Seleção rápida do processo de prototipagem

O sucesso ou fracasso de um protótipo depende de sua seleção de processos de prototipagem rápida para o desenvolvimento do novo produto. Existem várias maneiras pelas quais os protótipos de design de produtos de engenharia podem ser feitos, desde simples maquetes de papelão até subconjuntos de metal totalmente usinados.

A prototipagem é crucial para qualquer projeto de produto de engenharia, especialmente o desenvolvimento de novos produtos. É o processo de fazer maquetes do produto, por exemplo, para testar sua funcionalidade, formato, 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 produtos no nível do sistema.

5 fatores-chave a serem considerados ao selecionar um processo de prototipagem rápida

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

1. Propósito
2. Qualidade
3. Quantidade
4. Complexidade
5. Orçamento/custo

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

1. Objetivo

Dentro de um projeto de projeto e desenvolvimento de produto de engenharia, protótipos são criados para quatro propósitos, de acordo com Ulrich e Eppinger (2008). Eles estão Aprendendo , Comunicação , Integração e Marcos . Esses propósitos da prototipagem variam dependendo de qual dos 4 estágios de desenvolvimento de novos produtos (NPD) você estão dentro. Cada estágio do NPD terá seu requisito de recurso e funcionalidade para eliminar o risco. Isso definirá então o tipo de fidelidade do protótipo necessário, que é a qualidade do protótipo discutido posteriormente.

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

Em segundo lugar, qualquer aspecto funcional você gostaria em seu protótipo precisa ser considerado. Você está planejando testes funcionais ou tem peças móveis? Isso ditará a seleção e a montagem.

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

Estágio NPD

• Planejamento de produto e tarefa de esclarecimento

  • Esta etapa geralmente requer provas de conceito muito precoces, unidades de demonstração e protótipos de design industrial
  • Técnicas de prototipagem
    • Modelos de espuma usinada CNC
    • Mockups de papelão
    • Peças e montagens impressas em 3D (FDM, SLA, SLS etc)

• Design conceitual

  • Neste estágio, você provavelmente precisa de peças ou montagens dimensionadas do projeto junto com alguma interface de usuário e funcionalidades limitadas
  • Novamente, as peças FDM são ótimas para sentir a forma e o tamanho. Se você precisar de mais precisão, poderá passar para o próximo nível de impressão 3D, ou seja, SLA, SLS e peças de jato poli. Se as peças forem de metal, o CNC nesta fase é sua melhor aposta. Em alguns casos, a fabricação de chapas metálicas também vale a pena considerar

• Design de personificação

  • Esta é a fase de desenvolvimento em que você precisa explorar protótipos totalmente funcionais (forma, ajuste e função), portanto, os detalhes são importantes. Nesta fase, é mais do que provável que os protótipos sejam montagens de trabalho contendo muitas peças
  • Nesta fase, você também precisaria de mais de uma unidade para fins de teste, e também vale a pena considerar as técnicas finais de fabricação para que possam ser simuladas
  • Considere a fundição a vácuo e a impressão 3D de alta resolução, como SLS e SLA, para peças plásticas
  • As peças SLM/DMLS são ideais para simular peças fundidas (areia, microfusão e fundição sob pressão)

• Design detalhado

  • Qualquer protótipo feito durante esta fase provavelmente será usado para testes funcionais e também para execuções piloto de pré-produção
  • Peças moldadas por injeção podem ser prototipadas usando fundição a vácuo, enquanto peças plásticas usinadas podem ser impressas em 3D

2. Qualidade

Conforme discutido anteriormente, a fidelidade ou a precisão do produto exigido irá ditar que tipo de processo e pós-processamento você precisaria. A qualidade do protótipo em comparação com seu produto final ou subcomponente também precisa ser considerada. Como os protótipos de alta fidelidade custam mais, eles devem ser considerados em termos de retorno do investimento.

Por exemplo, se você tiver um recurso de encadeamento em uma peça, o SLA é melhor que o FDM, mas custaria mais.

A vida útil do protótipo também é crucial ao decidir a tecnologia. Por exemplo, se as peças tiverem fixadores que serão usados ​​com frequência, as inserções usinadas ou de metal são uma opção melhor do que os furos rosqueados ou autorroscantes impressos em 3D.

Seleção de materiais também desempenha um papel vital em termos de qualidade do protótipo. Se os elementos funcionais estiverem vinculados a propriedades especiais do material, como acabamento superficial e durabilidade, a escolha de peças fabricadas com aditivos pode não ser a melhor escolha. As escolhas gerais de materiais para os diferentes métodos de fabricação são as seguintes:

impressão 3D	CNC	Fundição a vácuo
Nylon, PLA, ABS, ULTEM, ASA, TPU	ABS, Nylon, Policarbonato, PEEK	ABS, Nylon Nylon HT
Alumínio, Aço Inoxidável, Titânio, Inconel	Alumínio, Aço Inoxidável, Titânio, Latão	N/D

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

3. Quantidade

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

Peças de plástico

Protótipos de processos
Peças de plástico		Quantidade
		Baixo (1's)	Médio (10's)
Tamanho	Pequeno	impressão 3D	Usinagem CNC (simples) Impressão 3D (complicada)
	Grande	impressão 3D	Fundição a vácuo Usinagem CNC

Peças metálicas

Protótipos de processos
Peças metálicas		Quantidade
		Baixo (1's)	Médio (10's)
Tamanho	Pequeno	Usinagem CNC Impressão 3D	Usinagem CNC Fundição de investimento
	Grande	Usinagem CNC	Usinagem CNC

4. Complexidade

A complexidade da peça e a complexidade dos recursos também ditarão a rápida seleção do processo de protótipo. A manufatura aditiva é boa para a produção de peças pequenas muito complicadas, mas deve-se ter cuidado com o projeto final por causa dos meios complicados de produção em massa muito cara.

Processo	Tolerância (mm)	Espessura mínima da 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
Jato de pasta	±0,20	1,5 mm – 2,0 mm
CNC *	±0,012	0,5
Transmissão a vácuo	±0,1	0,9 – 1,0

Observe que essas tolerâncias e espessura mínima da parede são valores típicos e variam muito dependendo da escolha do material e do design do recurso.

Peças que eventualmente são 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 de fabricação convencionais ou subtrativos.

5. Custo

Por fim, os recursos disponíveis; o objetivo do protótipo andaria de mãos dadas com os recursos disponíveis. Tempo, dinheiro e horas de trabalho necessários para que os protótipos sejam fabricados e funcionem, precisam ser considerados ao escolher a tecnologia de prototipagem rápida.

Coisas para refletir:

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

Resumo

O desenvolvimento de novos produtos de engenharia quase sempre envolve a criação de protótipos para testar ideias, funcionalidades, etc. Mas a qualidade de seus testes e a tomada de decisões subsequentes 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, você pode decidir sobre o tipo de processo a ser explorado. Existem muitas maneiras de fazer protótipos, e cada processo de prototipagem terá suas vantagens e limitações. Assim, escolher o correto é vital para o sucesso de sua prototipagem.

Etapas do processo de seleção de prototipagem rápida

• Defina a finalidade do protótipo
• Estabeleça o nível de aproximação (qualidade e complexidade)
• Descreva o método de avaliação e planeje identificar as quantidades
• Certifique-se de que seu custo seja mantido dentro do orçamento do protótipo