Escolhendo o Processo de Prototipagem Rápida Ideal para o Sucesso do Novo Produto

O sucesso ou falha de um protótipo depende da sua seleção de processos de prototipagem rápida para o desenvolvimento de novos produtos. Existem várias maneiras pelas quais protótipos de design de produto de engenharia podem ser feitos, variando de mock-ups simples de papelão a subconjuntos de metal totalmente usinados.

A prototipagem é crucial para qualquer design de produto de engenharia, especialmente desenvolvimento de novos produtos. É o processo de fazer modelos aproximados do produto, por exemplo, para testar sua funcionalidade, forma, tamanho, etc. Leia mais sobre os vários tipos de protótipos e sua importância aqui.

Este artigo é sobre protótipos baseados em peças, ou seja, como peças individuais podem ser feitas para criar protótipos de produto em nível de sistema.

5 Fatores-chave a Considerar ao Selecionar um Processo de Prototipagem Rápida

Os protótipos variam de tantas maneiras quanto cada projeto, produto e elemento de design de produto são diferentes. Como o sucesso de qualquer protótipo dependerá dos critérios de seleção de processos de prototipagem, esses 5 fatores-chave devem ser considerados no início de qualquer seleção de processo de prototipagem rápida.

Finalidade
Qualidade
Quantidade
Complexidade
Orçamento/custo

Vamos nos aprofundar nesses fatores-chave para entender por que são essenciais na escolha do seu próximo processo de prototipagem.

1. Finalidade

Dentro de um projeto de design e desenvolvimento de produto de engenharia, protótipos são criados para quatro finalidades, segundo Ulrich e Eppinger (2008). São elas: Aprendizado, Comunicação, Integração e Marcos. Essas finalidades da prototipagem variarão dependendo de qual das 4 etapas do desenvolvimento de novos produtos (DNP) você está. Cada etapa do DNP terá seu requisito de característica e funcionalidade para eliminar riscos. Isso então definirá o tipo de fidelidade do protótipo necessário, que é a qualidade do protótipo discutida mais tarde.

Primeiro, dependeria dos testes planejados ou exercícios de mitigação de risco, como tipos de teste, feedback de interação com cliente, etc. Se o produto passaria por testes rigorosos, implantação externa e verificação de produto, a seleção de material desempenharia um papel fundamental na seleção de técnicas de prototipagem.

Segundo, qualquer aspecto funcional que você gostaria no seu protótipo precisa ser considerado. Você está planejando testes funcionais ou tem partes móveis? Isso ditará a seleção e montagem.

Terceiro, mudanças e modificações. É altamente improvável que seu protótipo seja um sucesso sem alguns ajustes. Portanto, considere quão fácil ou difícil seria modificar para fazer os protótipos funcionarem.

Etapa do DNP

Planejamento do produto e clarificação da tarefa
- Esta etapa geralmente requer mock-ups de prova de conceito muito iniciais, unidades de demonstração e protótipos de design industrial
- Técnicas de prototipagem
  - Modelos de espuma usinados CNC
  - Mock-ups de papelão
  - Peças e conjuntos impressos em 3D (FDM, SLA, SLS, etc.)

Design conceitual
- Nesta etapa, você provavelmente precisa de peças ou conjuntos em escala do design junto com alguma interface de usuário e funcionalidade limitada
- Novamente, peças FDM são ótimas para ter uma noção de forma e tamanho. Se precisar de mais precisão, pode passar para o próximo nível de impressão 3D, ou seja, peças SLA, SLS e polyjet. Se as peças são metálicas, então CNC nesta etapa é sua melhor aposta. Em alguns casos, fabricação de chapas metálicas também vale a pena considerar
Design de incorporação (Embodiment design)
- Esta é a fase de desenvolvimento onde você precisa explorar protótipos totalmente funcionais (forma, ajuste e função), portanto, detalhes são importantes. Nesta etapa, é mais do que provável que os protótipos sejam conjuntos de trabalho contendo muitas peças
- Nesta etapa, você também precisaria de mais de uma unidade para fins de teste, e também vale a considerar as técnicas de fabricação final para que possam ser simuladas
- Considere vacuum casting e impressão 3D de alta resolução, como SLS e SLA, para peças plásticas
- Peças SLM/DMLS são ideais para simular peças fundidas (areia, investimento e fundição sob pressão)

Design detalhado
- Qualquer protótipo feito durante esta fase é mais do que provável que seja usado para testes funcionais e também para corridas piloto de pré-produção
- Peças moldadas por injeção podem ser prototipadas usando vacuum casting, enquanto peças plásticas usinadas podem ser impressas em 3D

2. Qualidade

Como discutido anteriormente, a fidelidade ou precisão do produto requerida ditará que tipo de processo e pós-processamento você precisaria. A qualidade do protótipo comparada ao seu produto final ou subcomponente também precisa ser considerada. Como protótipos de alta fidelidade custam mais, devem ser considerados em termos de retorno sobre investimento.

Por exemplo, se você tem uma característica de rosca em uma peça, SLA é melhor que FDM, mas custaria mais.

A vida do protótipo também é crucial ao decidir a tecnologia. Por exemplo, se as peças têm fixadores que serão usados frequentemente, então inserts usinados ou metálicos são uma opção melhor do que roscas impressas em 3D ou furos auto-roscantes.

Seleção de material também desempenha um papel vital em termos de qualidade do protótipo. Se os elementos funcionais estão ligados a propriedades especiais de material, como acabamento superficial e durabilidade, então escolher peças manufaturadas aditivamente pode não ser a melhor escolha. As escolhas gerais de material para os diferentes métodos de fabricação são as seguintes:

Impressão 3D	CNC	Vacuum Casting
Nylon, PLA, ABS, ULTEM, ASA, TPU	ABS, Nylon, Policarbonato, PEEK	ABS, Nylon Nylon HT
Alumínio, Aço Inox, Titânio, Inconel	Alumínio, Aço Inox, Titânio, Latão	N/A

Se o protótipo é feito de mais de uma peça, a tolerância das peças prototipadas terá que ser considerada para facilidade de integração.

3. Quantidade

O número de peças de protótipo necessárias é essencial para decidir o processo, pois algumas tecnologias de prototipagem são apenas econômicas para quantidades menores. Para peças de manufatura aditiva, o volume também desempenha um papel crucial no custo, pois peças maiores exigirão mais tempo para imprimir comparado a peças menores. Como regra prática, as seguintes regras se aplicam.

Peças plásticas

Processos de prototipagem
Peças plásticas		Quantidade
Peças plásticas		Baixa (1-9)	Média (10-99)
Tamanho	Pequeno	Impressão 3D	Usinagem CNC (simples) Impressão 3D (complexo)
Tamanho	Grande	Impressão 3D	Vacuum casting Usinagem CNC

Peças metálicas

Processos de prototipagem
Peças Metálicas		Quantidade
Peças Metálicas		Baixa (1-9)	Média (10-99)
Tamanho	Pequeno	Usinagem CNC Impressão 3D	Usinagem CNC Fundição por investimento
Tamanho	Grande	Usinagem CNC	Usinagem CNC

4. Complexidade

A complexidade da peça e a complexidade das características também ditarão a seleção do processo de prototipagem rápida. A manufatura aditiva é boa para produzir peças pequenas muito complicadas, mas deve-se ter cautela sobre o projeto final porque complicado significa produção em massa muito cara.

Processo	Tolerância (mm)	Espessura mínima de parede (mm)
FDM	±0,20 – ±0,50	0,8 - 1,0
SLS/SLA	±0,20 – ±0,30	0,7 – 1,0
SLM/DMLS	±0,10	0,4 – 0,5
Binder Jetting	±0,20	1,5 – 2,0
CNC *	±0,012	0,5
Vacuum casting	±0,1	0,9 – 1,0

Observe que estas tolerâncias e espessuras mínimas de parede são valores típicos e variam enormemente dependendo da escolha do material e projeto da característica.

Peças que eventualmente serão produzidas por moldagem por injeção, várias formas de fundição podem ser prototipadas usando impressão 3D, enquanto peças usinadas podem ser impressas em 3D ou fabricadas usando processos convencionais de conformação ou manufatura subtrativa.

5. Custo

Finalmente, os recursos disponíveis; o objetivo do protótipo andaria de mãos dadas com os recursos disponíveis. Tempo, dinheiro e horas-homem necessários para fabricar e fazer os protótipos funcionarem, precisam ser considerados ao escolher a tecnologia de prototipagem rápida.

Pontos a ponderar:

Na maioria das vezes, o tempo consumido por pós-processamento ou para fazer a peça funcionar a partir de protótipos de baixa qualidade será maior que o de protótipos de alta qualidade
Alguns processos como impressão 3D podem precisar de algum tempo de pós-processamento, mas é relativamente mais rápido e barato, enquanto vacuum casting daria peças quase idênticas à moldagem por injeção e podem ser usadas sem pós-processamento. No entanto, isso será mais caro com o custo de ferramental
O custo do CNC é proporcional à complexidade da peça, enquanto o custo da AM é diretamente proporcional ao volume e tamanho
O custo total também estaria fortemente ligado às quantidades, mais para um processo como CNC devido ao custo de configuração mais alto

Resumo

O desenvolvimento de novos produtos de engenharia quase sempre envolve fazer protótipos para testar ideias, funcionalidades, etc. Mas a qualidade dos seus testes e a subsequente tomada de decisão dependerão muito de quão bem seu protótipo simula o produto final. Portanto, selecionar o processo certo para fazer o protótipo é crucial para o sucesso de qualquer produto de engenharia.

Uma vez que você tenha uma compreensão clara dos 5 fatores-chave acima, pode decidir sobre o tipo de processo a explorar. Existem tantas maneiras de fazer protótipos, e cada processo de prototipagem terá suas vantagens e limitações. Assim, escolher o correto é vital para o seu sucesso na prototipagem.

Passos do processo de seleção de prototipagem rápida