Gids voor Rapid Prototyping voor productontwikkeling

Prototyping is een cruciaal onderdeel van het productontwikkelingsproces, maar van oudsher is het een knelpunt.

Productontwerpers en ingenieurs zouden geïmproviseerde proof-of-concept-modellen maken met basistools, maar het produceren van functionele prototypes en onderdelen van productiekwaliteit vereiste vaak dezelfde processen als afgewerkte producten. Traditionele productieprocessen zoals spuitgieten vereisen kostbare gereedschappen en instellingen, waardoor kleine op maat gemaakte prototypes onbetaalbaar zijn.

Rapid prototyping helpt bedrijven om ideeën om te zetten in realistische proofs of concept, bevordert deze concepten tot high-fidelity prototypes die eruitzien en werken als eindproducten, en begeleidt producten door een reeks validatiefasen naar massaproductie.

Met rapid prototyping kunnen ontwerpers en technici sneller dan ooit prototypes rechtstreeks van CAD-gegevens maken en snelle en frequente revisies van hun ontwerpen uitvoeren op basis van tests en feedback uit de echte wereld.

In deze gids leert u hoe rapid prototyping past in het productontwikkelingsproces, de toepassingen ervan en welke rapid prototyping-tools beschikbaar zijn voor de productontwikkelingsteams van vandaag.

Wat is Rapid Prototyping?

Rapid prototyping is de groep technieken die wordt gebruikt om snel een schaalmodel van een fysiek onderdeel of samenstel te fabriceren met behulp van driedimensionale CAD-gegevens (computer-aided design). Omdat deze onderdelen of samenstellingen meestal worden geconstrueerd met behulp van additieve fabricagetechnieken in tegenstelling tot traditionele subtractieve methoden, is de uitdrukking synoniem geworden met additieve fabricage en 3D-printen.

Additive manufacturing is een natuurlijke match voor prototyping. Het biedt bijna onbeperkte vormvrijheid, vereist geen gereedschap en kan onderdelen produceren met mechanische eigenschappen die nauw aansluiten bij verschillende materialen die zijn gemaakt met traditionele productiemethoden. 3D-printtechnologieën bestaan ​​al sinds de jaren tachtig, maar hun hoge kosten en complexiteit beperkten het gebruik ervan meestal tot grote bedrijven, of dwongen kleinere bedrijven om de productie uit te besteden aan gespecialiseerde diensten, met wekenlange wachttijden tussen opeenvolgende iteraties.

Met behulp van 3D-printen kunnen ontwerpers snel schakelen tussen digitale ontwerpen en fysieke prototypes, en sneller tot productie komen.

De komst van desktop- en benchtop 3D-printen heeft deze status-quo veranderd en heeft geleid tot een vloedgolf van adoptie die niet lijkt te stoppen. Met in-house 3D-printen kunnen ingenieurs en ontwerpers snel schakelen tussen digitale ontwerpen en fysieke prototypes. Het is nu mogelijk om binnen een dag prototypes te maken en meerdere iteraties van ontwerp, grootte, vorm of montage uit te voeren op basis van resultaten van real-life testen en analyses. Uiteindelijk helpt het snelle prototypingproces bedrijven om betere producten sneller op de markt te brengen dan hun concurrentie.

Wit papier

Inleiding tot 3D printen met desktop stereolithografie (SLA)

Op zoek naar een 3D-printer om uw 3D-modellen in hoge resolutie te realiseren? Download onze whitepaper om te ontdekken hoe SLA-printen werkt en waarom dit het populairste 3D-printproces is voor het maken van modellen met ongelooflijke details.

Download de whitepaper

Voordelen van Rapid Prototyping

Concepten sneller realiseren en ontdekken

Rapid prototyping verheft eerste ideeën tot conceptverkenningen met een laag risico die er in een mum van tijd uitzien als echte producten. Het stelt ontwerpers in staat verder te gaan dan virtuele visualisatie, waardoor het gemakkelijker wordt om het uiterlijk van het ontwerp te begrijpen en concepten naast elkaar te vergelijken.

Effectief communiceren over ideeën

Fysieke modellen stellen ontwerpers in staat hun concepten te delen met collega's, klanten en medewerkers om ideeën over te brengen op manieren die niet mogelijk zijn door alleen ontwerpen op het scherm te visualiseren. Rapid prototyping faciliteert de duidelijke, bruikbare feedback van gebruikers die essentieel is voor makers om de behoeften van gebruikers te begrijpen en vervolgens hun ontwerpen te verfijnen en te verbeteren.

Iteratief ontwerpen en wijzigingen onmiddellijk opnemen

Ontwerpen is altijd een iteratief proces dat meerdere test-, evaluatie- en verfijningsrondes vereist voordat het tot een eindproduct komt. Snelle prototyping met 3D-printen biedt de flexibiliteit om sneller realistischere prototypes te maken en wijzigingen onmiddellijk door te voeren, waardoor dit cruciale proces van vallen en opstaan ​​wordt verbeterd.

Opeenvolgende iteraties van een pick-and-place robotgrijper als prototype op Formlabs SLA-printers.

Een goed model is een ontwerpcyclus van 24 uur:ontwerp tijdens het werk, 3D-prototypeonderdelen 's nachts printen, de volgende dag schoonmaken en testen, het ontwerp aanpassen en dan herhalen.

Bespaar kosten en tijd

Met 3D-printen is er geen dure tooling en setup nodig; dezelfde apparatuur kan worden gebruikt om verschillende geometrieën te produceren. In-house rapid prototyping elimineert de hoge kosten en doorlooptijd die gepaard gaan met outsourcing.

Interactief

Bereken uw tijd- en kostenbesparing

Probeer onze interactieve ROI-tool om te zien hoeveel tijd en kosten u kunt besparen bij het 3D-printen op Formlabs 3D-printers.

Bereken uw besparingen

Test grondig en minimaliseert ontwerpfouten

Bij productontwerp en productie kan het vroegtijdig opsporen en oplossen van ontwerpfouten bedrijven helpen om dure ontwerprevisies en gereedschapswijzigingen later te voorkomen.

Rapid prototyping stelt ingenieurs in staat om prototypes die eruitzien en presteren als eindproducten grondig te testen, waardoor de risico's van bruikbaarheid en maakbaarheidsproblemen worden verminderd voordat ze in productie gaan.

Toepassingen van Rapid Prototyping

Dankzij een verscheidenheid aan beschikbare technologieën en materialen ondersteunt rapid prototyping ontwerpers en ingenieurs tijdens de productontwikkeling, van initiële conceptmodellen tot engineering, validatietesten en productie.

Het hardware-ontwikkelingsproces. Bron:Ben Einstein, Bolt

Proof-of-Concept (PoC)-prototypes en conceptmodellen

Conceptmodellen of proof-of-concept (POC)-prototypes helpen productontwerpers om ideeën en aannames te valideren en de levensvatbaarheid van een product te testen. Fysieke conceptmodellen kunnen een idee demonstreren aan belanghebbenden, discussie creëren en acceptatie of afwijzing stimuleren met behulp van conceptverkenningen met een laag risico.

PoC-prototyping vindt plaats in de vroegste stadia van het productontwikkelingsproces en deze prototypes bevatten de minimale functionaliteit die nodig is om aannames te valideren voordat het product naar de volgende ontwikkelingsfasen wordt verplaatst.

Een proof of concept moet eenvoudig zijn, net voldoende om te imiteren hoe het product werkt. De POC voor een oplaadstandaard kan bijvoorbeeld gewoon een 3D-geprinte behuizing zijn die is aangesloten op een standaard USB-oplaadkabel.

De sleutel tot succesvolle conceptmodellering is snelheid; ontwerpers moeten een schat aan ideeën genereren voordat ze fysieke modellen bouwen en evalueren. In dit stadium zijn bruikbaarheid en kwaliteit van minder belang en vertrouwen teams zoveel mogelijk op kant-en-klare onderdelen.

Ontwerpers van de Zwitserse ontwerp- en adviesstudio Panter&Tourron gebruikten SLA 3D-printen om in twee weken van concept tot showcase te komen.

3D-printers zijn ideale hulpmiddelen om conceptmodellering te ondersteunen. Ze bieden een ongeëvenaarde doorlooptijd om een ​​computerbestand om te zetten in een fysiek prototype, zodat ontwerpers snel aanvullende concepten kunnen testen. In tegenstelling tot de meeste werkplaats- en productietools, zijn desktop 3D-printers kantoorvriendelijk, waardoor er geen speciale ruimte nodig is.

Ziet eruit als prototypes

Uiterlijk lijkende prototypes vertegenwoordigen het eindproduct op een abstract niveau, maar missen mogelijk veel van zijn functionele aspecten. Hun doel is om een ​​beter beeld te geven van hoe een eindproduct eruit zal zien en hoe de eindgebruiker ermee zal omgaan. Ergonomie, gebruikersinterfaces en de algehele gebruikerservaring kunnen worden gevalideerd met prototypes die eruitzien als ze eruitzien voordat er veel tijd wordt besteed aan ontwerp en engineering om de productfuncties volledig uit te bouwen.

De ontwikkeling van een prototype begint meestal met schetsen, schuim- of kleimodellen en gaat dan over in CAD-modellering. Naarmate ontwerpcycli van de ene iteratie naar de volgende gaan, beweegt prototyping heen en weer tussen digitale weergaven en fysieke modellen. Terwijl het ontwerp is afgerond, streven industriële ontwerpteams ernaar om prototypes te maken die eruitzien als het eindproduct, door gebruik te maken van de werkelijke kleuren, materialen en afwerkingen (CMF) die ze voor het eindproduct specificeren.

Lijkt op prototypes van de Form 2 SLA 3D-printer met verschillende oplossingen voor het plaatsen van cartridges.

Werktachtige prototypen

Parallel aan het industriële ontwerpproces werken technische teams aan een andere reeks prototypes om de mechanische, elektrische en thermische systemen waaruit het product bestaat te testen, te herhalen en te verfijnen. Deze werkachtige prototypes zien er misschien anders uit dan het eindproduct, maar ze bevatten de kerntechnologieën en -functies die moeten worden ontwikkeld en getest.

Vaak worden deze essentiële kernfuncties ontwikkeld en getest in afzonderlijke subeenheden voordat ze worden geïntegreerd in een enkel productprototype. Deze subsysteembenadering isoleert variabelen, waardoor het voor teams gemakkelijker wordt om verantwoordelijkheden op te splitsen en betrouwbaarheid op een gedetailleerder niveau te garanderen voordat alle elementen samen worden gevouwen.

Vroege werken-achtige prototypen van de Form 3L grootformaat SLA 3D-printer.

Engineering Prototypes

Het technische prototype is waar ontwerp en engineering elkaar ontmoeten om een ​​minimaal haalbare versie van het uiteindelijke commerciële product te creëren, dat is ontworpen voor productie (DFM). Deze prototypes worden gebruikt voor laboratoriumgebaseerde gebruikerstests met een selecte groep hoofdgebruikers, om de productie-intentie te communiceren aan toolingspecialisten in latere stadia en om als demonstrator op te treden tijdens de eerste verkoopvergaderingen.

In deze fase worden details steeds belangrijker. Met 3D-printen kunnen ingenieurs high-fidelity prototypes maken die het eindproduct nauwkeurig weergeven. Dit maakt het gemakkelijker om het ontwerp, de pasvorm, de functie en de maakbaarheid te verifiëren voordat u investeert in dure gereedschappen en in productie gaat, wanneer de tijd en kosten om veranderingen door te voeren steeds onbetaalbaarder worden.

Duikcamerafabrikant Paralenz gebruikte 3D-printen om functionele prototypes te maken die 200+ meter onder zeeniveau hebben doorstaan.

Geavanceerde 3D-printmaterialen kunnen nauw aansluiten bij het uiterlijk, het gevoel en de materiaalkenmerken van onderdelen die zijn geproduceerd met traditionele productieprocessen zoals spuitgieten. Verschillende materialen kunnen onderdelen nabootsen met fijne details en texturen, zacht aanvoelende, gladde en wrijvingsarme oppervlakken, stijve en robuuste behuizingen of heldere componenten. 3D-geprinte onderdelen kunnen worden afgewerkt met secundaire processen zoals schuren, polijsten, schilderen of galvaniseren om elk visueel kenmerk van een definitief onderdeel te repliceren, evenals schroefdraad om assemblages te maken van meerdere onderdelen en materialen.

Ingenieurs bij Wöhler bouwden een eruitziend, werkend prototype van een vochtmeter van meerdere materialen met een stevige behuizing en soft-touch-knoppen.

Engineering-prototypes vereisen uitgebreide functionele en bruikbaarheidstests om te zien hoe een onderdeel of assemblage zal functioneren wanneer het wordt blootgesteld aan spanningen en gebruiksomstandigheden in het veld. 3D-printen biedt technische kunststoffen voor hoogwaardige prototypes die bestand zijn tegen thermische, chemische en mechanische belasting.

Validatietesten en fabricage

Met snelle prototyping kunnen ingenieurs kleine series, eenmalige oplossingen op maat en subassemblages maken voor constructies voor engineering, ontwerp en productvalidatie (EVT, DVT, PVT) om de maakbaarheid te testen.

3D-printen maakt het gemakkelijker om toleranties te testen met het eigenlijke productieproces in gedachten, en om uitgebreide interne en veldtesten uit te voeren voordat overgegaan wordt tot massaproductie.

3D-geprinte snelle gereedschappen kunnen ook worden gecombineerd met traditionele productieprocessen zoals spuitgieten, thermovormen of siliconengieten, om productieprocessen te verbeteren door hun flexibiliteit, wendbaarheid, schaalbaarheid en kostenefficiëntie te verbeteren. De technologie biedt ook een efficiënte oplossing voor het maken van aangepaste testmallen en opspanningen om functionele testen en certificering te vereenvoudigen door consistente gegevens te verzamelen.

Coalesce, een bedrijf dat medische hulpmiddelen ontwerpt, gebruikt aangepaste mallen voor interne tests.

Met 3D-printen hoeft het ontwerp niet te stoppen wanneer de productie begint. Met Rapid Prototyping-tools kunnen ontwerpers en ingenieurs producten continu verbeteren en snel en effectief reageren op problemen in de lijn met mallen en opspanningen die de assemblage- of QA-processen verbeteren.

E-boek

Succes vinden met 3D-geprinte Rapid Prototyping

Dit e-boek behandelt zes praktijkvoorbeelden van bedrijven die innovatie en verbetering stimuleren ten opzichte van
traditionele processen met 3D-printen.

Download de whitepaper

Hulpmiddelen en methoden voor snelle prototypen

Additieve productie

Rapid prototyping is in wezen synoniem geworden met additive manufacturing en 3D-printen. Er zijn meerdere 3D-printprocessen beschikbaar, waarvan de meest gebruikte voor rapid prototyping fused deposition modeling (FDM), stereolithografie (SLA), selectieve laser sintering (SLS) zijn.

Fused Deposition Modeling (FDM)

FDM 3D-printen, ook bekend als fused filament fabrication (FFF), is een 3D-printmethode die onderdelen bouwt door het smelten en extruderen van thermoplastisch filament, dat een printermondstuk laag voor laag in het bouwgebied neerslaat.

FDM is de meest gebruikte vorm van 3D-printen op consumentenniveau, gevoed door de opkomst van 3D-printers voor hobbyisten. Professionele FDM-printers zijn echter ook populair bij zowel ontwerpers als technici.

FDM heeft de laagste resolutie en nauwkeurigheid in vergelijking met andere plastic 3D-printprocessen en is niet de beste optie voor het printen van complexe ontwerpen of onderdelen met ingewikkelde functies. Afwerkingen van hogere kwaliteit kunnen worden verkregen door middel van chemische en mechanische polijstprocessen. Sommige professionele FDM 3D-printers gebruiken oplosbare dragers om sommige van deze problemen te verhelpen.

FDM werkt met een reeks standaard thermoplasten, zoals ABS, PLA en hun verschillende mengsels, terwijl geavanceerdere FDM-printers ook een breder scala aan technische thermoplasten of zelfs composieten bieden. Voor rapid prototyping zijn FDM-printers vooral handig voor het produceren van eenvoudige onderdelen, zoals onderdelen die normaal gesproken machinaal kunnen worden bewerkt.

Stereolithografie (SLA)

SLA 3D-printers gebruiken een laser om vloeibare hars uit te harden tot gehard plastic in een proces dat fotopolymerisatie wordt genoemd. SLA is een van de meest populaire processen onder professionals vanwege de hoge resolutie, precisie en materiaalveelzijdigheid.

Een 3D-geprint snel prototype van een horloge geproduceerd met behulp van de Form 3 SLA 3D-printer naast het eindproduct.

SLA-onderdelen hebben de hoogste resolutie en nauwkeurigheid, de duidelijkste details en de gladste oppervlakteafwerking van alle plastic 3D-printtechnologieën, waardoor SLA een geweldige optie is voor high-fidelity-achtige prototypes en functionele werk-achtige prototypes die nauwe toleranties vereisen.

Het belangrijkste voordeel van SLA ligt echter in de veelzijdigheid van de harsbibliotheek. Materiaalfabrikanten hebben innovatieve SLA-fotopolymeerharsformuleringen gemaakt met een breed scala aan optische, mechanische en thermische eigenschappen die overeenkomen met die van standaard-, technische en industriële thermoplasten.

Met Draft Resin is SLA 3D-printen ook een van de snelste prototyping-tools, tot 10x sneller dan FDM 3D-printen.

Voorbeeld onderdeel

Vraag een gratis proefstuk aan

Zie en voel de kwaliteit van Formlabs uit de eerste hand. We sturen een gratis proefstuk naar uw kantoor.

Vraag een gratis proefstuk aan

Selectief laser sinteren (SLS)

Selectief lasersinteren is de meest gebruikte technologie voor additieve fabricage voor industriële toepassingen, waarop ingenieurs en fabrikanten in verschillende industrieën vertrouwen vanwege het vermogen om sterke, functionele onderdelen te produceren.

SLS 3D-printers gebruiken een krachtige laser om kleine deeltjes polymeerpoeder te versmelten. Het niet-gesmolten poeder ondersteunt het onderdeel tijdens het printen en elimineert de noodzaak voor speciale ondersteuningsstructuren. Dit maakt SLS ideaal voor complexe geometrieën, inclusief interieurkenmerken, ondersnijdingen, dunne wanden en negatieve kenmerken. Onderdelen geproduceerd met SLS-printen hebben uitstekende mechanische eigenschappen, met een sterkte die lijkt op die van spuitgegoten onderdelen.

SLS 3D-printen kan sterke, functionele werkachtige prototypes en technische prototypes produceren voor rigoureuze functionele testen van producten.

Bij rapid prototyping wordt SLS 3D-printen voornamelijk gebruikt voor werkachtige prototypes en technische prototypes voor rigoureuze functionele testen van producten (bijv. leidingwerk, beugels) en feedback van klanten in het veld.

Voorbeeld onderdeel

Vraag een gratis proefstuk aan

Zie en voel de kwaliteit van Formlabs SLS uit de eerste hand. We sturen een gratis proefstuk naar uw kantoor.

Vraag een gratis proefstuk aan

CNC-tools

Computer numerieke besturing (CNC)-tools - in tegenstelling tot FDM, SLA of SLS - zijn subtractieve productieprocessen. Ze beginnen met massieve blokken, staven of staven van plastic, metaal of andere materialen die worden gevormd door materiaal te verwijderen door middel van snijden, boren, boren en slijpen.

CNC-gereedschappen omvatten CNC-bewerking, waarbij materiaal wordt verwijderd door een draaiend gereedschap en een vast onderdeel (frezen) of een draaiend onderdeel met een vast gereedschap (draaibank). Lasersnijders gebruiken een laser om met hoge precisie een breed scala aan materialen te graveren of te snijden. Waterstraalsnijders gebruiken water gemengd met schuurmiddel en hoge druk om door praktisch elk materiaal te snijden. CNC-freesmachines en draaibanken kunnen meerdere assen hebben, waardoor ze complexere ontwerpen kunnen beheren. Laser- en waterstraalsnijders zijn meer geschikt voor platte onderdelen.

CNC-gereedschappen kunnen onderdelen vormen van kunststoffen, zachte metalen, harde metalen (industriële machines), hout, acryl, steen, glas, composieten. In vergelijking met tools voor additieve fabricage zijn CNC-tools ingewikkelder om in te stellen en te bedienen, terwijl sommige materialen en ontwerpen speciale gereedschappen, hantering, positionering en verwerking vereisen, waardoor ze kostbaar zijn voor eenmalige onderdelen in vergelijking met additieve processen.

Bij rapid prototyping zijn het ideale eenvoudige ontwerpen, structurele onderdelen, metalen componenten en andere onderdelen die niet haalbaar of kosteneffectief zijn om te produceren met additieve gereedschappen.

Vergelijking van snelle prototypetools

	Fused Deposition Modeling (FDM)	Stereolithografie (SLA)	Selectief laser sinteren (SLS)	CNC-tools
Oplossing	★★☆☆☆	★★★★★	★★★★☆	★★★★★
Nauwkeurigheid	★★★★☆	★★★★★	★★★★★	★★★★★
Oppervlakteafwerking	★★☆☆☆	★★★★★	★★★★☆	★★★★★
Gebruiksgemak	★★★★★	★★★★★	★★★★☆	★★★☆☆
Complexe ontwerpen	★★★☆☆	★★★★☆	★★★★★	★★★☆☆
Volume bouwen	Tot 300 x 300 x 600 mm (desktop en benchtop 3D-printers)	Tot 300 x 335 x 200 mm (desktop en benchtop 3D-printers)	Tot 165 x 165 x 300 mm (benchtop industriële 3D-printers)	Afhankelijk van de tool
Materialen	Standaard thermoplasten, zoals ABS, PLA en hun verschillende mengsels.	Rassen van hars (thermohardende kunststoffen). Standaard, engineering (ABS-achtig, PP-achtig, siliconenachtig, flexibel, hittebestendig, stijf), gietbaar, tandheelkundig en medisch (biocompatibel).	Technische thermoplasten, typisch nylon en zijn composieten (nylon 12 is biocompatibel + compatibel met sterilisatie).	Kunststoffen, zachte metalen, harde metalen (industriële machines), hout, acryl, steen, glas, composieten.
Toepassingen	Basic proof-of-concept models, low-cost prototyping of simple parts.	Quick prototypes, high-fidelity looks-like prototypes and functional works-like prototypes requiring tight tolerances and smooth surfaces.	Complex geometries, functional works-like prototypes and engineering prototypes.	Simple designs, structural parts, metal components.
Price Range	Budget printers and 3D printer kits start at a few hundred dollars. Higher quality mid-range desktop printers start around $2,000, and industrial systems are available from $15,000.	Professional desktop printers start at $3,500, large-format benchtop printers at $11,000, and large-scale industrial machines are available from $80,000.	Benchtop industrial systems start at $18,500, and traditional industrial printers are available from $100,000.	Small CNC machines start around $2,000, but professional tools go well beyond that. Basic engravers are available for less than $500, while mid-range laser cutters start around $3,500. Water jet cutters start around $20,000.

Get Started With Rapid Prototyping

Rapid prototyping is used in a variety of industries, by Fortune 500 companies and small businesses alike, to speed up development, decrease costs, improve communication, and ultimately create better products.

While 3D printing traditionally had been complex and cost-prohibitive, desktop and benchop 3D printers have made the technology accessible to any business.

Learn more about 3D printers and explore how leading manufacturers leverage 3D printing to save money and shorten lead times from design to production.