behövs. Det är alltså den digitala filen som direkt används för att skapa det fysiska verktyget. Detta är särskilt fördelaktigt för mycket små volymer eller komplexa geometrier där maskinbearbetning kan ta mycket lång tid eller kanske inte är möjlig. Vid indirekt snabbformning används å andra sidan ett huvudmönster för att skapa formen.
Ett exempel kan vara att använda en SLA (stereolitografi) snabb prototyp som huvudmönster för att tillverka en silikonform för vakuumgjutning. Även om det inte är formsprutning i exakt mening är det en typ av verktyg som producerar plastdelar. En ytterligare indirekt metod inkluderar att använda ett mönster för att skapa sandgjutningsformen för metalldelar. I de flesta fall där direkt 3D-utskrivna formar kan vara svåra att uppnå på grund av krav på ytfinish eller behovet av ett material som verktyget inte kan skrivas ut från, väljs indirekt verktyg.
Dessa två metoder, direkt och indirekt, är olika förfaranden i prototypvärlden och båda är användbara. Vanligtvis är direkt verktyg snabbare och blir mer kraftfullt eftersom den additiva tillverkningstekniken fortsätter att utvecklas. Å andra sidan är indirekt snabbverktyg fortfarande en lösning som många har råd med och är ett populärt val för applikationer som uretangjutning. Valet av olika strategier för snabbverktyg beror på volymen.
Hur tillverkar man Rapid Tooling med hjälp av additiv teknik?
Ingenjörer vänder sig till innovativa tillverkningsmetoder som 3d-utskrift för att åstadkomma geometrier som knappast kan uppnås med traditionell CNC-bearbetning. För att tillverka snabbverktyg via additiv tillverkning är det första steget att ha en digital representation av formens skal, kärna och kavitet. Ofta innehåller denna modell konforma kylkanaler kylkanaler som följer formen på den del som inte kan borras på konventionellt sätt. Därefter används en maskin som kan utföra direkt metallsintring (DMLS) eller tryckning med höghållfast polymer för att tillverka verktyget ett lager i taget.
Detta 3d-utskrivna verktyg kan drastiskt minska kyltiden under gjutningscykeln och därmed förbättra kvaliteten på delen. En 3d-skrivare används för att göra en form är en metod som är särskilt lämplig för prototypverktyg. De material som används för 3d-utskrivna formar, t.ex. digital ABS eller maråldrat stål, är tillräckligt starka för att tåla formsprutningstrycket under ett begränsat antal cykler. På så sätt får ingenjörerna injicera det faktiska produktionshartset i det tryckta verktyget.
Den här funktionen är helt avgörande eftersom den ger delarna exakt samma kemiska och mekaniska egenskaper som slutprodukten. Det bekräftar inte bara formen utan även materialets prestanda, utan att det behövs dyra bearbetade metallverktyg. Å andra sidan krävs det vissa designöverväganden för att använda Rapid Prototyping-teknik för verktyg. Ytfinishen på ett tryckt verktyg kan behöva efterbearbetas för att få bort skiktlinjerna så att den gjutna delen blir slät. Dessutom är värmeledningsförmågan hos polymertryckta formar lägre än hos aluminium eller stål, vilket leder till längre cykeltider.
När ska du använda prototypverktyg jämfört med produktionsverktyg?
Valet mellan prototypverktyg och produktionsverktyg är huvudsakligen beroende på volym, budget och utvecklingsstadium. Prototypverktyg är det bästa alternativet i de inledande utvecklings- och valideringsfaserna. Om du behöver 50 till 500 delar för att testa montering, utföra falltester eller skicka till certifieringslaboratorier, är en prototypform svaret. Detta verktyg tillverkas normalt av aluminium eller mjukt stål (t.ex. P20). Det är en ekonomiskt lönsam och snabb produkt, men den kommer inte att kunna hålla under lång tid. Snabbhet och flexibilitet är de viktigaste aspekterna här; om konstruktionen ändras är det mindre kostsamt att modifiera eller skrota ett aluminiumverktyg än att skrota ett verktyg i härdat stål.
Omvänt tillverkas produktionsverktyg för lång sikt. När designen är klar och efterfrågan på marknaden är verifierad är det nödvändigt att installera en form i härdat stål med flera hålrum. Detta verktyg är konstruerat för att kunna köras i miljontals cykler med litet slitage. Produktionsverktyg kan ha manuella insatser eller handladdade kärnor, men i produktionen är de helt automatiserade.
Övergången från prototyp till produktionsverktyg är en viktig punkt. Den markerar det ögonblick då produkten är tillräckligt mogen för fullskalig produktion och konstruktionsriskerna i stort sett har eliminerats. Förutom snabb prototyp finns det ett mellanting som ofta kallas bridge tooling. Det är ett robust snabbverktyg som används för att överbrygga klyftan mellan prototypfasen och tillverkning av stora volymer. Det gör det möjligt att producera serier som är för stora för soft tooling men för små för Class A.
Hur minskar verktyg för snabb prototyptillverkning kostnader och ledtider?
Den främsta fördelen med Rapid Tooling är dess förmåga att dramatiskt minska både kostnader och tidsramar. Dyra verktyg är ett av de största hindren för en tillverkningsprocess. Till exempel kan en komplicerad stålform vara mycket dyr och ha en kostnad på mer än $50 000.
Vad som är betydligt snabbare prototypverktyg är att helt enkelt använda aluminium eller 3D-utskrivna insatser, ett verktyg för prototypframtagning kan tillverkas för en liten bråkdel av kostnaden för en i stål. Den låga kostnaden gör att inte bara nystartade företag utan även etablerade företag kan testa idéer som annars skulle ha ansetts vara alltför riskabla. Genom prototyptillverkning kan företag som tidigare behövde ekonomiskt stöd för att ta fram de första verktygen nu ha råd att lägga mer resurser på designinnovation och marknadsföring.
När det gäller ledtid är skillnaden enorm. Traditionella verktygsmetoder innebär vanligtvis användning av komplexa leveranskedjor, värmebehandling och precisions-EDM-arbete, och därför tar processen cirka 8-12 veckor. Vid snabb verktygstillverkning kan en form däremot skäras ut och tas i bruk på bara 10 dagar. Det är denna hastighet som gör snabba tillverkningsstrategier genomförbara, vilket innebär att produkterna kan itereras och förbättras i realtid. Om ett designfel upptäcks med hjälp av ett snabbverktyg är det inga problem att snabbt modifiera eller göra om formen. På så sätt förhindrar rörligheten "sunk cost"-felet, eftersom företagen inte tvingas behålla en dålig design bara för att det tog månader att bygga verktyget.
Förutom det, användning av snabb prototypframställning för verktyg hjälper också till att undvika omarbetningskostnader för produktionsverktyg. Det är otroligt mycket dyrare att modifiera ett produktionsverktyg av härdat stål än att göra en liten justering av ett prototypverktyg av aluminium. Genom att hitta problem med snabbverktyget, t.ex. sjunkmärken, skevhet eller fyllnadsproblem, får ingenjörerna en chans att korrigera formkonstruktionen.
Vilken roll spelar formsprutning i prototypframtagningsmetoden?
Formsprutning anses i allmänhet en massproduktionsprocess, men det är också den viktigaste drivkraften i prototypmetoden. Snabb formsprutning (RIM) använder samma principer som vid standardgjutning men tillämpar dem på verktyg för snabb bearbetning.
Målet är att på kortast möjliga tid få fram formsprutade detaljer som är visuellt omöjliga att skilja från slutprodukten. Detta skiljer sig från en 3D-printad prototyp som kan ha olika materialegenskaper (anisotropi) och ytfinish. Om syftet är funktionell validering, särskilt för snäpp-, pass- och levande gångjärn, måste delen formsprutas av den faktiska termoplasten.
Maskinen för RIM är i stort sett densamma som för produktion, men verktygsuppsättningen varierar. Det är vanligt med MUD-system (Master Unit Die), där standardformar används och endast kärnan och hålrumsinsatserna bearbetas som snabbverktyg. Detta resulterar i att mindre metall behövs och att verktygsprocessen går snabbare. Insatser för applikationen kan vara CNC-bearbetade i aluminium eller 3d-tryckta. Tillverkarna kan välja att testa flera plastkvaliteter för att avgöra vilken som presterar bäst, något som är nästan omöjligt med andra prototypmetoder.
Formsprutning av låga volymer genom Rapid Tooling öppnar också upp för möjligheten att tillverka små serier för marknadstester. Ett företag kan tillverka 1000 enheter för att sälja i en viss region eller till en viss målgrupp. En sådan marknadsvalidering är mycket mer exakt än fokusgrupper som tittar på en rendering.
Hur ser framtiden ut för Rapid Prototyping och Tooling Digital Fabrication?
Framtiden för snabb tillverkning är till stor del beroende av en djupgående integration av digitala arbetsflöden för tillverkning. Med den kontinuerliga utvecklingen av programvara och maskinkapacitet blir skillnaden mellan en snabb prototyp och en slutprodukt allt mindre tydlig. Så småningom, den direkta snabbverktygsprocessen kommer att bli så effektiv att den kan ersätta de traditionella metoderna för tillverkning av medelstora volymer.
Läs om hur snabb prototyptillverkning håller på att omvandlas till "direkt digital tillverkning", där delar tillverkas på begäran och inga verktyg alls krävs för vissa tillämpningar. Å andra sidan kommer gjutformen även i fortsättningen att vara det viktigaste verktyget för tillverkning av plastdetaljer i stora volymer, och snabbverktyg kommer bara att utvecklas för att göra gjutformen snabbare och billigare.
Innovationer inom additiv tillverkning öppnar dörren till tillverkningslösningar som tidigare var otänkbara. En av de viktigaste trenderna vi ser är framväxten av hybridmaskiner som integrerar 3D-printing och CNC-bearbetning. Dessa maskiner kan skriva ut ett verktyg med en nära, nätliknande form och sedan bearbeta det till önskad tolerans i en enda inställning. Genom att använda denna hybridmetod blir snabbbearbetning av verktyg inte bara snabbare utan också mer exakt.
Dessutom arbetar industrin med att utveckla nya material för 3D-printingteknik som har högre värmeledningsförmåga och hållbarhet. Detta kommer inte bara att förlänga livslängden för 3D-utskrivna verktyg utan också göra det till ett genomförbart alternativ för större produktionskörningar.
I slutändan.., snabb prototyptillverkning och verktygsframställning kommer att tas till en högre nivå och kommer att bli ännu mer oumbärliga i produktutvecklingsprocessen. De företag som snabbt kan ta fram en prototyp, skapa ett snabbverktyg och tillverka formsprutade delar i ett sömlöst digitalt arbetsflöde kommer att vara de som lyckas i framtidens tillverkningslandskap. Genom att ge företagen möjlighet att iterera i snabbare takt, sänka kostnaderna och minska riskerna är dessa tekniker ingenjörernas dröm och nyckeln till att frigöra nya möjligheter till innovation.
Vanliga frågor
Vad är skillnaden mellan snabb prototyptillverkning och snabb verktygstillverkning?
Snabb prototyptillverkning är process för att fysiskt skapa en del, vanligtvis genom additiva tillverkningsmetoder som 3D-utskrift, främst för form- och passformstestning.
På den andra handen, snabb verktyg är tillverkning av den form eller det verktyg som krävs till tillverka delarna med hjälp av olika tekniker som formsprutning. Snabb verktygstillverkning möjliggör den tillverkning av delar som har materialegenskaper och mekanisk hållfasthet närmare till de av den slutprodukt.
Hur många delar kan tillverkas med ett snabbverktyg?
Antalet detaljer som kan tillverkas med en snabb verktyg beror på den material av den mögel och den som injiceras. En form tillverkad med 3D-printing kanske bara är bra i 10 till 100 skott är således lämpligt för extremt låga volymer.
Aluminiumformar eller verktyg av mjukt stål som används i snabb verktyg kan dock i allmänhet stödja allt från 100 till 10 000 cykler. Detta gör dem perfekta för bryggproduktion eller pilotkörningar som kommer före den investering i produktionsverktyg genomförd av hållbara material.
Hur mycket tid sparar Rapid Tooling jämfört med traditionella metoder?
De traditionella verktygen avser den skärning av hårt stål, vilket kan vara mycket tidskrävande och ta 8 till 12 veckor eller mer. Detta är främst på grund av den svårigheter vid maskinbearbetning och erforderliga värmebehandlingsprocesser.
Ledtid är påskyndas avsevärt av snabb verktyg. Faktum är att en snabb verktyg tillverkade av mjukare aluminium eller genom direkt digital tillverkning kan vara klara för formsprutning på bara 1-2 veckor, vilket möjliggör en mycket snabbare marknadsintroduktion.
Kan snabbverktyg använda den faktiska produktionen, kvalitetsmaterial?
Detta är i själva verket den främsta fördelen med snabba verktyg jämfört med vanliga 3D-utskrivna prototyper. Sedan den processen är formsprutning, kan du injicera den exakta termoplastiska hartser (t.ex. g. ABS, polykarbonat eller nylon) som kommer att vara den källa av slutprodukt.
Därför kan testning av kemisk beständighet, termiska egenskaper och mekanisk hållfasthet göras exakt.
Är rapid tooling betydligt billigare än hard tooling?
Snabb prototyp verktyg är vanligtvis mycket billigare än den alternativ. Användning av aluminium eller ohärdat stål möjliggör högre bearbetningshastigheter, vilket innebär att mindre maskintid och arbetskostnader krävs. Dessutom.., snabb verktyg vanligtvis användning delade formbaser (Master Unit Dies), vilket innebär att du bara betalar för den kärn- och hålrumsinsatser och inte för den hela formstrukturen, vilket den investeringar som krävs för små serier minskar kraftigt.
Kan 3D-printing användas för att skapa formsprutningsverktyg?
Ja, den processen kallas direkt snabb verktyg. 3d-skrivare med hög upplösning kan skriva ut forminsatser med tuffa hartser med hög temperatur eller metaller som produceras genom sintring.
Även om dessa 3d-utskrivna verktyg har lägre värmeledningsförmåga och mindre slitstyrka än metallverktyg som bearbetas, ger de den snabbast möjliga sätt att få injektion gjuten del, är verktyget vanligtvis klart på bara några dagar.
Slutsats
- Rapid Prototyping är en process som påskyndar utvecklingscykeln genom att möjliggöra snabba iterationer och en validering av konstruktionen före tillverkning.
- Rapid Tooling är steget som går från ett 3D-utskriven prototyp till fullskalig produktion, där mjukare metaller eller additiva metoder används för att snabbt skapa formar.
- Kostnad och hastighet: Det här är de två stora fördelarna med verktyg för snabb prototypframtagning. Kostnaden är betydligt lägre och ledtiden förkortas kraftigt jämfört med traditionella verktygsmetoder.
- Riskreducering: Genom att använda ett snabbverktyg kan ingenjörer och konstruktörer verifiera formsprutningsprocessen och materialegenskaperna och därmed undvika kostsamma misstag vid tillverkning av hårda verktyg.
- Applikationer: Användningen av snabbverktyg har inga gränser. Det gör det möjligt att ta fram funktionella prototyper och små serier av produkter för validering av bland annat medicintekniska produkter eller fordonstester.
- Metoder: Det finns olika metoder, t.ex. direkt snabbtillverkning (utskrift av formen) och indirekt snabbtillverkning (med hjälp av mönster), som beror på projektets behov.
- Framtiden: Användningen av digital tillverkning och hybrida tillverkningstekniker kommer så småningom att göra att skillnaden mellan prototypframtagning och produktion inte längre är synlig.
Kommentarer
Senaste inlägg
Relaterade bloggar
Senyos blogg är inriktad på att dela med oss av vår omfattande kunskap om prototyptillverkning. Genom våra artiklar vill vi hjälpa dig att förfina din produktdesign och navigera i komplexiteten med snabb prototyptillverkning på ett mer effektivt sätt.
