Guia para Prototipagem Rápida para Desenvolvimento de Produto

A prototipagem é uma parte crucial do processo de desenvolvimento de produto, mas tradicionalmente tem sido um gargalo.

Os designers e engenheiros de produto criariam modelos improvisados ​​de prova de conceito com ferramentas básicas, mas a produção de protótipos funcionais e peças de qualidade de produção frequentemente exigia os mesmos processos dos produtos acabados. Os processos de manufatura tradicionais, como moldagem por injeção, exigem ferramentas e configurações caras, o que torna protótipos personalizados de baixo volume proibitivamente caros.

A prototipagem rápida ajuda as empresas a transformar ideias em provas realistas de conceito, avança esses conceitos para protótipos de alta fidelidade que parecem e funcionam como produtos finais e orienta os produtos por meio de uma série de estágios de validação em direção à produção em massa.

Com a prototipagem rápida, designers e engenheiros podem criar protótipos diretamente de dados CAD mais rápido do que nunca e executar revisões rápidas e frequentes de seus projetos com base em testes e feedback do mundo real.

Neste guia, você aprenderá como a prototipagem rápida se encaixa no processo de desenvolvimento de produto, seus aplicativos e quais ferramentas de prototipagem rápida estão disponíveis para as equipes de desenvolvimento de produto de hoje.

O que é Prototipagem Rápida?

Prototipagem rápida é o grupo de técnicas usadas para fabricar rapidamente um modelo em escala de uma peça ou montagem física usando dados de projeto auxiliado por computador (CAD) tridimensionais. Como essas peças ou conjuntos são geralmente construídos usando técnicas de fabricação aditiva em oposição aos métodos subtrativos tradicionais, a frase se tornou sinônimo de fabricação aditiva e impressão 3D.

A manufatura aditiva é uma combinação natural para a prototipagem. Ele fornece liberdade de forma quase ilimitada, não requer ferramentas e pode produzir peças com propriedades mecânicas que combinam com vários materiais feitos com métodos de manufatura tradicionais. As tecnologias de impressão 3D existem desde a década de 1980, mas seu alto custo e complexidade limitam o uso a grandes corporações ou forçaram empresas menores a terceirizar a produção para serviços especializados, esperando semanas entre as iterações subsequentes.

Usando a impressão 3D, os designers podem iterar rapidamente entre designs digitais e protótipos físicos e chegar à produção mais rapidamente.

O advento da impressão 3D de mesa e bancada mudou esse status quo e inspirou uma onda de adoção que não mostra sinais de parar. Com a impressão 3D interna, engenheiros e designers podem iterar rapidamente entre designs digitais e protótipos físicos. Agora é possível criar protótipos em um dia e realizar várias iterações de design, tamanho, forma ou montagem com base em resultados de testes e análises da vida real. Em última análise, o processo de prototipagem rápida ajuda as empresas a colocar produtos melhores no mercado mais rapidamente do que seus concorrentes.
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Introdução à impressão 3D com estereolitografia de mesa (SLA)

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Vantagens da Prototipagem Rápida

Perceba e explore os conceitos com mais rapidez

A prototipagem rápida eleva as ideias iniciais para explorações de conceito de baixo risco que parecem produtos reais em nenhum momento. Ele permite que os designers vão além da visualização virtual, tornando mais fácil entender a aparência do design e comparar conceitos lado a lado.

Comunicar ideias com eficácia

Os modelos físicos capacitam os designers a compartilhar seus conceitos com colegas, clientes e colaboradores para transmitir ideias de maneiras que não seriam possíveis apenas visualizando designs na tela. A prototipagem rápida facilita o feedback do usuário claro e prático, essencial para os criadores entenderem as necessidades do usuário e, em seguida, refinar e melhorar seus designs.

Projete iterativamente e incorpore alterações instantaneamente

O design é sempre um processo iterativo que requer várias rodadas de teste, avaliação e refinamento antes de chegar ao produto final. A prototipagem rápida com impressão 3D fornece a flexibilidade para criar protótipos mais realistas com mais rapidez e implementar alterações instantaneamente, elevando esse processo crucial de tentativa e erro.

Iterações consecutivas de uma garra de robô pick and place prototipada em impressoras Formlabs SLA.

Um bom modelo é um ciclo de design de 24 horas:projete durante o trabalho, imprima peças do protótipo em 3D durante a noite, limpe e teste no dia seguinte, ajuste o design e repita.

Economize custo e tempo

Com a impressão 3D, não há necessidade de ferramentas e configurações caras; o mesmo equipamento pode ser usado para produzir geometrias diferentes. A prototipagem rápida interna elimina os altos custos e o tempo de espera associados à terceirização.
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Teste completamente e minimize as falhas de projeto

No projeto e na manufatura de produtos, encontrar e consertar falhas de projeto antecipadamente pode ajudar as empresas a evitar revisões de projeto e mudanças de ferramentas caras no futuro.

A prototipagem rápida permite que os engenheiros testem completamente os protótipos que parecem e funcionam como produtos finais, reduzindo os riscos de usabilidade e de fabricação antes de passar para a produção.

Aplicativos de prototipagem rápida

Graças a uma variedade de tecnologias e materiais disponíveis, a prototipagem rápida oferece suporte a designers e engenheiros em todo o desenvolvimento do produto, desde os modelos de conceito inicial até a engenharia, testes de validação e produção.

O processo de desenvolvimento de hardware. Fonte:Ben Einstein, Bolt

Protótipos e modelos de conceito de prova de conceito (PoC)

Modelos de conceito ou protótipos de prova de conceito (POC) ajudam os designers de produto a validar ideias e suposições e testar a viabilidade de um produto. Os modelos de conceito físico podem demonstrar uma ideia para as partes interessadas, criar discussão e impulsionar a aceitação ou rejeição usando explorações de conceito de baixo risco.

A prototipagem PoC ocorre nos estágios iniciais do processo de desenvolvimento do produto, e esses protótipos incluem a funcionalidade mínima necessária para validar as suposições antes de mover o produto para os estágios subsequentes de desenvolvimento.

Uma prova de conceito deve ser simples, apenas o suficiente para imitar como o produto funciona. Por exemplo, o POC para um suporte de carregamento pode ser apenas um gabinete impresso em 3D conectado a um cabo de carregamento USB padrão.

A chave para uma modelagem de conceito de sucesso é a velocidade; os designers precisam gerar uma grande variedade de ideias, antes de construir e avaliar modelos físicos. Neste estágio, usabilidade e qualidade são menos importantes e as equipes dependem de peças prontas para uso tanto quanto possível.

Os designers do estúdio suíço de design e consultoria Panter &Tourron usaram a impressão 3D SLA para ir do conceito à exibição em duas semanas.

As impressoras 3D são ferramentas ideais para apoiar a modelagem de conceito. Eles fornecem tempo de resposta incomparável para converter um arquivo de computador em um protótipo físico, permitindo que os designers testem conceitos adicionais rapidamente. Em contraste com a maioria das ferramentas de oficina e manufatura, as impressoras 3D de mesa são ideais para escritórios, dispensando a necessidade de um espaço dedicado.

Protótipos de aparência

Os protótipos semelhantes representam o produto final em um nível abstrato, mas podem carecer de muitos de seus aspectos funcionais. O objetivo é dar uma ideia melhor de como será a aparência de um produto final e como o usuário final irá interagir com ele. A ergonomia, as interfaces do usuário e a experiência geral do usuário podem ser validadas com protótipos parecidos antes de gastar um tempo significativo de design e engenharia para desenvolver totalmente os recursos do produto.

O desenvolvimento de protótipos de aparência geralmente começa com esboços, modelos de espuma ou argila e, em seguida, passa para a modelagem CAD. À medida que os ciclos de design progridem de uma iteração para a próxima, a prototipagem se move para frente e para trás entre renderizações digitais e modelos físicos. Conforme o design é finalizado, as equipes de design industrial buscam criar protótipos parecidos com os do produto final, usando as cores, materiais e acabamentos (CMF) que especificam para o produto final.

Protótipos parecidos com a impressora Form 2 SLA 3D com diferentes soluções para colocação de cartuchos.

Protótipos Works-Like

Paralelamente ao processo de design industrial, as equipes de engenharia trabalham em outro conjunto de protótipos para testar, iterar e refinar os sistemas mecânicos, elétricos e térmicos que compõem o produto. Esses protótipos semelhantes a obras podem parecer diferentes do produto final, mas incluem as principais tecnologias e funções que precisam ser desenvolvidas e testadas.

Freqüentemente, essas funções essenciais são desenvolvidas e testadas em subunidades separadas antes de serem integradas em um único protótipo de produto. Essa abordagem de subsistema isola as variáveis, tornando mais fácil para as equipes dividirem as responsabilidades e garantir a confiabilidade em um nível mais granular antes de juntar todos os elementos.

Os primeiros protótipos semelhantes aos da impressora SLA 3D de formato grande Form 3L.

Protótipos de engenharia

O protótipo de engenharia é onde o design e a engenharia se encontram para criar uma versão mínima viável do produto comercial final, que é projetado para manufatura (DFM). Esses protótipos são usados ​​para testes de usuários baseados em laboratório com um grupo seleto de usuários líderes, para comunicar a intenção de produção aos especialistas em ferramentas em estágios subsequentes e para atuar como um demonstrador nas primeiras reuniões de vendas.

Nesta fase, os detalhes tornam-se cada vez mais importantes. A impressão 3D permite que os engenheiros criem protótipos de alta fidelidade que representam com precisão o produto acabado. Isso torna mais fácil verificar o projeto, o ajuste, a função e a capacidade de fabricação antes de investir em ferramentas caras e passar para a produção, quando o tempo e o custo para fazer a mudança se tornam cada vez mais proibitivos.

O fabricante de câmeras de mergulho Paralenz usou a impressão 3D para criar protótipos funcionais que resistiram a testes mais de 200 metros abaixo do nível do mar.

Os materiais de impressão 3D avançados podem corresponder perfeitamente à aparência, ao toque e às características do material de peças produzidas com processos de manufatura tradicionais, como moldagem por injeção. Vários materiais podem simular peças com detalhes e texturas finos, superfícies suaves, suaves e de baixo atrito, caixas rígidas e robustas ou componentes transparentes. As peças impressas em 3D podem ser finalizadas com processos secundários como lixamento, polimento, pintura ou galvanoplastia para replicar qualquer atributo visual de uma peça final, bem como rosqueadas para criar montagens de várias peças e materiais.

Os engenheiros da Wöhler construíram um protótipo semelhante a uma obra de um medidor de umidade de vários materiais com caixa rígida e botões de toque suave.

Os protótipos de engenharia requerem extensos testes funcionais e de usabilidade para ver como uma peça ou montagem funcionará quando submetida a tensões e condições de uso em campo. A impressão 3D oferece plásticos de engenharia para protótipos de alto desempenho que podem suportar tensões térmicas, químicas e mecânicas.

Teste de validação e fabricação

A prototipagem rápida permite que os engenheiros criem execuções de pequenos lotes, soluções personalizadas únicas e subconjuntos para construções de engenharia, projeto e validação de produto (EVT, DVT, PVT) para testar a capacidade de fabricação.

A impressão 3D torna mais fácil testar as tolerâncias com o processo de fabricação real em mente e realizar testes internos e de campo abrangentes antes de passar para a produção em massa.

As ferramentas rápidas impressas em 3D também podem ser combinadas com processos de manufatura tradicionais, como moldagem por injeção, termoformação ou moldagem de silicone, para aprimorar os processos de produção, melhorando sua flexibilidade, agilidade, escalabilidade e economia. A tecnologia também oferece uma solução eficiente para a criação de gabaritos e acessórios de teste personalizados para simplificar os testes funcionais e a certificação, reunindo dados consistentes.

A empresa de design de dispositivos médicos Coalesce usa gabaritos personalizados para testes internos.

Com a impressão 3D, o design não precisa terminar quando a produção começa. As ferramentas de prototipagem rápida permitem que designers e engenheiros melhorem continuamente os produtos e respondam de forma rápida e eficaz a problemas na linha com gabaritos e acessórios que aprimoram os processos de montagem ou controle de qualidade.
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Métodos e ferramentas de prototipagem rápida

Fabricação de aditivos

A prototipagem rápida se tornou essencialmente sinônimo de manufatura aditiva e impressão 3D. Existem vários processos de impressão 3D disponíveis, sendo os mais comumente usados ​​para prototipagem rápida modelagem por deposição fundida (FDM), estereolitografia (SLA), sinterização seletiva a laser (SLS).

Modelagem por Deposição Fundida (FDM)

A impressão 3D FDM, também conhecida como fabricação de filamento fundido (FFF), é um método de impressão 3D que constrói peças por fusão e extrusão de filamentos termoplásticos, que um bico de impressora deposita camada por camada na área de construção.

FDM é a forma de impressão 3D mais amplamente usada no nível do consumidor, impulsionada pelo surgimento de impressoras 3D amadoras. As impressoras FDM profissionais são, no entanto, populares entre designers e engenheiros.

O FDM tem a resolução e a precisão mais baixas quando comparada a outros processos de impressão 3D de plástico e não é a melhor opção para imprimir projetos complexos ou peças com recursos intrincados. Acabamentos de qualidade superior podem ser obtidos por meio de processos de polimento químico e mecânico. Algumas impressoras 3D FDM profissionais usam suportes solúveis para atenuar alguns desses problemas.

O FDM trabalha com uma variedade de termoplásticos padrão, como ABS, PLA e suas várias misturas, enquanto as impressoras FDM mais avançadas também oferecem uma gama mais ampla de termoplásticos de engenharia ou até mesmo compostos. Para a prototipagem rápida, as impressoras FDM são particularmente úteis para a produção de peças simples, como peças que normalmente podem ser usinadas.

Estereolitografia (SLA)

As impressoras SLA 3D usam um laser para curar a resina líquida em plástico endurecido em um processo chamado fotopolimerização. O SLA é um dos processos mais populares entre os profissionais devido à sua alta resolução, precisão e versatilidade de materiais.

Um protótipo rápido impresso em 3D de um relógio produzido usando a impressora 3D Form 3 SLA ao lado do produto final.

As peças SLA têm a mais alta resolução e precisão, os detalhes mais claros e o acabamento de superfície mais suave de todas as tecnologias de impressão 3D de plástico, tornando o SLA uma ótima opção para protótipos com aparência de alta fidelidade e protótipos funcionais que exigem tolerâncias estreitas.

No entanto, o principal benefício do SLA está na versatilidade de sua biblioteca de resinas. Os fabricantes de materiais criaram formulações de resina de fotopolímero SLA inovadoras com uma ampla gama de propriedades ópticas, mecânicas e térmicas para corresponder às dos termoplásticos padrão, de engenharia e industriais.

Com Draft Resin, a impressão SLA 3D também é uma das ferramentas de prototipagem mais rápidas, até 10 vezes mais rápida do que a impressão 3D FDM.
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Sinterização seletiva a laser (SLS)

A sinterização seletiva a laser é a tecnologia de manufatura aditiva mais comum para aplicações industriais, confiada por engenheiros e fabricantes em diferentes setores por sua capacidade de produzir peças fortes e funcionais.

As impressoras 3D SLS usam um laser de alta potência para fundir pequenas partículas de pó de polímero. O pó não fundido apóia a peça durante a impressão e elimina a necessidade de estruturas de suporte dedicadas. Isso torna o SLS ideal para geometrias complexas, incluindo recursos internos, rebaixos, paredes finas e recursos negativos. As peças produzidas com impressão SLS apresentam excelentes características mecânicas, com resistência semelhante à das peças moldadas por injeção.

A impressão 3D SLS pode produzir protótipos fortes e funcionais semelhantes a trabalhos e protótipos de engenharia para testes funcionais rigorosos de produtos.

Na prototipagem rápida, a impressão 3D SLS é usada principalmente para protótipos semelhantes a trabalhos e protótipos de engenharia para testes funcionais rigorosos de produtos (por exemplo:dutos, suportes) e feedback do cliente em campo.
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Ferramentas CNC

Ferramentas de controle numérico de computador (CNC) - ao contrário de FDM, SLA ou SLS - são processos de manufatura subtrativos. Eles começam com blocos sólidos, barras ou hastes de plástico, metal ou outros materiais que são moldados pela remoção de material por meio de corte, perfuração, perfuração e retificação.

As ferramentas CNC incluem a usinagem CNC, que remove o material por meio de uma ferramenta de fiação e peça fixa (fresamento) ou uma peça giratória com uma ferramenta fixa (torno). Os cortadores a laser usam um laser para gravar ou cortar uma ampla gama de materiais com alta precisão. Os cortadores a jato de água utilizam água misturada com abrasivo e alta pressão para cortar praticamente qualquer material. As fresadoras e tornos CNC podem ter vários eixos, o que permite gerenciar projetos mais complexos. Os cortadores a laser e a jato de água são mais adequados para peças planas.

As ferramentas CNC podem moldar peças de plásticos, metais macios, metais duros (máquinas industriais), madeira, acrílico, pedra, vidro, compostos. Em comparação com as ferramentas de manufatura aditiva, as ferramentas CNC são mais complicadas de configurar e operar, enquanto alguns materiais e projetos podem exigir ferramentas, manuseio, posicionamento e processamento especiais, o que as torna caras para peças únicas em comparação com processos aditivos.

Na prototipagem rápida, eles são projetos simples ideais, peças estruturais, componentes de metal e outras peças que não são viáveis ​​ou econômicas de produzir com ferramentas aditivas.

Comparação de ferramentas de prototipagem rápida

	Modelagem de Deposição Fundida (FDM)	Estereolitografia (SLA)	Sinterização seletiva a laser (SLS)	Ferramentas CNC
Resolução	★★ ☆☆☆	★★★★★	★★★★ ☆	★★★★★
Precisão	★★★★ ☆	★★★★★	★★★★★	★★★★★
Acabamento de superfície	★★ ☆☆☆	★★★★★	★★★★ ☆	★★★★★
Facilidade de uso	★★★★★	★★★★★	★★★★ ☆	★★★ ☆☆
Projetos complexos	★★★ ☆☆	★★★★ ☆	★★★★★	★★★ ☆☆
Aumentar volume	Até 300 x 300 x 600 mm (impressoras 3D de mesa e bancada)	Até 300 x 335 x 200 mm (impressoras 3D de mesa e bancada)	Até 165 x 165 x 300 mm (impressoras 3D industriais de bancada)	Dependente da ferramenta
Materiais	Termoplásticos padrão, como ABS, PLA e suas várias misturas.	Variedades de resina (plásticos termofixos). Padrão, engenharia (semelhante ao ABS, semelhante ao PP, semelhante ao silicone, flexível, resistente ao calor, rígido), fundível, odontológico e médico (biocompatível).	Termoplásticos de engenharia, normalmente náilon e seus compostos (náilon 12 é biocompatível + compatível com esterilização).	Plásticos, metais macios, metais duros (máquinas industriais), madeira, acrílico, pedra, vidro, compostos.
Aplicativos	Modelos básicos de prova de conceito, prototipagem de baixo custo de peças simples.	Protótipos rápidos, protótipos semelhantes a alta fidelidade e protótipos funcionais que exigem tolerâncias estreitas e superfícies lisas.	Geometrias complexas, protótipos funcionais semelhantes a obras e protótipos de engenharia.	Projetos simples, peças estruturais, componentes de metal.
Faixa de preço	Impressoras econômicas e kits de impressoras 3D custam a partir de algumas centenas de dólares. Impressoras de mesa de gama média de alta qualidade começam em torno de US $ 2.000 e os sistemas industriais estão disponíveis a partir de US $ 15.000.	As impressoras de mesa profissionais custam a partir de US $ 3.500, as impressoras de bancada de grande formato a US $ 11.000 e as máquinas industriais de grande escala estão disponíveis a partir de US $ 80.000.	Os sistemas industriais de bancada começam em US $ 18.500 e as impressoras industriais tradicionais estão disponíveis a partir de US $ 100.000.	As pequenas máquinas CNC começam em torno de US $ 2.000, mas as ferramentas profissionais vão muito além disso. Os gravadores básicos estão disponíveis por menos de US $ 500, enquanto os cortadores a laser de médio porte custam a partir de US $ 3.500. Os cortadores a jato de água começam em torno de US $ 20.000.

Começar a Prototipagem Rápida

A prototipagem rápida é usada em uma variedade de indústrias, por empresas da Fortune 500 e também por pequenas empresas, para acelerar o desenvolvimento, diminuir custos, melhorar a comunicação e, por fim, criar produtos melhores.

Embora a impressão 3D tenha sido tradicionalmente complexa e com custo proibitivo, as impressoras 3D de mesa e bancada tornaram a tecnologia acessível a qualquer empresa.

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